close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000101017

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
РЕПИНА Юлия Валерьевна
УСТОЙЧИВОСТЬ П Р О М Ы Ш Л Е Н Н Ы Х
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С
АСИНХРОННЫМИ И С И Н Х Р О Н Н Ы М И
ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ
Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва, 2005 год
Работа выполнена в Российском государственном университете
нефти и газа им. И.М. Губкина
Научный руководитель - доктор технических наук, доцент
Егоров Андрей Валентинович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Белоусенко Игорь Владимирович
кандидат технических наук, доцент
Пупин Валерий Михайлович
Ведущая организация: ОАО « А К «Сибур»»
Зашита состоится « /^> / Ч ^ ^ 4 ^ 20о5г. ц'Ь часов^(?У<инут на
заседании Диссертационного Совета Д212.200.14 при Российском
государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу:
Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, зулЗС^ ■
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского
государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина.
Автореферат разослан «'оС»
OlcXjiiA^
И.о. ученого секретаря
диссертационного совета Д212.200.14;
Д.П.Н., проф.
1Ю^
20о5г.
^^^^
.УУ-^ ^
В.Л. Шатуновский
^ff£zT
^^^f'd^f^
Актуальность проблемы. Проблема повышения устойчивости работы
узлов электрической нафузки крупных многомашинных промышленных
комплексов становится все более актуальной по мере укрупнения
производства и усложнения технологических процессов.
В настоящее время эта проблема особенно остра для предприятий
нефтяной и газовой промышленности, отличительными особенностями
которых являются: непрерывность технологических процессов, большая
единичная мощность электроприемников, высокая цена остановки
предприятия, экологическая напряженность технологического процесса. В
ряде случаев ситуация осложняется определенным несоответствием
потребностей промышленных электротехнических систем (ЭТС)
и
возможностей питающей энергосистемы. Результатом такого несоответствия
является высокая частота аварийных остановок производства, что приводит к
потерям сырья и конечных продуктов, в том числе за счет сброса на факел,
ухудшению качества продукции, осложнению экологической обстановки,
ускоренному
износу
оборудования,
значительным
затратам
на
восстановление технологического рехсима.
Анализ аварийных осциллограмм, документации предприятий и
энергосистем по расследованию аварий показывает, что подавляющее
большинство отключений связано с кратковременными возмущениями в
распределительных сетях питающей энергосистемы и на самом предприятии.
Несмотря на' то, что длительность воздействия подобных возмущений
достаточно мала, от десятых долей секунды до секунд, их последствия
бывают достаточно тяжелы. На восстановление нормального режима работы
предприятия могут потратить время, несопоставимое со временем самого
аварийного возмущения: часы и десятки часов. Зачастую аварийная ситуация
осложняется тем, что автоматическое включение резерва ( А В Р ) на различных
уровнях напряжения не приводит к быстрому восстановлению нормального
режима работы. Есть и другие сложности: пожаро- и взрывоопасность
исходного сырья и конечных продуктов, высокая токсичность. Решением
таких проблем может бьггь повышение устойчивости ЭТС предприятия к
внешним многопараметрическим возмущениям, это позволит снизить
частоту массовых отключений электрооборудования и облегчит их
последствия. Современные нефтегазовые комплексы оснащены как
асинхронными, так и синхронными электроприводами. Соответствие
асинхронных и синхронных приводов на разных предприятиях составляет от
10:1 до 1:10. Вопросы устойчивости Э Т С с асинхронной нафузкой
исследованы достаточно, в то время как Э Т С с асинхронно-синхронной
(смешанный состав) нафузкой исследовалась в меньшей степени. Таким
образом, предлагаемая тема работы представляется весьма актуальной.
Большой
вклад
в
решение
проблемы
устойчивости
узлов
электродвигательной нафузки внесли многие исследователи: А.И. Важное,
В.А. Веников, С И . Гамазин, А.А. Горев, Ю.Е. Гуревнч,
М.С.Ершов,
ms
<»0С. НАЦИОНАЛЬ»
6ИБЛИОТЕК>!
Cner^-lypr
• * Щ/ mmrJ
П.С. Жданов, Е.Я. Казовский, К.П. Ковач, В. Лайон, Б.Г. Меньшов, А.А.
Горев, В.Ф. Сивокобыленко, И.А. Сыромятников и другие. На результатах и
выводах, полученных этими учеными, во многом строились исследования
автора. Представляемая работа выполнена в рамках научной школы
«Надежность, устойчивость и безопасность электротехнических систем
нефтяной и газовой промышленности», основанной профессором Б.Г.
Меньшовым в Российском государственном университете нефти и газа им.
И.М. Губкина.
Цель работы
заключается в разработке метода количественной
оценки устойчивости Э Т С и
способов увеличения устойчивости
промышленных ЭТС для повышения надежности работы предприятия с
непрерывным технологическим процессом при различном составе
электродвигательной нагрузки.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
осяовиыс зядачя:
1. Выбрать средства моделирования электромеханических переходных
процессов, а также модели двигателей и питающей энергосистемы,
обосновать их применимость.
2. Выполнить анализ устойчивости Э Т С с асинхронными электроприводами
при внешних возмущениях с целью разработки стратегии управления
режимом системы внутреннего электроснабжения при изменении режима
работы источника электроснабжения.
