Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор направлений развития автономной энергетики 14
1.1.История и перспективы развития дизельных, газотурбинных и газопоршневых электростанции 14
1.1.1. Зоны децентрализованного энергоснабжения 15
1.1.2. Дизельные электростанции 16
1.1.3. Дизельные электротепловые станции 21
1.1.4. Газодизельные и газопоршневые электростанции 22
1.1.5. Секционирование генерирующих мощностей на газовом топливе 24
1.2. Газотурбинные установки 27
1.2.1. Достоинства и особенности применения ГТУ
в малой энергетике 28
1.2.2. Принцип работы ГТУ в малой энергетике 29
1.3. Проблемы эксплуатации многоагрегатньгх дизель-генераторных электростанций 32
1.4. Разработка мероприятий по снижению скручивающих моментов
газотурбинных агрегатов автономной системы электроснабжения 34
1.5. Задачи диссертации 36
Глава 2. Математическое моделирование элементов автономной Энергосистемы 38
2.1. Синхронный генератор 38
2.2. Моделирование переходных процессов асинхронных двигателей 43
2.3. Моделирование систем возбуждения 47
2.4. Математическое описание автоматического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ-СД) 49
2.5. Математическое моделирование дизеля и его регулятора частоты вращения 53
2.6. Математическое моделирование: крутильных; колебаний: валопровода агрегатов; с тазотурбиннымшриводом 56
2.7 Определение требований к моделированию переходных; процессов с учетом крутильных колебаний. 58
2:7.1. Схема энергосистемы и расчетные условия. 58
2.7.2. Переходные процессы при коротких замыканиях. 62
2.7.3.. Исследование мероприятий: по снижению скручивающих моментов воздействующих на элементы валопровода агрегата. 64
2:7.3.1. Применение электрического торможения; различной интенсивности 64;
2:7.3.2. Использование дополнительного разделительного трансформатора. 69
Глава 3 Подавление колебаний: мощности и напряжения генераторов с: дизельным: приводом 73
3.1 Исследование переходных процессов пршработе генераторашараллельно с системойїбольшошмощностил... 74/
3:2. Работа одиночного генератора на автономную нагрузку 80
3:3. Работа генератора с дизельным приводом в составе многоагрегатной автономной электростанции 82
Глава 4. Разработка мероприятий по снижению опасных скручивающих моментов генераторов автономных электростанции с газотурбинным приводом . 89
4.1. Оценка?, величин скручивающих t моментов и мероприятий? по их подавлению в автономной ЭЭС с генератором.мощностью5;4 МВт:. 89'
4.1.1. Особенности протекания переходных процессов- в«. системе электроснабжения: с синхронной нагрузкой 91
4.1.2. Опыт установки разделительного трансформатора в автономной ЭЭС 93
4.1.3. Последовательное электрическое торможение генератора 99
4.1.4. Опыт отключения части синхронной нагрузки 104
4.1.5. Совместное применение различных мероприятий по подавлению крутильных колебаний валопровода 109
4.2. Оценка величин скручивающих моментов и мероприятий по их подавлению в автономной ЭЭС с генератором Г2(7,8МВт) 115
4.3. Оценка величин скручивающих моментов и мероприятий по их подавлению в автономной ЭЭС с генераторами Г1(5,4МВт) и Г2(7,8МВт) 123
4.3.1. Особенности протекания переходных процессов 123
4.3.2. Опыт установки разделительного трансформатора в автономной ЭЭС... 127
4.3.3. Подавление скручивающих моментов с помощью последовательного электрического торможения при предельном времени отключения КЗ 131
4.3.4. Совместное применение различных мероприятий по подавлению крутильных колебаний валопровода при предельном времени отключения двухфазного короткого замыкания 132
Заключение 138
Список исполкчованных источников 141
- Проблемы эксплуатации многоагрегатньгх дизель-генераторных электростанций
- Моделирование переходных процессов асинхронных двигателей
- Работа одиночного генератора на автономную нагрузку
- Оценка величин скручивающих моментов и мероприятий по их подавлению в автономной ЭЭС с генератором Г2(7,8МВт)
Введение к работе
Актуальность темы исследования. К синхронным генераторам, используемым в качестве источников электроснабжения в автономных системах, предъявляют жесткие требования в части надежности их работы и качества вырабатываемой электроэнергии, возможность выполнения которых определяется их конструкцией и способностью обеспечивать заданные параметры в статических и динамических режимах, а также сохранять устойчивость параллельной работы. В связи с развитием топливно-энергетической базы России, расширяется применение газопоршневых, газотурбинных и дизельных электростанций.
