Применение математического моделирования в проектировании электрической части ГЭС

Филиппова Т.А.1, Романов А.В.2
1Филиппова Тамара Арсентьевна / Filippova Tamara Arsent'evna – кафедра систем управления и экономики энергетики, доктор технических наук, профессор;
2Романов Александр Вадимович / Romanov Aleksandr Vadimovich – кафедра систем управления и экономики энергетики, аспирант
Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск

Аннотация: в данной статье рассмотрено применение математического моделирования в проектировании электрической части гидроэлектростанции. Отмечена особая роль гидроэнергетики в мире в целом и в России в частности. Проанализированы характерные особенности элементов электрической схемы ГЭС и подход к их проектированию, а также преимущества использования в данном процессе методов математического моделирования.

Ключевые слова: ГЭС, гидроэнергетика, математическое моделирование, электрическая часть станции.

Keywords: hydroelectric, hydropower, mathematical modeling, electrical part of the station.

Роль гидроэнергетики в современном мире трудно переоценить. Она является наиболее эффективным представителем нетрадиционной энергетики, позволяющей получать относительно недорогую электроэнергию постоянно, в различных частях нашей планеты, без загрязнения окружающей среды. Большинство развитых и активно развивающихся стран уделяют особое внимание этой части своей энергосистемы, а некоторые из них, как например Исландия, Норвегия, Канада и Швеция, возлагают на гидроэлектростанции практически всю выработку потребляемой электроэнергии в этих странах. Однако, проектирование гидроэлектростанций в целом, и их электрической части в частности, связано с большими трудностями, так как при этом необходимо учитывать множество различных факторов, таких как климат и рельеф местности, перспективы развития энергетики и промышленности в данном регионе, возможности и характеристики современного оборудования и т.д. Таким образом, процесс проектирования ГЭС является дорогостоящим и занимает много времени. Математические модели позволяют систематизировать расчеты на основе теоретических данных и практического опыта и тем самым сократить время и финансовые затраты на всех этапах проектирования.

Математическое моделирование играло важную роль и являлось неотъемлемой частью научного и технического прогресса на протяжении всей истории человечества. Взглянув на историю развития науки и техники можно отметить особую роль математического моделирования, без которого современные темпы технологического прогресса были бы просто недостижимы. Математическое моделирование в настоящее время все глубже проникает во все сферы человеческой деятельности, но в развитии и совершенствовании современных техники и технологии его роль является решающей[1].

При построении математической модели главной электрической схемы ГЭС определяются взаимосвязи между параметрами оборудования схемы, водноэнергетическими ресурсами и параметрами системных связей станции. Для формирования достоверной модели необходимо определить четкую и объективную связь между различными элементами. При правильно разработанной модели появляется возможность изучения существующих или только проектируемых гидроэлектростанций посредством тех или иных математических методов. Для этих целей, на сегодняшний день существует ряд технологий, упрощающих задачу анализа математической модели. К таким технологиям относятся, например, система компьютерной алгебры из класса систем автоматизированного проектирования MathCAD и двух- и трехмерная система автоматизированного проектирования и черчения AutoCAD. Данные средства автоматизации активно применяются и для проектирования главной электрической схемы ГЭС. При этом главной задачей является определение параметров основных элементов электрической схемы гидроэлектростанции. При моделировании главной электрической схемы гидроэлектростанции необходимо принимать во внимание вопросы, которые интересуют непосредственно проектировщика. К таким вопросам относятся:

1. Определение среднегодовой выработки электроэнергии и мощности ГЭС;
2. Определение параметров необходимых для выбора основного оборудования станции: гидрогенераторов, блочных трансформаторов, автотрансформаторов и т.д;
3. Выбор количества распределительных устройств и схемы их организации;
4. Определение параметров необходимых для выбора вспомогательного и измерительного оборудования: выключателей, разъединителей, трансформаторов тока, трансформаторов напряжения и т.д.
5. Местоположение проектируемой гидроэлектростанции обычно выбирается по условиям наивыгодного использования водотока вдали от центров потребления электрической энергии, и поэтому, почти вся вырабатываемая ею мощность выдается в систему для снабжения удаленных потребителей, что обуславливает необходимость применения как минимум одного распределительного устройства высокого напряжения [2].
6. При правильно спроектированной ГЭС практически никогда не возникает вопроса об увеличении ее установленной мощности и связанном с ним изменении главной схемы электрических соединений, что позволяет применять экономичные и надежные кольцевые схемы распределительных устройств [3].
7. За счет того, что гидрогенераторы в процессе своей эксплуатации часто используются не на полную мощность, а в маловодные периоды некоторые из них и вовсе могут быть временно выведены из работы, число блоков на ГЭС может быть уменьшено посредством спаривания блоков и применения трансформаторов с расщепленными обмотками. Такие схемы не только повышают надежность станции, но и являются более экономичными, так как стоимость трансформатора с расщепленными обмотками в 1,5-1,7 раза меньше стоимости двух двухобмоточных трансформаторов [3].

Стоит отметить, что рассмотрение данных вопросов при проектировании идет по порядку, начиная с первого, так как данные, полученные при расчетах, в рамках каждого из вопросов, необходимы для успешного рассмотрения последующих вопросов. Подобный алгоритм применяется и при проектировании тепловых и атомных станций. Среди особенностей, которые стоит учитывать при проектировании электрической части ГЭС следует выделить следующие:

Несмотря на сложность разработки математической модели, она открывает большие возможности по проектированию различных элементов ГЭС, в том числе и их электрической части, и позволяет заранее оценить будущие характеристики и надежность станции. На сегодняшний день математические модели используются практически во всех проектных организациях, однако наиболее успешными являются те организации, которые используют их наиболее эффективно, на всех этапах проектирования, с применением самых современных информационных технологий.

Литература

1. Зарубин В.С., Кувыркин Г.Н. Механические модели механики и электродинамики сплошной среды. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. 512 с., ил.
2. Околович М.Н. Проектирование электрических станций: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1982. 400с., ил.
3.  Электрическая часть электростанций: Учебник для вузов / С.В. Усов, Б.Н. Михалев, А.К. Черновец и др.: Под ред. С.В. Усова. 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. 616 с., ил.