3. Исследовать устойчивость ЭТС смешанного состава при внешних
возмущениях в условиях различной мощности питающей энергосистемы.
Выполнить сопоставление характеристик устойчивости ЭТС различного
состава.
4. Разработать рекомендации для оценки и повышения устойчивости при
проектировании и эксплуатации ЭТС, имеющих электродвигательную
нагрузку различного состава.
Объекты и методы нсследоюишя. Объектами исследования являются
ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Для наглядности
рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и
полученных результатов используются несколько демонстрационных
примеров ЭТС. В работе использовались положения и методы следующих
областей знаний: теория электрических цепей, теория электрических машин,
теория электропривода, математический анализ, математическое и
компьютерное
моделирование
электротехнических
систем,
теория
устойчивости электротехнических систем, теория катастроф.
Нвучиаи новизи» результатов исследований. В представленной
работе получены следующие новые научные результаты:
I. Предложен и обоснован количественный критерий оценки устойчивости
ЭТС произвольного состава. Данный критерий позволяет учесть
показатели устойчивости ЭТС и параметры противоаварийных релейных
защит и автоматики.
2. Приведено исследование устойчивости ЭТС со смешанным составом
нафузки. Получено описание фаницы устойчивости, определены
параметры, достаточно адекватно описывающие
устойчивость,
исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на показатели
устойчивости таких ЭТС.
3. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере
устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности
возмущения. Показано, что при возмуп1ениях болыпой интенсивности
потеря устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного
двигателя, в то время как при возмущениях меньщей интенсивности
потеря устойчивости вызывается нарушением устойчивости асинхронной
составляющей электродвигательной нафузки.
4. Разработана стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС
при изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющая
поддерживать количественные характеристики устойчивости системы.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
1. Определение и способ вычисления коэффициента устойчивости ЭТС
произвольного состава.
2. Основные закономерности, описывающие фаницу устойчивости ЭТС
смешанного состава, физический смысл параметров, характеризую1цих
устойчивость таких систем.
3. Закономерности влияния параметров питающей энергосистемы на
показатели устойчивости ЭТС смешанного состава.
4 Стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС при
изменениях режима питающей энергосистемы.
Обоснованность и достоверность результатов основных выводов
подтверждается
применением
апробированных
методов и средств
исследования, корректностью исходных предположений и допущений,
совпадением расчетных и экспериментальных результатов.
Практическое значение работы заключается в следующем:
1. Разработана инженерная методика по определению количественной
оценки устойчивости асинхронных и асинхронно-синхронных ЭТС,
позволяющая
выполнять
количественную
оценку
изменения
устойчивости Э Т С при реализации мероприятий, направленных на
повышение устойчивости.
При наличии информации о законе
распределения параметров возмущающих воздействий данный параметр
позволяет получать количественные оценки интенсивности нарушения
устойчивости ЭТС.
2. Разработаны рекомендации по повышению устойчивости промышленных
ЭТС за счет оптимального управления режимами их работы при
изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющие увеличить
устойчивость систем при незначительном увеличении потерь мощности.
3. Разработаны
рекомендации
по
использованию
компенсирующей
способности синхронных двигателей для повышения устойчивости Э1С
смешанного состава. Учет особенностей характеристик устойчивости Э Т С
смешанного состава на стадии их проектирования позволит существенно
снизить частоту аварийных возмущений и облегчить их последствия.
Апробация
работы.
Основные
положения
и результаты
диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих
научно-технических конференциях и семинарах:
• на 53 Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-99»
(Москва, 1999г),
• на 71-ом Всероссийском семинаре с международным участием им. Ю Н .
Руденко «Методические вопросы надежности больших систем энергетики»
(Вышний Волочек, 2000г),
• на 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и
студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые
технологии в газовой промышленности» (Москва, 2001 г),
• на 4-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы
состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 300летию Инженерного образования в России (Москва, 2001 г),
• на 6-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы
состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 75летию Российского государственного университета нефти и газа им. И М.
Губкина (Москва, 2005г),
• на V I I Международной конференции «Новые идеи в науках о земле»
(Москва, 2005г),
• на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и
электрификации нефтяной и газовой промышленности Р Г У нефти и газа им.
И.М. Губкина (1999-2005ГГ.).
Публикапии. По теме диссертации опубликовано 9 печатньпс работ.
Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из
введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 75 наименований.
Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 41
рисунок и 9 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и
задачи исследования.
В первой главе работы рассмотрены основные причины нарушения
устойчивости для ЭТС с различным составом нагрузки. На практике
основной причиной потери устойчивости ЭТС являются внещние
возмущения, проявляющиеся у потребителя в виде провалов напряжения
различных глубины и длительности. Несмотря на свою кратковреме1щость.
такие возмущения
часто
приводят
к длительным
расстройствам
технологических процессов.
Установлено, что при проектировании, эксплуатации, исследовании
устойчивости Э Т С предприятия возникает ряд прюблем, для решения
которых
необходимо
провести
анализ
переходных
процессов
в
электродвигательной нафузке, достаточно подробно рассчитать динамику
процессов, возникающих при возмущениях в многомашинной системе.
