Введение к работе
Актуальность темы. Во многих энергосистемах России существует проблема необходимости снижения высоких уровней напряжения в электрических сетях. Повышение уровней напряжения обусловлено рядом причин: неравномерностью графиков нагрузки в течение суток и времен года, наличием слабо загруженных высоковольтных линий электропередачи, недостаточной степенью компенсации реактивной мощности в электрических сетях.
Эту проблему приходится решать не только для энергообъединений и энергосистем с протяженными линиями электропередачи, но и для крупных концентрированных энергосистем, характеризующихся большим количеством преимущественно тепловых электростанций, связанных между собой и с потребителями развитыми воздушными и кабельными электрическими сетями. Такие системы обладают значительной общей электрической емкостью по отношению к земле и между фазами линий электропередач. Характерным примером концентрированной энергосистемы является система «Мосэнерго».
Длительное повышение напряжения сверх допустимого на трансформаторах и автотрансформаторах, шунтирующих реакторах, ограничителях перенапряжений и других видах оборудования приводит к резкому сокращению срока службы этого оборудования и росту аварийности, а также снижает надежность работы генераторов электростанций.
Регулирование напряжения (реактивной мощности) в системообразующих сетях ЕЭС России осуществляется:
автоматическими регуляторами возбуждения синхронных генераторов (СТГ), на электростанциях;
синхронными и статическими тиристорными компенсаторами на подстанциях;
шунтирующими реакторами (ШР), трансформаторами с регулированием напряжения под нагрузкой (РПН), батареями статических конден-саторов(БСК);
Использование ШР, РПН, БСК, позволяет компенсировать избыточную реактивную мощность не плавно, а ступенчато. Кроме того, такое регулирование осуществляется на практике, как правило, эпизодически из-за недостаточного коммутационного ресурса воздушных выключателей, а также низкой надежности РПН.
Для снижения напряжения используются даже такие крайние меры, как отключение системообразующих линий электропередачи, что существенно снижает надежность работы энергосистем и поэтому не может быть рекомендовано в качестве средства нормализации уровней напряжения в электрических сетях. Кроме того, во многих случаях это мероприятие не дает достаточного эффекта.
Синхронные турбо- и гидрогенераторы способны в определенных пределах регулировать реактивную мощность, однако эти пределы ограничены. В турбогенераторах старых серий п огние реактивной_мошшсшДработа в
режиме недовозбуждения) сущ ограниченоо(иноґЛйОДйбЙк)*ЙЙ(і). Э" о
і БИБЛИОТЕКА 1
I СПстербург -Уя I J
\ 09 300Y*«W/r.V
ограничение связано с нагревом и механическими усилиями в торцевых зонах статоров, в частности в крайних пакетах сердечника, и с условиями устойчивости. В турбогенераторах новых серий, например, серии ТЗВ производства ОАО «Электросила», проблемы нагрева и механики торцевых зон решены, но сохраняются ограничения по обеспечению устойчивости.
Перевод турбогенераторов электростанций в режим потребления реактивной мощности снижает надежность работы энергосистем и создает опасные условия работы турбогенераторов электростанций вследствие перегревов и разрушения торцевых зон статоров. Так, в 1993-2002 г.г. были повреждены турбогенераторы на Конаковской, Каширской, Гусиноозерской, Ириклинской, Реф-тинской и др. ГРЭС и ТЭЦ, работающих в режимах потребления реактивной мощности.
Таким образом, проблема нормализации и регулирования уровней напряжения в электрических сетях энергосистем не может быть кардинально решена при использовании в энергосистеме только традиционных синхронных турбогенераторов. Необходимо либо дополнительная установка в сетях устройств регулирования реактивной мощности (статических или электромашинных), либо применение на электростанциях, кроме СТГ, специальных турбогенераторов, способных устойчиво работать в режимах выдачи и глубокого потребления реактивной мощности.