В автономной системе электроснабжения, основанной на использовании тихоходных дизельных генераторов (ДГ) средней и большой мощности (10 — 40 МВт), могут наблюдаться слабодемпфированные низкочастотные процессы, обусловленные проявлением так называемой оборотной частоты дизеля. Колебания мощности дизеля с оборотной частотой вызываются неравномерностью давления в цилиндрах. В условиях параллельной работы синхронного генератора с дизельным приводом с мощной электрической системой это явление может усугубляться совпадением оборотной частоты с собственной частотой колебаний ротора. Сложившаяся практика борьбы с этими колебаниями предполагает в качестве основного мероприятия повышение величины механической инерционной постоянной, то есть значительное утяжеление и удорожание генератора. Подавление таких колебаний возможно за счет оптимизации конструкции демпферной системы генератора и соответствующей настройки системы возбуждения.
В связи со стремлением к снижению массогабаритных показателей конструкция современных генераторов с газотурбинным приводом является достаточно напряженной, и механические воздействия на элементы агрегата при аварийных воздействиях приближаются к предельным.С этой точки зрения представляет интерес вопрос о методике расчета предельно-допустимого скручивающего момента, воздействующего на узел соединения приводного двигателя с генератором, при внезапных коротких замыканиях в электрической сети. Традиционно в качестве расчетной величины момента, воздействующего на данное сечение вала принимают величину электромагнитного момента генератора, воздействующего на агрегат при трехфазном коротком замыкании на выводах генератора из режима холостого хода. Однако выполненными исследованиями удалось показать, что заметно большие по величине скручивающие моменты могут возникать в ходе качаний генератора после отключения короткого замыкания. С этой точки зрения наиболее опасным вариантом является параллельная работа с мощной энергосистемой или узлами мощной синхронной нагрузки, характерной для нефтегазодобывающих комплексов. На величины скручивающих моментов оказывают влияние величина индуктивного сопротивления, связывающего генератор с энергосистемой и доаварииныи режим работы электростанции. Достаточно неблагоприятные условия создаются при параллельной работе разнотипных генераторов, заметно различающихся по
мощности. В практике эксплуатации имели место разрушения участков валопровода, передающих вращающий момент от редуктора к генератору.
Рассмотренные в дисертации вопросы применения автономных электростанций имеют большую актуальность для энергосистемы Ирака, которая переживает период медленного восстановления полностью разрушенной в результате войн и оккупации системы централизованного электроснабжения.
Цель и задачи работы. В работе решались две основные проблемы:
1 .Исследование переходных процессов системы автономного
электроснабжения, основанной на использовании тихоходных дизель-генераторов большой мощности для определения настроек системы регулирования возбуждения, необходимых для обеспечения показателей качества электрической энергии в условиях вынужденных колебаний. 2.Исследование переходных процессов системы автономного электроснабжения, основанной на применении газотурбинного привода, для разработки комплекса мероприятий, обеспечивающих снижение до безопасных величин скручивающих моментов, возникающих в аварийных ситуациях.
Задачи диссертации можно сформулировать следующим образом:
1. Разработка математической модели многоагрегатной дизель-
генераторной электростанции для анализа колебательных процессов системы
автономного электроснабжения в различных условиях работы.
2. Определение особенностей колебательных процессов в условиях
различных режимов работы генераторов с дизельным приводом.
3. Анализ влияния систем автоматического регулирования возбуждения
на качество переходных процессов при стационарных возмущениях для
определения требований к оборудованию и уточнения настроечных
параметров системы регулирования возбуждения.
Разработка математической модели валопровода автономной электростанции с газотурбинным приводом для исследования крутильных колебаний и определения условий возникновения опасных скручивающих моментов.