Переходные процессы в системах внутреннего электроснабжения и
электродвигательной нафузке нефтегазовых комплексов имеют особую
значимость из-за большого числа и значительной единичной мощности
отдельных электродвигателей. При возмущениях в таких системах
восстановление работы может быть затруднено, что связано с возможностью
нарушения устойчивости узлов электрической нафузки промышленного
комплекса. Анализ переходных прюцессов в ЭТС промышленных комплексов
сложен, что обусловлено не только необходимостью контроля процессов в
большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и
асинхронных двигателей, различающихся по расчетным схемам, параметрам
и характеристикам. Все это определяет необходимость использования
специальных методов и средств исследования переходных процессов в
системах промышленного электроснабжения. Основной способ решения
задач устойчивости - проведение расчетно-экспериментальных исследований
переходных
процессов
на
базе
математического
моделирования
электромеханических переходных процессов. Благодаря появлению и
развитию мощных средств вычислительной техники и специально
ориентированных профаммных продуктов такие исследования в области
устойчивости стали возможны.
В представленной работе при анализе аварийных режимов было отдано
предпочтение электромеханическим моделям электродвигателей. Для этого
есть ряд причин. Характерная особенность аварийных режимов заключается
в том, что связь нафузки с энергосистемой, как правило, не утрачивается в
процессе развития аварии. Следствием этого является практически полное
отсутствие несинусоидальных режимов на входе системы внутреннего
электроснабжения. Таким образом, мощность питающей энергосистемы даже
в аварийных режимах остается значительно больше, чем мощность нафузки.
В связи с вышесказанным представляется возможным не рассматривать
электромагнитные процессы в системе внутреннего электрюснабжения, а
офаничиться рассмотрением электромеханических переходных процессов.
Рассмотрены
используемые
модели
электрических
машин
переменного тока. Асинхронные электроприводы описываются уравнением
движения и системой алгебраических уравнений, основанных на Т-образной
схеме замещения асинхронного двигателя. Для синхронных машин,
входящих
в
состав
электротехнической
системы
предприятия,
используется электромеханическая модель, которая описывается двумя
дифференциальными
уравнениями
и
эквивалентным
(кажущимся)
сопротивлением. Для вычисления величины этого сопротивления применена
итерационная процедура.
В качестве модели питающей энергосистемы применяется модель
идеального источника ЭДС, находящегося за линейным сопротивлением.
Питающая электроэнергетическая система достаточно полно может быть
описана вектором параметров состояния:
i2={E,.E2,Zyfl,
где El - значение ЭДС прямой последовательности,
Е2~ значение ЭДС обратной последовательности,
Z - эквивалентное полное входное сопротивление энергосистемы, Z f=rc+Jxc,
гс - эквивалентное активное сопротивление энергосистемы,
хс- эквивалентное реактивное сопротивление энергосистемы,
/ - частота питающего напряжения.
В векторе параметров не рассматриваются значение ЭДС нулевой
последовательности (Ео) и углы сдвига фаз между последовательностями
эквивалентной ЭДС (^/^ i/Zm) питающей энергосистемы. Это связано с тем,
что данные параметры не оказывают влияния на динамику электроприводов
и, следовательно, на устойчивость узла нафузки.
В принятой модели внешнего возмущения предполагается, что в
момент начала возмущения значение эквивалентной ЭДС питающей
энергосистемы скачкообразно меняется от своего исходного значения до
значения остаточной ЭДС (е„с„). Значение е„„ остается неизменным во
время действия возмущения. При прекращении возмущения параметры
питающей энергосистемы - значение эквивалентной ЭДС также
скачкообразно меняется до номинального уровня. При провале ЭДС, в случае
несимметричного возмущения, появляется обратная составляющая, которая
отсутствует при симметричном возмущении.
Рассматриваемые модели использованы в программном комплексе
SAD, предназначенном для расчета режимов работы и электромеханических
переходных
процессов
в
разомкнутых
системах
внутреннего
электроснабжения промышленных предприятий с асинхронными и
синхронными электроприводами, статической нафузкой. Этот комплекс и
был использован для дальнейших расчетов.
Во ВТОРОЙ главе рассмотрены результаты исследований устойчивости
электротехнических систем с асинхронными электроприводами (далее
асинхронных ЭТС). Определены основные показатели устойчивости для
фаницы динамической устойчивости в координатах остаточной ЭДС и
времени воздействия возмущения. Граница статической устойчивости
представляет собой точку- такое значение остаточной ЭДС (ecv),
при котором сохраняется прежний статический режим.
Линия, разделяющая область динамической устойчивости и область
потери устойчивости начинается в некоторой точке (гд), соответствующей
времени динамической устойчивости ЭТС при провале напряжения до нуля.
Рассмотрено математическое описание фаницы устойчивости асинхронных
ЭТС. В наиболее простом случае симметричного внешнего возмущения
граница динамической устойчивости описывается зависимостью с явным
физическим смыслом входящих в нее параметров в относительных единицах:
т - т^
^
I _
Граница статической
именнованных единицах:
устойчивости
^с^Х^
•
__2™_
описывается
формулой
= ЕсуО + С-Хс,
в
где Есуо " значение ЭДС статической устойчивости ЭТС при бесконечно
большой мощности питающей энергосистемы, с - коэффициент
аппроксимации.