Общая мощность турбогенераторов, установленная на тепловых электростанциях России составляет 150 ГВт (около 1200 машин), при этом около 55% турбогенераторов практически выработали "установленный стандартами минимальный срок службы (25-30 лет). Наметившееся оживление промышленного производства в стране и ожидаемый в этой связи рост электрических нагрузок требует неотложных мер по замене в ЕЭС России физически изношенного оборудования. При замене необходимо учитывать прогресс в генераторостроении и внедрять оборудование с качественно новыми техническими характеристиками. Сюда, в частности, относятся асинхронизированные турбогенераторы (АСТГ), которые благодаря своим техническим возможностям допускают многоцелевое применение.
АСТГ могут быть использованы не только для получения электроэнергии (генератор), но и способны одновременно выполнять роль источников реактивной мощности с большим регулировочным диапазоном (компенсатор), особенно в сторону ее потребления.
Асинхронизированные генераторы являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 40 лет назад по идее и под общим научным руководством проф. Ботвинника М.М. и его последователя проф. Шакаря-ном Ю. Г. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учеными Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Ла-бунцом И.А, Кузьминым В.В. и др.
Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштын-ской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введен в эксплуатацию второй такой же турбогенератор. Генераторы надежно эксплуа-
тируются в режимах выдачи и глубокого потребления реактивной мощности, обеспечивая оптимальные режимы по напряжению.
К настоящему времени ОАО «Электросила» разработаны технические проекты АСТГ типа ТЗВА мощностью 110-320 МВт с полностью водяным охлаждением. Изготовлен первый промышленный образец АСТГ с полностью воздушным охлаждением типа ТЗФА-110-2УЗ мощностью ПО МВт.
Применение АСТГ на ТЭЦ и ГРЭС ОАО «Мосэнерго» отмечено в приказе №476 от 04.07.2002, согласно которому АСТГ должны быть установлены на 9 энергоблоках, а первый типа ТЗФА-П0-2УЗ установлен и введен в опытно1 промышленную эксплуатацию на блоке №8 ТЭЦ-22 г. Москвы в декабре 2003 года.
Приказом №672 от 29.11.2002 по РАО «ЕЭС России» рекомендовано применение АСТГ на 18 тепловых электростанциях России.
В ближайшее время ожидается внедрение нового типа генерирующего оборудования во многие энергосистемы России.
Проведенные до настоящего времени исследования были направлены в основном на сопоставительный анализ работы АСТГ в простейших схемах. Параллельная работа АСТГ между собой и СТГ в условиях электростанции практически не исследовалась.
Цели и задачи работы.
Целью работы является дальнейшее развитие теории и практики использования АСТГ при совместной эксплуатации с синхронными турбогенераторами на тепловых электростанциях. Конкретно в работе решаются следующие основные задачи:
Разработка математической модели электрической схемы электростанции, алгоритмов и компьютерной программы для исследований установившихся и переходных процессов параллельно работающих АСТГ и СТГ.
Анализ установившихся и аварийных режимов, динамической устойчивости и качества переходных процессов совместно работающих на электростанции АСТГ и СТГ.
Разработка рекомендаций по структуре системы возбуждения, алгоритмам и настройкам системы управления, рекомендации по ведению режимов работы АСТГ на тепловых электростанциях.
Основные методы научных исследований.
Для решения поставленных задач использовались: теория электромеханических переходных процессов, аналитические методы анализа переходных и установившихся процессов в электроэнергетических системах, методы математического и физического моделирования, теория и практика программирования на ПЭВМ, экспериментальные исследования на цифровых и электродинамических моделях, стендовые и натурные испытания.
При решении ряда задач учтены также результаты ранее проведенных экспериментальных исследований АСТГ на Бурштынской ГРЭС (Украина).
Все вычисления и графические построения производились на ПЭВМ с применением следующих пакетов программ: Matlab 6.1, MathCad 2000, Word 2000, Excel 2000, Watcom С 11.0. Адекватность моделей подтверждена данными, полученными на испытательном стенде завода «Электросила», на физической модели «НИИПТ», при опытно -промышленной эксплуатации генератора ТЗФА-110 наТЭЦ-22 «Мосэнерго».