Разработка комплекса мероприятий по снижению скручивающих моментов, воздействующих на участок вала между генератором и редуктором приводного двигателя при коротких замыканиях и аварийных процессах в электрической сети.
Научная новизна диссертации определяется следующими положениями:
- разработана математическая модель многоагрегатной атономной электростанции с дизельным приводом для анализа колебательных процессов системы автономного электроснабжения и оценки показателей качества электрической энергии. На основании выполненных исследований даны рекомендации по выбору настройки канала регулирования автоматических регуляторов возбуждения, обеспечивающих удовлетворение требований
качества электрической энергии и ограничений на характеристики колебательных режимов;
разработана математическая модель системы автономного электроснабжения, содержащей многоагрегатную электростанции с газотурбинным приводом, узлы синхронной и асинхронной нагрузки, для анализа электромеханических переходных процессов системы, опасных для механической прочности агрегатов;
- разработан комплекс мероприятий, обеспечивающих снижение опасных скручивающих моментов в системе газотурбинного привода генераторов.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Полученные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации, а так же разработанное программное обеспечение могут быть использованы в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях при определении требований к системе возбуждения, допустимости тех или иных эксплуатационных режимов и разработке мероприятий и рекомендаций по повышению уровня устойчивости и качества напряжения в автономных системах электроснабжения.
В практике эксплуатации имели место случаи разрушения муфты, соединяющей выходной вал редуктора газовой турбины и вал генератора. Предположительно это происходило из-за нескольких последовательных аварийных возмущений, воздействовавших на агрегат (короткое замыкание, включение на мощный узел синхронной нагрузки с большой разностью фазовых углов после отключения КЗ). Разработанные в диссертации математические модели и комплекс мероприятий по снижению опасных скручивающих моментов позволяют повысить покзатели эксплуатационной надежности автономных газотурбинных электростанций.
Методические и программные разработки использовались в научно-исследовательских работах кафедры «Электрические системы и сети» СПбГПУ и выполняемых по договорам с рядом организаций.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электрические системы и сети». По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Диссертация содержит 149 страницы машинописного текста, 55 рисунков, 16 таблиц, список литературы из 102 наименований.
Проблемы эксплуатации многоагрегатньгх дизель-генераторных электростанций
В системе автономного электроснабжения (САЭ), возникает потребность в росте единичных мощностей машин при практически постоянных габаритах и массе [77]. Это приводит к ряду нежелательных факторов, таких как повышение степени использования активных материалов, росту электромагнитных и тепловых нагрузок и т.д. При- изучении автономных ЭЭС необходимо правильно подбирать комплекс электрооборудования, наиболее подходящий к задаче создания системы в целом.
В автономной системе электроснабжения, основанной на использовании тихоходных дизель-генераторов (ДГ) большой мощности наблюдаются слабодемпфированные низкочастотные процессы, обусловленные совпадением так называемой оборотной частоты дизеля и собственной частоты колебаний ротора генератора. Сложившаяся практика борьбы с колебаниями мощности дизеля с оборотной частотой предполагает в качестве основного мероприятия повышение величины механической инерционной постоянной, то есть значительное утяжеление и удорожание генератора.
При практическом анализе САЭ, установлено, что комплектация электростанций производится разнотипными машинами. В основном это тихоходные дизели мощностью 10-40 МВт, но различных производителей. В зависимости от марки дизеля его параметры различны, в частности, при указанной мощности дизеля частота вращения колеблется в диапазоне от 1500 до 130 об/мин.
В ходе проведения ряда компьютерных расчетов было выявлено в случае автономной электрической станции с разнотипными генераторами с дизельным приводом, кроме колебаний на оборотной частоте, возможно появление низкочастотных биений, проявляющихся в значительных амплитудах колебаний мощности « напряжения: Учитывая нелинейные свойства системы, выбор законов регулированиями оптимальных настроек регуляторов возбуждения синхронных генераторов является трудноразрешимой задачей.
Исследование маловозмущенных колебаний ротора регулируемого синхронного генератора показало, что частота колебаний и показатель их демпфирования являются сложными функциями настройки автоматического регулирования возбуждения.