В качестве примера для иллюстраций дальнейшего изложения выбран
один из вводов крупного предприятия газовой промышленности
Исследовано влияния параметров питающей энергосистемы на устойчивость
асинхронных комплексов. При эксплуатации электроэнергетической системы
ее параметры не остаются во времени неизменными
Величины
эквивалентной ЭДС и входного сопрютивления подвержены как случайным,
так и закономерным изменениям. Примеры зависимостей г» от величины
эквивалентной ЭДС источника электроснабжения и от его входного
сопротивления приведены на рис. 1 и 2 соответственно
То, с
0.5
.«
-
;
0 25
•■
! ;
^
■
I
!
!
;
'
i
;
;
Рис. 1. Зависимость г» от величины эквивалентной ЭДС
\1
Гй.С
0.75
i
05
i
:
i
J
^
1
О
0."
X,.
Ом
Рис. 2. Зависимость тд от величины входного ^активного сопротивления
Характерная особенность приведенных зависимостей заключается в их
кусочно-непрерывном виде. В целом ряде точек происходит разрыв функции.
В теории катастроф показывается, что наличие подобных точек связано с
существованием множества областей устойчивости в области параметров
рассматриваемой системы. В окрестностях таких точек даже незначительные
изменения
параметров
питающей
энергосистемы, естественные
в
нормальных режимах ее работы, приводят к резким изменениям
устойчивости Э Т С предприятия. Это объясняет, почему одинаковые или
почти одинаковые возмущения могут приводить к различным последствиям,
что наблюдается на практике.
Линии раздела областей устойчивости представляют собой прямые
линии. Область, содержащую точку номинального режима энергосистемы
будем именовать рабочей областью. В рабочей области устойчивости
существукгг линии равного уровня Та, они также прямые.
Выполненные
автором
исследования
позволили
предложить
количественный критерий оценки устойчивости асинхронных Э Т С для
возможности сравнения различных Э Т С сопоставимой мощности с разными
параметрами устойчивости. Параметры, определяющие достаточный уровень
устойчивости Э Т С промышленного предприятия, на сегодняшний день не
нормируются общегосударственными документами. Это связано с тем, что
проблемы обеспечения устойчивости характерны только для крупных
предприятий при офаниченной мощности питающей энергосистемы.
Последствия потери устойчивости тяжелы в основном для предприятий,
имеющих непрерывный технологический процесс. Главной задачей является
обеспечение устойчивости технологического процесса. Допустимое время
перерыва электроснабжения для различных производств и предприятий
10
очень сильно различается. Общие качественные оценки уровня устойчивости
можно представить следующим образом. Устойчивость ЭТС к внутренним и
внепшим возмущениям можно считать хорошей, если допустимое время
существования этого возмущения не меньше времени его ликвидации
резервными ступенями защиты. Если это вртмя не меньше времени
ликвидации возмущения штатной защитой, то устойчивость следует
оценивать как удовлетворительную. В ином случае оценка уровня
устойчивости должна быть признана неудовлетворительной.
Наиболее распространенным методом исследования устойчивости
является метод площадей, поскольку граница динамической устойчивости
разделяет область параметров на области динамической устойчивости и
неустойчивости. Эти области представлены на рис. 3.
Отношение площади устойчивости к общей площади дает некий
коэффициент, который может характеризовать степень устойчивости Э Т С и
имеет численное выражение. Этот коэффициент содержит как параметры
статической, так и параметры динамической устойчивости.
S
I -1 - S
S
I
уст
*■ ~ 9
•^общ
~
fip
1 •/
^
неуст
'мр
<
~
*^ неуст
/
'
'пр
где 8общ - общая площадь, равная площади прямоугольника Ot„pt'„pl.
г, с
•пр
То' k>nwiWJ4»W"4JW«l
11
'iM
Рис. 3. Области устойчивости и неустойчивости для границы динамической
устойчивости ЭТС
Граница динамической устойчивости Э Т С представляет собой
гиперболу. Чтобы осуществить применение метода площадей надо
офаничить время возмущения. Иначе невозможно рассчитать величину
II
любой площади, так как она бесконечна. Представляется целесообразным
определять это время как время срабатывания резервной или штатной
защиты. Таким образом, ось ординат ограничена временем 1^ ось абсцисс
ограничена относительной единицей.
Коэффициент устойчивости имеет пределы от О до 1. Точка е'„„
определяется как пересечение функции т -fie^J
(1) и x-t^.
. '
ост
_
.
'-»'
/
~
*пр hey
^0
- ^о
Коэффициент устойчивости для асинхронных ЭТС определяется формулой:
* „
=
!■
^ l-'^Ao
Ч-е^у
Ve^-t^lTg
^ I
су
npf
t„
о
'-'Jr„
,_
y^cy-tJ^O
1Ц
у
•
^ост
+Те
'
су
е'
ост
+Те
^су
1^
IVV^AJ^
Если обозначить Т = Г о / ' ^ < то
к =\-е'
i^^A.
(е - l ) l n | l - e '
\ су
'
' |
/е I.
ocrnl
суу
Предложенный коэффициент позволяет оценивать эффективность
мероприятий по повышению устойчивости предприятия, а также
сопоставлять ЭТС в разных условиях, даже при разных параметрах защит,
давать рекомендации при проектировании систем электроснабжения. При
наличии статистики внешних возмуп1ений на предприятии, т.е. закона
распределения их параметров, коэффициент устойчивости позволит
оценивать интенсивность критичных возмущений, приводящих к потере
устойчивости.