Научная новизна
1. Разработана универсальная математическая модель АСТГ, алгоритмы и
программное обеспечение, отличающиеся:
возможностью проведения расчетов установившихся и переходных процессов генератора с различными структурами систем возбуждения и управления;
учетом ограничений токов возбуждения на заданном уровне;
возможностью вариации электромагнитных параметров обмоток
ротора;
законченной блочной структурой, позволяющей иметь требуемое количество моделей АСТГ в итоговой модели;
наличием системы управления и коммутационных аппаратов, позволяющих проводить переходы из штатного асинхронизированно-го режима в резервные и обратно..
Разработана математическая модель электрической схемы электростанции, содержащей СТГ и АСТГ, трансформаторы и автотрансформаторы, местную нагрузку и другое оборудование. Алгоритмы и программное обеспечение позволяют исследовать параллельную работу СТГ и АСТГ в установившихся и переходных режимах.
Получены сопоставительные результаты оценки запасов динамической устойчивости генераторов электростанции при параллельной работе СТГ-СТГ и СТГ-АСТГ.
Выполнена оптимизация структуры системы возбуждения, алгоритмов и настроек системы управления АСТГ при параллельной работе с СТГ.
Практическая значимость работы и ее реализация.
Результаты расчетов статических и динамических режимов работы турбогенератора использованы на ОАО «Электросила» при проектировании турбогенератора ТЗФА-110.
Алгоритмы и настройки системы управления АСТГ использованы при разработке системы возбуждения типа СТС-Р-2П-125-2600-УХЛ4 и автоматического регулятора возбуждения типа АРВ-МА на ОАО «Электросила».
Разработаны рекомендации по ведению режимов турбогенератора ТЗФА-110 блока №8 ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго».
Разработан и изготовлен компьютерный стенд для наладки регулятора возбуждения АСТГ. На компьютерном стенде определены оптимальные коэффициенты усиления и постоянные времени для регулятора типа АРВ-МА в условиях работы блока №8 ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго».
Результаты исследований установившихся и переходных режимов работы генератора ТЗФА-110 использованы при разработке программы испытаний генератора на стенде завода и программы пусковых испытаний генератора на блоке №8 ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго»
Основные положения, выносимые на защиту.
Универсальная математическая модель АСТГ, включающая уравнения демпферных контуров генератора, и программное обеспечение, позволяющие выполнять расчеты статических и динамических режимов генератора с различными структурами системы возбуждения, при вариации алгоритмов и настроек системы управления, с учетом действия регулятора турбины.
Математическая модель электрической схемы электростанции, содержащей группы параллельно включенных турбогенераторов СТГ и АСТГ, скоммутированных на шины разных классов напряжения, трансформаторы и автотрансформаторы, местную нагрузку и другое оборудование. Алгоритмы и программное обеспечение для проведения исследований режимов работы такой электростанции. Методология построения таких моделей электростанции.
Структура и алгоритмы управления системы возбуждения и управления АСТГ, позволяющие увеличить надежность эксплуатации генератора и улучшить качество электромеханических переходных процессов при совместной работе с СТГ.
Рекомендации по ведению режимов АСТГ на основе результатов расчетов установившихся и переходных процессов АСТГ при совместной работе с СТГ в условиях реальной электростанции.
Апробация работы.
Результаты работы были доложены и обсуждены на:
VI симпозиуме «Электротехника - 2010» (Москва, 2001 г.)
- симпозиуме ЭЛМАШ-2002 (Москва, 2002 г.)
международной конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2003 г.)
научно-практическаой конференции «Электроэнерго-2002» (Санкт-Петербург, 2003 г.)
VII симпозиуме «Электротехника - 2010» (Москва, 2003 г.) II научно-технической конференции молодых специалистов электроэнергетики (Москва, 2003 г.)
Публикации.
Основные положения и результаты работы опубликованы в 11 статьях, в отчетах по НИР и НИОКР.
Объем и структура диссертации.