Автоматическое регулирование возбуждения генераторов является эффективным средством обеспечения статической устойчивости электроэнергетических систем и подавления колебаний [18,98]. Анализ эффективности регулирования возбуждения с точки зрения демпфирования вынужденных колебаний электромагнитной мощности и напряжения, в условиях электроэнергетической системы различной структуры, проводился на примере генераторов с бесщеточной системой возбуждения. Генераторам с указанными системами возбуждения свойственны достаточно высокие параметры регулирования, в стационарных режимах работы [77]: установившееся отклонение напряжения (точность поддержания напряжения) должно быть не хуже 1%; быстродействие (время восстановления напряжения при набросе 100% нагрузки по току) - 0,5-0,7 с; амплитуда колебаний напряжения не должна превышать 0,6 %; амплитуда колебаний электромагнитной мощности не должна превышать 15%.
Возможность обеспечения необходимых параметров колебаний и показателей качества электрической энергии для каждой многоагрегатной электрической станции автономного электроснабжения- при стационарном возмущений вращающих моментов первичных двигателей является индивидуальной. Оценка качества демпфирования, выбор законов регулирования и оптимальных настроек регуляторов возбуждения синхронных генераторов в условиях нелинейных колебаний - достаточно трудные задачи, решаемые на основе расчета и анализа переходных процессов.
Моделирование переходных процессов асинхронных двигателей
В современных электроэнергетических системах доля асинхронных двигателей в нагрузке велика. Переходные процессы асинхронных двигателей-при аварийных возмущениях характеризуются большими скоростями протекания и оказывают существенное влияние на общий переходный процесс в системе. Асинхронные двигатели моделируются с различными допущениями и упрощениями, зависящими от необходимой степени детализации процессов и условий решаемой задачи. Если исследуются переходные процессы самого двигателя, то моделирование должно« быть достаточно полным с обязательным учетом свободных процессов в роторных контурах, а также цепях статора. Последнее обязательно в тех задачах, когда1 возможно быстрое изменение скорости двигателя, а также при необходимости точно учитывать торможение двигателя апериодическими токами статора [18,46,96,97]. Учет свободных процессов в роторных контурах обязателен, когда должны быть отражены такие явления, как изменение напряжения на зажимах, возникновение токов короткого замыкания от двигателей, взаимное их влияние при групповом выбеге, поведение двигателей при ударной нагрузке на валу и т.п. Здесь можно отказаться от учета свободных процессов в статоре, то есть в уравнениях в осях Oqd не учитывать трансформаторные эдс статора pyfd PVq и ЭДС скольжения s if/d, sif/q. Запись уравнений для статора может быть сделана в любой системе координат, однако для ротора следует отдать предпочтение системе Oqd, жестко связанной с ротором. Это позволит наиболее просто учесть многоконтурный ротор и тем самым правильно отразить его нелинейные зависимости сопротивлений от скольжения. Здесь могут быть использованы схемы замещения, построенные на основе экспериментальных частотных характеристик. Кроме того, рекомендуется при моделировании использовать. переменные сопротивления, зависящие от скольжения в роторных контурах для отражения перераспределения токов по контурам и вытеснения тока.