В диссертации предложена стратегия управления режимом ЭТС
предприятия при изменениях параметров питающей энергосистемы,
позволяющая не снижать устойчивость узлов электродвигательной нагрузки
при уменьшении мощности источника электроснабжения. Основное
назначение средств регулирования напряжения, установленных в центрах их
питания (шины районных подстанций и 11III предприятий), состоит в
обеспечении допустимых отклонений напряжения у электроприемников (в
основном - двигателях). В настоящее время в центрах питания сетей 6 и 10
кВ, как правило, применяют трансформаторы с устройством регулирования
под нафузкой (РПН), которое позволяет обеспечивать встречное
регулирование напряжения. Таким образом, на предприятиях нефтяной и
газовой прюмышленности при изменении мощности энергосистемы, то есть
при изменении значения реактивного сопротивления изменяют напряжение
Э Т С для того, чтобы напряжение на конечных потребителях оставалось
неизменным. Такое изменение происходит по линиям нормального режима.
На рис. 4 эта линия проходит через точки 2136 (1 стратегия).
12
Регулирование напряжения обязательно отразится на устойчивости ЭТС.
/ ■ ; , »
660П' '
6400
О
О.ОЯ
„,||.
.....
них
\|.()М
Рис. 4. Расположение точек на областях устойчивости ЭТС
Представляется, что такое регулирование не оптимально с позиций
сохранения устойчивости Предлагается регулировать напряжение, используя
линии одинакового значения времени динамической устойчивости тп На рис
4 эта линия проходит через точки 7145 (2 стратегия) Теперь, рассчитаем
количественный коэффициент устойчивости для каждой точки и сравним эти
стратегии.
Из рис. 5 видно, что при з^еньшении мощности короткого замыкания
питающей энергосистемы, то есть при увеличении ее эквивалентного
реактивного сопротивления коэффициенты устойчивости при равных
значениях реактивного сопротивления для стратегии 2 гораздо выше, чем для
стратегии 1. Когда эквивалентное сопротивление питающей энергосистемы
относительно невелико, происходит обратное, но такая ситуация для
предприятий менее вероятна. Рис. 6 представляет зависимости потерь
МОН1Н0СТИ от эквивалентного реактивного сопротивления питающей
энергосистемы для двух стратегий. Очевиден тот факт, что при
регулирювании напряжения по линии одинакового значения времени
динамической устойчивости тп потери мопщости увеличиваются, но не
значительно, поэтому этими потерями можно пренебречь.
Таким образом, регулирование падения напряжения оптимально по
линиям одинакового значения времени динамической устойчивости гд. Это
значительно повысит устойчивость ЭТС при небольшом увеличении потерь
мощности.
13
Разработанная стратегия может быть
использована в
АСУ
энергоснабжением
промышленных
предприятий,
чувствительных
к
кратковременным
нарушениям
нормального
режима
работы
электроснабжения.
ом Хс.Ом
00»
Рис. 5. Зависимость коэффициентов устойчивости от реактивного
сопротивления ЭТС для двух стратегий
00» Хс, О м о »
Рис. 6. Зависимость потерь мощности Л Я от эквивалентного
реактивного сопротивления питающей сети хс для двух стратегий
В
третьей
главе
рассмотрены
результаты
исследований
устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными
14
электроприводами (далее ЭТС со смешанным составом нагрузки либо ЭТС с
синхронно-асинхронной нагрузкой).
Проведенные автором расчеты кривой динамической устойчивости
ЭТС со смененным составом нагрузки в координатах остаточного значения
эквивалентной ЭДС и времени показывают существенное отличие данной
кривой от аналогичной зависимости, получаемой для асинхронных ЭТС.
Граница динамической устойчивости представлена на рис. 7. Характерной
особенностью
полученной
зависимости
представляется
отсутствие
непрерывности функции т(е„с'^. Вид фаницы устойчивости ЭТС CMeinafiHoto
состава показывает, что двух параметров - значения ЭДС статической
устойчивости (erv) и времени динамической устойчивости (гп) для
достоверной характеристики ЭТС смешанного состава недостаточно. В связи
с этим представляется необходимым использовать в качестве третьего
параметра, характеризующего устойчивость таких систем, значение
остаточной ЭДС, при котором происходит разрыв функции, описывающей
фаницу динамической устойчивости. Назовем эту величину фаничным
значением остаточной ЭДС - err-
Рис. 7. Граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава
Дальнейшим
шагом
при
описании
фаницы
динамической
устойчивости ЭТС смешанного состава должно быть установление вида
функции,
удовлетворительно
описывающей
данную
зависимость.
Выполненные расчеты показывают, что для описания фаницы динамической
устойчивости на участке от фаничного значения остаточной ЭДС до
значения Э Д С статической устойчивости пригодны те же зависимости, что и
для описания фаницы динамической устойчивости асинхронных систем при
симметричных
внешних
возмущениях.
Таким
образом,
фаница
динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при внешних
15
симметричных провалах напряжения может быть представле11а в следующем
виде:
1
т=
а,+
если е < е ^
а
а
-^
,если е>е^,
где всу, То и егр с явным физическим смыслом;
А/, 02 и аз- коэффициенты аппроксимации.
