1

ПРОБЛЕМЫ

ИНТЕГРАЦИИ АЭС В ЭНЕРГОСИСТЕМУ

БЕЛАРУСИ

Б.И. Попов

Государственное научное учреждение «Объединенный институт

энергетических и ядерных исследований –Сосны»Национальной академии наук Беларуси

XXIV ежегодный семинар «Нелинейные явления

в сложных системах»

Минск, Сосны, 25-27 октября 2016 г.

2

Содержание

Проблема баланса мощностей

Проблема устойчивости энергосистемы в

аварийных ситуациях

Анализ и прогноз некоторых характеристик

электропотребления для использования в

оптимизационных расчетах

3Актуальность Установленная электрическая мощность одного блока

Белорусской АЭС - 1170 МВт.

Проектное значении коэффициента использования

установленной мощности - 0,9.

Выработка электроэнергии АЭС - 18,44 млрд. кВт·час в год (46%

от прогнозируемого «Концепцией энергобезопасности»

полного потребления в 2020 г. 39,9 млрд. кВт·час ).

Интеграция АЭС вызывает необходимость решения, по крайней

мере, двух задач:

1. Обеспечить сбалансированную работу электрогенерирующих

мощностей энергосистемы, в том числе в часы ночного

провала нагрузки, когда эта проблема стоит наиболее остро.

2. Предусмотреть меры, необходимые для обеспечения

устойчивой работы энергосистемы в случае аварийной

остановки блока АЭС. 3

4День минимальной нагрузки 2020 г.

Почасовая нагрузка дня минимальной нагрузки 2020 г.

4

3682

3532

3268

318

8 3259

2959 3

163 3

296

3319

3712

3708

3951

3735

4010

3864

3832

3825

3744

3891

3858

3881 3956

4232

4088

y = -0,0013x6 + 0,0966x5 - 2,6428x4 + 31,848x3 - 149,39x2 + 105,45x + 3692,5

R² = 0,938

2900

3100

3300

3500

3700

3900

4100

4300

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

МВ

т

5

Пиковая нагрузка энергосистемы

Год 2020 2025 2030 2035

Потребление э/э,

млрд. кВт·час

39,9 41,6 42,1 43,8

Пиковая

нагрузка*, МВт

6507/

6698

6784/

6984

6866/

7068

7143/

7353

5

*В числителе – при коэффициенте заполнения графика нагрузки

энергосистемы 0,68, в знаменателе – при 0,7

6

Установленная мощность

6

78398024

8464

10034

7500

8000

8500

9000

9500

10000

10500

2000 2005 2010 2015

МВ

тУстановленная мощность Белорусской энергосистемы

7

Необходимая мощность

Пиковая нагрузка +«горячий» резерв в

размере максимальной единичной мощности

+такая же величина «холодного» резерва

2020 – 2025 гг.:

7000МВт + 1200 МВт + 1200 МВт =

9400 МВт

7

8Баланс мощностей и аварийное

частотное регулирование В установившемся режиме работы энергосистемы соблюдается

баланс мощностей - суммарная мощность генерации равна

нагрузке энергосистемы: РГ=РН.

В нормальном режиме этот баланс сохраняется при

номинальной частоте 50 Гц.

Нагрузка системы – величина переменная из-за изменения

мощности отдельных потребителей.

Превышение нагрузки над мощностью приводит к понижению

частоты; нагрузка, меньшая мощности, приводит к повышению

частоты.

Аварийная частотная разгрузка - вынужденное отключение ряда

потребителей с целью поддержания частоты энергосистемы,

близкой к номинальной.

9Аварийное снижение частоты

Постоянная времени Tj - обусловлена инерционностью

вращающихся масс энергосистемы. Tj находится в пределах

5 -10 с.

kн – регулирующий эффект нагрузки (зависит от состава

потребителей) в пределах 1 - 3.

ΔP = (P – Pн)/ Pн; P – мощность системы; Pн – нагрузка.

Примем:

Pн = 3000 МВт

Р = 1800 МВт при отключении блока АЭС.

