Введение к работе
Актуальность работы. Правительством Российской Федерации одобрена Генеральная схема размещения объектов электроэнергетики на период до 2020 г. с учетом перспективы до 2030 г. предусматривающая сооружение малых ТЭЦ количеством 15000 штук, средней единичной мощностью 7-8 МВт. Кроме этого, применение небольших газотурбинных установок намечается и для обеспечения прироста новых тепловых нагрузок. До 2020 г. предложения по вводу малых ГТУ-ТЭЦ рассматриваются по предложениям генерирующих компаний, в период 2021-2025 гг. предполагается, что вводы будут составлять до 1,95 ГВт (5%), а в 2026-2030 гг. - до 3,9 ГВт (10%) от новых вводов на ТЭС.
При подключении ГТУ к существующей электрической сети возникает ряд проблем:
увеличиваются токи короткого замыкания (КЗ) в узлах подключения, причем их уровень может выйти за пределы допустимых значений для установленного в сети электрооборудования;
возрастает риск потери синхронной работы генераторов, при возмущениях, как со стороны энергосистемы, так и со стороны распределительной сети;
возрастает риск нарушения электродинамической стойкости генераторов и механической прочности ГТУ в целом при КЗ со стороны электрической сети.
Необходимость совместного решения выше означенных вопросов объясняется тем, что улучшение условий динамической устойчивости ведет к ухудшению условий электродинамической стойкости генератора и механической прочности ГТУ в целом.
Учитывая обозначенные в Генеральной схеме перспективные научно-исследовательские работы и задачи в области проектной деятельности, касающиеся технологических проблем развития распределенной генерации малой мощности на базе ГТУ, проведенная работа по исследованию переходных процессов при КЗ и после их отключения является актуальной.
Объектом исследования являются ГТУ малой мощности, работающие параллельно с ЭЭС.
Предметом исследования являются электромагнитные и
электромеханические переходные процессы в ГТУ малой мощности, вызванные КЗ в примыкающей электросети.
Целью работы является разработка ограничений по электродинамической стойкости генераторов ГТУ малой мощности, работающих в электроэнергетической системе, и разработка мер по обеспечению электродинамической стойкости указанных генераторов при КЗ в примыкающей электросети
Задачи работы:
разработать математическую модель ГТУ малой мощности с примыкающим участком электросети;
исследовать электромагнитные и скручивающие моменты, действующие,
определить основные факторы, влияющие на электромагнитные и скручивающие моменты;
выработать рекомендации по обеспечению электродинамической стойкости генераторов и механической прочности муфт ГТУ малой мощности при КЗ.
Методы исследования. Решение поставленных задач проводилась с помощью метода математического моделирования на основе системы обыкновенных дифференциальных уравнений, расчётно-теоретического исследования процессов КЗ с использованием специализированной программы EMTP-RV, теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, теории электрических машин и тепловых двигателей.
Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
разработана математическая модель ГТУ с примыкающим участком электрической сети с учетом регулирования возбуждения генератора и регулирования газовой турбины, представленной быстродействующими контурами;
предложено электродинамическую стойкость генераторов ГТУ малой мощности проверять путем сопоставления значений знакопостоянных составляющих электромагнитных моментов генератора при отключении КЗ с полученными при испытаниях генератора по ГОСТ 533-2000 (МЭК 34-3-2007);
предложена методика проверки механической прочности муфты ГТУ, соединяющей ротор генератора с турбиной (редуктором), основанная на сопоставлении максимально допустимого скручивающего момента в муфте, задаваемого производителем муфт, с знакопостоянной составляющей скручивающего момента в муфте, при отключении КЗ;
показано, что электродинамическую стойкость генератора ГТУ и механическую прочность муфты ГТУ необходимо проверять с учётом жёсткости связи генератора с электроэнергетической системой, удаленности КЗ, типа системы возбуждения генератора, мощности асинхронной нагрузки, подключенной к генератору;
определено, что после отключения КЗ максимальное значение знакопостоянной составляющей электромагнитного момента генератора возникает при достижении угла выбега ротора, равного 120 градусов; Достоверность научных положений диссертационной работы обусловлена
корректным использованием классической теории переходных процессов машин переменного тока и тепломеханического оборудования, обоснованностью принятых допущений и удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментальными данными.
На защиту выносятся следующие положения: 1. математическая модель ГТУ малой мощности с примыкающим участком
критерий оценки электродинамической стойкости генератора ГТУ малой мощности при КЗ и после их отключения;
результаты анализа электромагнитных и электромеханических переходных процессов в генераторе ГТУ малой мощности при КЗ и после их отключения;
результаты анализа степени влияния на электродинамическую стойкость генератора ГТУ малой мощности таких факторов, как жёсткость связи с ЭЭС, удаленность КЗ, тип системы возбуждения генератора, тип и мощность нагрузки местного потребителя, тип ГТУ;
рекомендации, направленные на обеспечение электродинамической стойкости генератора ГТУ и механической прочности муфты ГТУ при КЗ и их отключении.
Практическая ценность работы.
Даны рекомендации проектным организациям по учёту факторов, оказывающих существенное влияние на электродинамическую стойкость лобовых частей обмотки статора генератора и механическую прочность муфты ГТУ малой мощности.
Показана эффективность ограничения электромагнитного и скручивающего моментов с помощью реактора и разделительного трансформатора, включенных в цепь статора генератора ГТУ малой мощности.
На основе выполненной работы может быть разработана автоматика предотвращения повреждения лобовых частей обмотки статора генератора и муфты ГТУ малой мощности.
Реализация и внедрение результатов работы.
Предложенные рекомендации были учтены при разработке проекта реконструкции ТЭЦ МЭИ с установкой парогазового энергоблока на основе ГТУ малой мощности.
Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе на лабораторных занятиях по курсу «Электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах», при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 05.14.02, а также при повышении квалификации работников энергослужб.
Апробация работы. Работа была апробирована на четырнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (МЭИ, 28-29 февраля, г. Москва, 2008 г.), на пятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника электротехника и энергетика» (МЭИ, 26-27 февраля, г. Москва, 2009 г.), на 39-й международной научно-практической конференции «Повышение эффективности
электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (МЭИ, 16-20 ноября, г. Москва, 2009 г.), на Всероссийской научно-практической конференции «Повышение надежности и эффективности эксплуатации электрических станций и энергетических систем» (01 - 03 июня 2010 г., г. Москва, МЭИ (ТУ)).
Публикации. По результатам исследований было опубликовано пять печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Вестник МЭИ», рекомендованном ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, состоящего из 109 наименований, трёх приложений. Основной текст изложен на 132 страницах, включает 48 рисунков. Общий объём диссертации 157 страниц.