Данное выражение предполагает использование всех величин ЭДС в
единицах, относительных к номинальному значению. Для систем,
включающих в свой состав явнополюсные и неявнополюсные синхронные
двигатели, границы устойчивости практически полностью совпадают.
Граница динамической устойчивости распадается на две ветви, причем
переход с одной ветви на другую происходит скачком от значения Г т до
значения Г[ п На начальном участке фаницы динамической устойчивости, то
есть при малых значениях остаточной ЭДС, потеря динамической
устойчивости обусловлена нарушением устойчивости именно синхронного
электропривода. Наоборот, при больших значениях остаточной ЭДС
устойчивость ЭТС смешанного состава теряется вследствие нарушения
динамической устойчивости асинхронной части двигательной нафузки.
Таким образом, в данном случае отсутствие непрерывности кривой,
описывающей фаницу динамической устойчивости, обусловлено различной
физикой процессов, приводящих к потере устойчивости при различных
значениях остаточной ЭДС.
Исследованиями установлено, что величина разрыва функции, то есть
величина скачка при переходе значения остаточной Э Д С через значение е/р,
существенно зависит от мощности питающей энергосистемы. При
уменьшении мощности короткого замыкания питающей энергосистемы, то
есть при увеличении ее эквивалентного сопротивления, величина скачка, как
правило, уменьшается. Примеры фаниц динамической устойчивости при
различных значениях реактивного сопротивления представлены на рис. 8.
Как видно из рисунка, при определенном значении указанной величины сам
скачок исчезает. Далее на функции, описывающей фаницу динамической
устойчивости, проявляется только лишь разрыв производной функции T(eocJ.
При дальнейшем возрастании сопротивления кривая становится гладкой, и в
таких ситуациях, устойчивость системы смешанного состава определяется
практически только устойчивостью ее асинхронной составляющей. Данную
закономерность можно связать с большей чувствительностью параметра г»
динамической устойчивости асинхронной ЭТС к изменениям эквивалентного
сопротивления питающей энергосистемы.
16
г, с
1- Хс = 2 Ом
2- X^ = З О м
3- \ = 4 Ом
4- \ = 6 Ом
Рис. 8. Гранина динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при
различных значениях реактивного сопротивления
На рис. 9 представлены фаницы динамической устойчивости ЭТС при
различных значениях эквивалентной ЭДС питающей энергосистем. Из
рисунка видно, что в целом эти кривые хорошо описываются приведенной
выше функцией (3.1); различны только три определяюпшх параметра:
значение времени динамической устойчивости (Тп); фаничное значение ЭДС
{е/гУ, значение ЭДС статической устойчивости (eri). Следует заметить, ч ю
чем меньше величина ЭДС, тем меньше скачок (величина рафыва функции),
зато при величине эквивалентной ЭДС больше единицы величина разрыва
несоизмеримо больше. Очевидно, величина разрыва зависит и от значения
ЭДС питающей энергосистемы.
Выполнен анализ влияния состава ЭТС на показатели устойчивости
системы. Результаты анализа позволили сформулировать ряд общих
закономерностей.
1. Асинхронные ЭТС обладают большей динамической устойчивостью.
Все исключения связаны только с теми случаями, в которых сопротивление
питающей энергосистемы весьма велико.
2. В ситуациях, в которых питающая энергосистема обладает
достаточно большим значением эквивалентного сопротивления, ЭТС
смешанного состава обладают большей статической устойчивостью. При
малых значениях названного сопротивления взаимное расположение кривых,
описывающих фаницы динамической устойчивости, может быть обратным
3. ЭТС со смешанным составом нафузки менее чувствительны к
изменениям параметров питающей энергосистемы. При этом суи1ествешю
меньшую чувствительность имеет параметр гд.
17
7
Г. С
1-Е= 11700 В
2-Е =10800 В
3- Е = 9900 В
0,4
01
- " Г — " — ~ »
07
О.б
•^1—
0,6
0,5
еост<ол.
Рис. 9. Граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при
различных значениях ЭДС питающей сети
С практической точки зрения характер кривой, описывающей
устойчивость асинхронной части ЭТС смешанного состава свидетельствует о
том, что при потере устойчивости синхронной
составляющей системы,
возможно
сохранить
устойчивость оставшейся части асинхронной
электродвигательной нафузки. Если при этом синхронные приводы в целом
не определяют устойчивость технологического процесса, то устойчивость
предприятия к внешним возмущениям может оставаться приемлемой.
Например, в ЭТС предприятий по добыче нефти целесообразно
использование синхронных приводов, отключаемых на первой ступени
разфузки при возмущениях в системе внешнего электроснабжения, в
системах поддержания пластового давления (ППД).
При разработке профамм АГТП для восстановления нормального
режима работы ЭТС после критичных возмущений, целесообразно, по
возможности размещать синхронные приводы на начальных ступенях пуска.
Таким образом, результаты проведенных исследований показывают ряд
заметных отличий систем с чисто асинхронной нафузкой от систем,
имеющих в своем составе синхронные приводы. Поэтому при исследовании
и проектировании ЭТС, имеющих в своем составе электродвигательную
нафузку, необходимо учитывать ее характер.