)1( jT

t

íí

ek

P

f

f

10Поведение частоты

при отключении блока АЭС

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Часто

та,

Гц

Время, с

Рн = 3000 МВт; Tj=10 c; kн = 1

Рн = 3000 МВт; Tj=10 c; kн = 2

Рн = 3000 МВт; Tj=10c; kн = 3

11

Вращающийся резерв

43,0

44,0

45,0

46,0

47,0

48,0

49,0

50,0

51,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Часто

та,

Гц

Время, с

Рн = 3000 МВт; Tj=10 c; kн = 3

Отключение 1000 МВт нагрузки через 9 сек

Отключение еще 200 МВт нагрузки через 20 сек

Включение вр. Резерва 700 МВт

Подключение отключенной нагрузки 900 МВт

Включение вр. Резерва 500 МВт

Подключение отключенной нагрузки 290 МВт

12Выводы

12

1. Решать проблему преодоления ночных провалов нагрузки

необходимо при условии обеспечения проектного режима

работы АЭС.

2. В случае изолированной энергосистемы Беларуси аварийное

отключение блока АЭС может привести к аварийной

ситуации, характеризуемой малыми временами для принятия

мер по предотвращению развала электрогенерирующей

системы .

13

Электрическая нагрузка

13

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Мо

щн

ость

, М

Вт

Время, часы

14Кривая продолжительности

электрической нагрузки

14

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0,35

0,4

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

2014

2010

2005

2000

15Восстановление кривой

15

y(t) = b0 + b1t + b2t2 +b3t

3 + b4t4 + b5t

5,

yi(ti) = b0 + b1ti + b2ti2 +b3ti

3 + b4ti4 + b5ti

5

i = 1-6

При составлении систем (2) целесообразно принять во внимание следующие

обстоятельства:

- для 1-го, рассмотреть момент времени t = 0; для этого момента y0(t) = 1, что сразу определяет b0 = 1;

- для уравнения j, рассмотреть момент времени t = 1;

- вместо j’ уравнения использовать выражение для средней по интервалу

нагрузки, которая в случае единичного интервала представляет собой

просто интеграл полинома в интервале от 0 до 1. По смыслу эта величина

представляет собой коэффициент заполнения графика нагрузки и

является одной из важнейших его характеристик.

16

Реперные точки для 2014 г.

t=0,1 t=0,2 t=0,9 t=1,0 Коэфф-т

заполнения

Значение 0,860 0,803 0,551 0,455 0,701

16

0,45

0,5

0,55

0,6

0,65

0,7

0,75

0,8

0,85

0,9

0,95

1

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000

Часы

y(t) = 1 -2,094 t + 8,758 t2 -19,902 t3 + 20,648 t4 -7,956 t5

Факт 2014 Метод

17Прогнозирование характеристик

кривых

17

Для построения прогнозов коэффициентов заполнения и неравномерности предположим следующее:

тренд изменения коэффициентов можно построить по их фактическим значениям

методом наименьших квадратов и продолжить на необходимый временной

период;

значения коэффициентов являются случайной величиной, распределенной по

нормальному закону относительно построенного тренда; основанием для такого

предположения является подверженность работы электроэнергетической системы

влиянию многочисленных факторов;

в соответствии с характером нормального распределения диапазон изменения

коэффициентов, в который с большой вероятностью (0,997) укладываются их

значения, определим как КТР ± δТР,

где КТР - значение коэффициента, полученное по его тренду, а δТР - максимальное

относительное отклонения фактического значения от величины , полученной по

тренду, определенное из фактических данных.

Тогда значения коэффициента в году i прогнозируемого периода попадут в

диапазон:

Ki = КТР i ± δТР · КТР i.

18Коэффициент заполнения

18

y = 0,0241ln(x) + 0,6244

y = 0,0231ln(x) + 0,5992

y = 0,0251ln(x) + 0,6496

0,59

0,61

0,63

0,65

0,67

0,69

0,71

0,73

0,75

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Порядковый номер года

Коэффициент заполнения Коэффициент заполнения по тренду

Минимум КЗ Максимум КЗ

19Коэффициент неравномерности

19

y = 0,0439ln(x) + 0,3228

y = 0,041ln(x) + 0,3013

y = 0,0468ln(x) + 0,3443

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0,50

0,55

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

Порядковый номер годаКоэффициент неравномерности Коэффициент неравномерности по тренду

КН минимум КН максимум

20

Сценарии коэффициентов и трендов

Год

Сценарий «минимум» Сценарий «максимум»