В тех случаях когда используется модель двигателя, замещающего асинхронную нагрузку всего узла, точное описание двигателей может не потребоваться. Поэтому двигатель моделируется упрощенно без- учета переходных процессов как в статоре, так и в роторе, представляя собой зависимое от скольжения активно-индуктивное сопротивление. Уравнения, учитывающие электромагнитные и» электромеханические переходные процессы в контурах асинхронного двигателя, записанные в осях oqdb жестко связанных с ротором, аналогичны уравнениям синхронного ґенератора с темотличием, что все параметры по обеим осям взаимно равны и отсутствует возбуждение. Подведенный к валу двигателя момент Мт является моментом сил сопротивления, зависящим от особенностей технологического процесса, электромеханической и кинематической системы механизма и т.п. В соответствии с вышесказанным механизмы подразделяются на следующие классы: 1. Механизмы с неизменным механическим моментом Мт — const. Примерами такого рода механизмов могут служить транспортные ленты, пассажирский подъемник, роликовый транспортер и др. 2. Механизмы с механическим моментом, являющимся функцией частоты вращения Мт — f(s). Примерами таких механизмов являются вентилятор, компрессор, гребной винт. 3. Механизмы с механическим моментом, являющимся функцией угла поворота вала Мт /(й ). К таким механизмам относятся подъемники, устройства для создания напора, тяги экскаваторные установки. 4. Механизмы с механическим моментом, являющимся одновременно функцией частоты вращения и углов поворота. Примерами таких механизмов служат электровоз и рулевое устройство. 5. Механизмы с механическим моментом, являющимся функцией времени. К таким механизмам относятся механизм вращательного бурения, пила и т.п. Для механизмов первого и второго классов аппроксимация зависимости механической мощности приводимого в движение механизма от скольжения имеет следующий вид: причем случай Рст = 1 соответствует моделированию механизмов первого класса, а значению Р„ в диапазоне от нуля до единицы - моделирование механизмов второго класса. Расчет параметров установившегося режима может быть проведен в относительных единицах по справочным данным с использованием следующих формул:
Работа одиночного генератора на автономную нагрузку
Условия работы одиночного синхронного генератора на автономную нагрузку, представленную простейшей моделью (ун - g +jb — const) являются достаточно благоприятными. Так, возмущение момента первичного двигателя с амплитудой 6% не приводит к каким-либо опасным последствиям с точки зрения колебаний электромагнитной мощности и напряжения на статоре. Процесс иллюстрируется рис. 3.10, 3.11, на которых приведены кривые изменения электромагнитного момента генератора и напряжения при отсутствии и наличии в законе регулирования возбуждения сигнала, пропорционального производной тока статора генератора.
Полученные результаты подтверждаются и расчетами корней характеристического уравнения, приведенными в табл.3.3 и 3.4. При учете канала регулирования по производной тока статора появляется пара комплексно-сопряженных корней, имеющих значительную отрицательную вещественную часть и мнимую часть, близкую по величине к частоте собственных колебаний ротора генератора.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что при автономной работе одиночного генератора на нагрузку колебания мощности подавляются применением канала регулирования по производной тока статора, а колебания напряжения не не носят опасного характера.
обеспечивающих заданные показатели качества- электрической энергии и работоспособность генератора в различных режимах напримере автономной энергосистемы, содержащей в общем случае несколько разнотипных синхронных машин и тем самым подтвердить правильность выбора основных параметров системы регулирования возбуждения. Целью исследования является подтверждение эффективности предложенного способа снижения амплитуды колебаний мощности генератора и напряжения на шинах станции при заданной амплитуде и частоте периодического возмущения со стороны первичного двигателя. Параметры генераторов указаны в таблице 3.5.
Принималось, что структура автоматического регулирования возбуждения как и в предыдущих случаях содержит следующие каналы регулирования: отклонение напряжения, отклонение производной напряжения, отклонение частоты напряжения, отклонение производной частоты, отклонение производной тока ротора, отклонение производной тока статора. Принималось, что соотношение мощностей исследуемого и параллельно работающих с ним генераторов составляет 1:2.
В рассмотренной схеме (рис.3Л2) был выполнен анализ колебаний мощности и напряжения на зажимах генераторов при заданной установившейся амплитуде и частоте колебаний возмущающего момента со стороны дизеля. Для генератора Г1 типа СБГД 16500-6,3 42МЗ задавалась (в соответствии с заданием изготовителя дизеля) амплитуда возмущения Ат = 0,06, то есть 6% номинального момента, а частота возбуждающего момента генератора как и ранее принималась равной ют = 14.946 1/с (г ВОЗм — (142,9/3000) 50=2,382 Гц или 14,946 1 / с.)
На основе анализа влияния различных сигналов в законе регулирования возбуждения, выполненных ранее и приведенных выше установлено, что использование канала регулирования по производной тока статора позволяет снизить амплитуды колебания электромагнитного момента. Применение других сигналов в законе регулирования не приводит к уменьшению амгшитуды.колебаний.