^
Понятие коэффициента устойчивости можно распространить и на ЭТС
со смешанной нафузкой:
1-el
J
'*
I. In I
(а,'-аз)1п
.■-^ ^ j+. i ^ ' — ^
18
It-
a,
In
\j.:-^.
In
^
где
В
четвертой главе
рассмотрены результаты исследований
устойчивости распределенной ЭТС нефтедобывающего предприятия ОАО
«11ижневартовскнсфтегаз» с асинхронно-синхронной элсктродвигатсльной
нафузкой.
Хохряковско-Пермяковский узел электрической нафузки обеспечивает
электроэнергией пофебителей нефтедобывающего предприятия ООО
"Нижиевартовскнефтегаз". По существующей на сегодняшний день схеме
электроснабжения основными источниками - ценфами питания являются
шины 35 и б кВ подстанций "Хохрякове" и "Пермяк". Большая часть
элекфической
нафузки
является
элекфодвигательной.
В
состав
электродвигательной нафузки входят высоковольтные двигатели (6 кВ):
синхронные - мощностью 1600 кВт, асинхронные - моишостью 400, 500, 630,
800 кВт. В состав низковольтной нафузки входят элекфоприводы насосов
перекачки, установок механизированной добычи нефти: ЭЦ}1 и СКН и др.
Исследования выполнялись с целью повышения эффективности и
надежности работы системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского
узла нафузки ООО ИПП. Для этого были составлены схемы замещения для
узлов электрической нафузки системы электроснабжения ХохряковскоПермяковского узла нафузки; определены парамефы схем; подготовлены
файлы данных по системе элекфоснабжения, элекфодвигателям и рабочим
механизмам приводов; выполнены расчеты рабочих и переходных режимов в
системе электроснабжения, в том числе расчет показателей устойчивости и
коэффициентов устойчивости. Результаты расчета представлены в таблице 1.
Таблица I
Значения парамефов устойчивости систем электроснабжения
Хохряковско-Пермяковского узла нафузки
Система
электроснабжения
П С «Хохрякове Т1»
ПС «Хохрякове Т2»
ПС «Пермяк Т1» действующая
11С «Пермяк 12» действующая
П С «Пермяк Т1» проектная
П С «Пермяк 12» проектная
ПС «Кошильская T I »
проектная
ПС «Кошильская Т2»
проектная
Есу, В/
есу, о.е.
4750 / 0,734
5590/0,836
5350/0,772
6050/0,R62
4850/0,737
4550/0,700
4600/0,719
5350/0,833
19
г», с
0,34
0,14
> 10
0,09
> 10
0,85
> 10
0,11
ЕглВ/г,р.
о.е.
610/0,0943
~
"
АГу
0,296
0,218
1
0,172
1
0.564
1
0.21
Ha основании полученных результатов можно сделать следующие
практические выводы:
1. Статическая
устойчивость
узла
«Пермяк
2
проектная»
удовлетворительная, в целом статическая устойчивость узлов нагрузки
низка (есу > 0,7).
2. Неудовлетворительной является динамическая устойчивость узлов
нафузки для которых Гп<0,5 с - это у з л ы «Хохряково 1 действующая»,
«Хохряково 2 действующая», «Пермяк 2 действующая», «Кошильская 2
проектная». По ПС «Хохряково I действующая» динамическая
устойчивость определяется выпадением из синхронизма СД, для
остальных узлов - опрокидыванием асинхронной нагрузки.
3. Узлы нафузки «Пермяк I действующая», «Пермяк 1 прюектная»,
«Кошильская 1 проектная» имеют коэффициент устойчивости равный
единице. Коэффициент устойчивости
«Кощильская 2 проектная»
наименьший.
4. Разделение нафузки «Пермяк 2 действующая» существенно улучшает
ситуацию с уровнем устойчивости, но остается низкой динамическая
устойчивость нафузки ПС «Кошильская 2 проектная».
Такие параметры устойчивости как есу и Тр не дают возможности
пол1ювесно оценивать техническую эффективность мероприятий по
реконструкции системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла
нафузки. Введение такого параметра, как коэффициент устойчивости,
позволяет сравнивать эти параметры и давать общую характеристику
устойчивости ЭТС в целом. Так, например, ЭДС статической устойчивости
узла нафузки «Пермяк 1 действующая» низкая, а время динамической
устойчивости при провале напряжения до нуля высокое, но так как
коэффициент устойчивости равен единице, то общую устойчивость ЭТС
можно считать удовлетворительной.
Таким образом, оценена техническая эффективность мероприятий по
реконструкции
системы
электроснабжения, используя
коэффициент
устойчивости, показана целесообразность реконструкции ЭТС путем
разукрупнения нафузки, введения дополнительных центров питания.
В заключении диссертационной работы сформулированы следующие
основные выводы и результаты пртведенных исследований.
1. На основе уточненных определений понятий статической и
динамической устойчивости подроб1Ю исследована устойчивость Э Т С с
асинхронной
электродвигательной
нафузкой'
при
внешних
многопараметрических
возмущениях.
Для
таких
ЭТС
выполнено
исследование влияния питающей энергосистемы на основные показатели
устойчивости.
2. Предложен и обоснован количественный критерий оценки
устойчивости ЭТС произвольного состава - коэффициент устойчивости.
Установлены расчетные соотношения, позволяющие определить данный
20
коэффициент по значениям параметров устойчивости ЭТС и уставок защиты.