Коэффициент

заполнения

максимум

Коэффициент

неравномерности

максимум

Коэффициент

заполнения

минимум

Коэффициент

неравномерности

минимум

2020 0,729 0,493 0,673 0,432

2025 0,734 0,502 0,677 0,439

2030 0,738 0,509 0,681 0,446

2035 0,742 0,516 0,684 0,452

20

Реперная точка (в

относительных

единицах)

Сценарий

коэффиц

иентов

Вид функции тренда (х – порядковый

номер года, для 1997 г. х=1)

0,1 Минимум 0.0105* ln(х)+0.8633

0,1 Максимум 0.0099*ln(х)+0.8113

0,2 Минимум 0.0172* ln(х)+0.7895

0,2 Максимум 0.0158* ln(х)+0.7295

0,9 Минимум 0.0378* ln(х)+0.4630

0,9 Максимум 0.0334* ln(х)+0.4096

21Коэффициенты полиномов кривых

21

Год Сценарий b0 b1 b2 b3 b4 b5

2020

Минимум 1,000 -1,480 5,728 -14,014 15,612 -6,353

Максимум 1,000 -2,364 9,916 -22,196 22,569 -8,493

2025

Минимум 1,000 -1,455 5,671 -13,933 15,542 -6,324

Максимум 1,000 -2,339 9,849 -22,072 22,443 -8,441

2030

Минимум 1,000 -1,434 5,623 -13,864 15,484 -6,299

Максимум 1,000 -2,319 9,792 -21,968 22,337 -8,397

2035

Минимум 1,000 -1,416 5,582 -13,805 15,433 -6,278

Максимум 1,000 -2,301 9,744 -21,877 22,245 -8,359

22Прогноз объемов потребления

электроэнергии

22

y = 1,62ln(x) + 31,87R² = 0,59

y = 0,27x + 32,54R² = 0,78

y = 0,26x + 31,27

y = 0,28x + 33,82

31,0

33,0

35,0

37,0

39,0

41,0

43,0

45,0

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

млр

д. к

Вт·

час

Порядковый номер года

Фактическое потребление

23Объемы электропотребления

23

Год Сценарий

Минимум Максимум

2020 37,43 40,49

2025 38,72 41,88

2030 40,00 43,27

2035 41,29 44,66

24Сценарии

24

В комбинации с двумя сценариями поведения коэффициентов заполнения

и неравномерности будем иметь 4 следующих сценария поведения

характеристик графиков нагрузки:

сценарий «минимум-минимум» предполагает развитие объемов

электропотребления на минимальном уровне и коэффициентов заполнения

и неравномерности в соответствии с вышеописанным сценарием

«минимум»;

сценарий «минимум-максимум» предполагает развитие объемов

электропотребления на минимальном уровне и коэффициентов заполнения

и неравномерности в соответствии с вышеописанным сценарием

«максимум»;

сценарий «максимум-минимум» предполагает развитие объемов

электропотребления на максимальном уровне и коэффициентов

заполнения и неравномерности в соответствии с вышеописанным

сценарием «минимум»;

сценарий «максимум-максимум» предполагает развитие объемов

электропотребления на максимальном уровне и коэффициентов

заполнения и неравномерности в соответствии с вышеописанным

сценарием «максимум».

25Пиковая и минимальная нагрузки

25

Год

Сценарий

«минимум -

минимум»

«минимум

максимум»

«максимум –

минимум»

«максимум -

максимум»

Рmax Mmin Рmax Mmin Рmax Mmin Рmax Mmin

2020 5859 2889 6353 3133 6337 3125 6872 2966

2025 6021 3022 6529 3277 6512 3268 7062 3104

2030 6187 3152 6709 3418 6692 3409 7256 3236

2035 6356 3278 6892 3554 6874 3545 7455 3366

26Кривые продолжительности электрической

нагрузки в 2020 г.

26

2800

3300

3800

4300

4800

5300

5800

6300

6800

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

МВ

т

Минимум-минимум

Минимум-максимум

Максимум-минимум

Максимум-максимум

27Кривые продолжительности

электрической нагрузки в 2035 г.

27

3000

3500

4000

4500

5000

5500

6000

6500

7000

7500

8000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1

МВ

т

Минимум-минимум

Минимум-максимум

Максимум-минимум

Максимум-максимум

28

Спасибо за внимание!