На рис.3.13. представлены колебания электромагнитного момента и проявление слабодемпфированных низкочастотных процессов. Амплитуда возмущающего момента задана у генератора Г1, поэтому его амплитуда электромагнитного момента самая большая. При введении в закон регулирования коэффициента по производной тока статора (Kisl) можно увидеть снижение амплитуды электромагнитного момента, У генератора G1 она снизилась на 3%. Однако, амплитуда колебаний напряжения в начале линии Л увеличилось в 3 раза (рис. 3.14).
Оценка величин скручивающих моментов и мероприятий по их подавлению в автономной ЭЭС с генератором Г2(7,8МВт)
Аналогичные исследования; скручивающих моментові ш возможных; способов; их подавления были выполнены; в автономной системе электроснабжения, представленной на рис.. 4Л с генератором мощностью-7,8МВт (F2) и проведено сравнение максимальных величин этих моментовгс полученными в предыдущем разделе для генератораїЕІ; (5,4МВт) меньшей; мощности. Основными отличиями рассматриваемого генератора являются; большая механическая инерционная постоянная Tj генератора (в 1,5 раза) и жесткость участка валопровода (на 30%) между генератором; и турбиной (табл. 4.1 и 4.2). Аналогично опытам, представленным в предыдущем разделе, принято, что активная мощность генератора равна 0,6 о.е., а мощности различных нагрузок распределены следующим образом: асинхронная - 0,3 о.е., синхронная - 0,2 о.е., статическая - 0 1 о.е. Необходимо отметить, что величины скручивающих моментов, рассчитанных для типовых, условий отключения КЗ превосходят аналогичные для генератора-, ГГ в силу большею жесткости участка валопровода (предельная длительность КЗ также больше в силу возросшего показывает, что переходный процесс характеризуется интенсивным торможением синхронного двигателя, что обусловливает существенную зависимость величин скручивающих моментов от времени отключения короткого замыкания. Соответственно, для данного генератора: 1) установка разделительного трансформатора 6/6 кВ уменьшает аварийные и послеаварийные величины скручивающего момента между ротором генератора и турбиной в 1.828/0.956 = 1.9121 и 2.092/1.457 = 1.4358 раз, соответственно; 2) установка разделительного трансформатора 616 кВ является чрезвычайно эффективным мероприятием для демпфирования скручивающих моментов именно в аварийном режиме; 3) величины скручивающего момента в послеаварийном режиме превышают таковые в аварийном режиме для всех значений индуктивного -сопротивления трансформатора; 4) во всех рассматриваемых случаях двигательная нагрузка сохраняет устойчивую работу после аварийного возмущения; 5) увеличение ударных значений скручивающего и электромагнитного моментов у генератора Г2 (7,8МВт) по сравнению с аналогичными показателями для генератора ГГ (5,4МВт) вызвано также снижением значений индуктивных сопротивлений машины и, как следствие, возрастанием ударных токов двухфазного короткого замыкания. Расчеты, выполненные для оценки эффективности применения электрического торможения показали: 1) установка устройства последовательного электрического торможения, практически не влияя на величину скручивающего момента в аварийном режиме, уменьшает послеаварийную величину скручивающего момента между ротором генератора и турбиной в 2.092/1.438 = 1.455 раз; 2) в отличие от поведения взаимного угла между роторами синхронных машин, снижающегося при уменьшении времени срабатывания устройств ЭТ, скручивающий момент имеет ярко выраженный минимум (рис. 4.14) при времени включения 0,02 сек. после начала аварии; 3) длительность включения устройства ЭТ во всех случаях остается неизменной и равной 0,25 сек.; 4) во всех рассматриваемых случаях применяется трехфазное включение активных сопротивлений. Также как и в предыдущем случае, отключение части синхронной нагрузки, практически не влияя на величину скручивающего момента в аварийном режиме уменьшает послеаварийную величину скручивающего момента между ротором генератора и турбиной в 2.092/1.923 = 1.088 раз; Рассмотрим некоторые комбинации предложенных ранее вариантов снижения амплитуды скручивающего момента (рис. 4.16). Для разделительного трансформатора примем среднее значение индуктивного сопротивления 0,12 о.е., отключение устройств ЭТ будем производить через 0,02 сек. после начала аварии, а объем отключения СД составит не более 15%.