Данный критерий позволяет учесть как собственно показатели устойчивости
ЭТС, так и параметры противоаварийных релейных защит и автоматики.
3. Предложена стратегия управления режимом ЭТС при изменениях
параметров
питающей
энергосистемы,
позволяющая
не
снижать
устойчивость узлов электродвигательной нагрузки при уменьшении
мощности источника электроснабжения. Разработанная стратегия может
быть использована в А С У энергоснабжением прюмышленньпс предприятий,
чувствительных к кратковременным нарушениям нормального режима
работы электроснабжения.
4. Исследована устойчивость ЭТС предприятий со смешанным
составом нафузки к внешним возмущениям. Установлен вид границ
динамической устойчивости ЭТС, предложено математическое описание
границы устойчивости, показан физический смысл основных параметров,
характериз)тощих устойчивость ЭТС смешанного состава.
5. Исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на
показатели устойчивости ЭТС с асинхронно-синхронной нафузкой. Для ЭТС
с различным составом нафузки показано отличие характеристик
устойчивости и различие влияния на основные показатели устойчивости
параметров питающей энергосистемы, показана необходимость учета
параметров питающей энергосистемы при выборе типов электроприводов
основных механизмов для предприятий, чувствительных к кратковременным
нарушениям электроснабжения.
6. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере
устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности
возмущения. Показано, что при возмущениях большой интенсивности потеря
устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного двигателя, в
то время как при возмущениях меньшей интенсивности потеря устойчивости
вызывается
нарушением
устойчивости
асинхронной
составляющей
электродвигательной нафузки.
7. Показано, что использование синхронных двигателей значительной
мощности в приводах с низкой степенью ответственности способно
существенно улучшить показатели устойчивости ЭТС в целом.
8. Выполнено исследование устойчивости распределенной ЭТС
нефтедобывающего
предприятия
ОАО
«Нижневартовскнефтегаз»
с
асинхронно-синхронной
электродвигательной
нафузкой.
Показана
целесообразность реконструкции ЭТС путем разукрупнения нафузки,
введения дополнительных центров питания. Показано, что проводимая
реконструкция позволит снизить частоту критичных возмущений.
Основное содержание диссертационной работы офажено в следующих
публикациях:
1. Новоселова
Ю.В.,
Ефименко П.Н.
Исследование
устойчивости
многомашинных
электротехнических
комплексов
при
внешних
21
многопараметрических возмущениях. Тезисы докладов 53 Межвузовской
студенческой конференции «Нефть и газ-99». М., 1999.
2. Егоров А.В., Новоселова Ю.В. Устойчивость крупных многомашинных
промышленных
комплексов
как
элемент
надежности
системы
электроснабжения. // Современные проблемы надежности систем энергетики:
модели, рыночные отношения, управление реконструкцией и развитием. М.: Нефть и газ, 2000. - С.229-242.
3. Егоров
А.В.,
Новоселова
Ю.В.
Устойчивость
асинхронных
многомашинных
комплексов
при
внешних
многопараметрических
возмущениях. // Промышленная энергетика, 2000, № 11. -С.24-27.
4. Ершов М.С, Егоров А.В., Новоселова Ю.В Трифонов А.А. К вопросу о
влиянии
параметров
питающей
энергосистемы
на
устойчивость
электротехнических систем смешанного состава. // Научно-теоретические и
методологические
основы
обеспечения
энергонезависимости
и
энергоустойчивости объектов ОАО «ГАЗПРОМ». - М.: ООО «ВНИИГАЗ»,
2001.-С. 25-34.
5. Новоселова Ю.В., Трифонов А.А. Учет синхронной нафузки при анализе
устойчивости ЭТС газовых комплексов. Тезисы докладов Четвертой
Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по
проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой
промышленности» сентябрь 2001 г - Москва.
6. Новоселова Ю.В. Моделирование синхронного генератора. Тезисы
докладов Четвертой научно-технической конференции, посвященной 300летию Инженерного образования в России «Актуальные проблемы состояния
и развития HeiJrreraaoBoro комплекса России» 200! г - Москва.
7. Ершов М.С., Егоров А.В., Новоселова Ю.В. О влиянии состава нафузки
на
устойчивость
промышленных
электрютехнических
систем. //
Промышленная энергетика, 2004, № 10.
8. Новоселова
Ю.В.
Закономерности,
описывающие
устойчивость
электротехнических систем с синхронными электроприводами. Тезисы
докладов Шестой научно-технической конференции «Актуальные проблемы
состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 75летию Р Г У нефти и газа им. И.М. Губкина 2005г - Москва.
9. Новоселова (Репина) Ю.В. Количественная оценка устойчивости
электротехнической системы. Коэффициент устойчивости. Тезисы докладов
V I I Международная конференция «Новые идеи в науках о земле» 2005г Москва.
22
^
Подписано в печать 26/09/05
Формат 60x90/16
Объем - I п.л.
Тираж 100 экз.
'
Заказ №
11999I, Москва, Ленинский проспект, 65
Отдел оперативной полифафии
Р Г У нефти и газа им. И.М. Губкина
112 18 555
РНБ Русский фонд
2006-4
19954
^»
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
923 Кб
Теги
bd000101017
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа