Введение к работе
Актуальность темы исследования. Вопросы обеспечения качества электроэнергии (КЭ) систематически возникают в электроэнергетических системах (ЭЭС) разных стран мира. Связано это с увеличением доли электроприёмников (ЭП) с нелинейной вольтамперной характеристикой (ВАХ) в ЭЭС, которые приводят к искажению формы кривой напряжения и к увеличению потерь электроэнергии в сетях. В ряде случаев суммарный коэффициент гармонических составляющих (Кц) и коэффициент л-ой гармонической составляющей напряжения (Кщп)) превышают нормативные значения, установленные ГОСТ 32144-2013. В то же время, в ЭЭС функционируют ЭП и электрооборудование (ЭО) чувствительные к изменению формы кривой питающего напряжения. В связи с этим несомненной актуальностью обладает исследование, посвященное оценке влияния несинусоидальности формы кривой тока и напряжения на функционирование ЭП и ЭО. Подтверждением необходимости и актуальности исследований является ежегодные расходы значительных средств для обеспечения КЭ в ЭЭС разных стран мира.
Ухудшение показателей, характеризующих форму кривой напряжения, по отношению к нормативным значениям согласно ГОСТ 32144-2013 приводит к дополнительному нагреву токоведущих частей генераторов электрических станций. Особую актуальность этот вопрос приобретает в ЭЭС с существенной долей мощности ЭП с нелинейной ВАХ по отношению к установленной мощности генераторов. Примером такой энергосистемы является ЭЭС Республики Таджикистан (РТ), в которой основным потребителем является - государственное унитарное предприятие «Таджикская алюминиевая компания» (ГУП «ТАЛКО»), а основными источниками электроэнергии являются гидроэлектростанции (ГЭС). Следовательно, необходимо оценить уровень высших гармонических составляющих напряжения на зажимах генераторов ГЭС и оценить влияние токов высших гармоник (ТВГ) на тепловой режим работы синхронных гидрогенераторов (СГ).
Степень разработанности темы. Значительный вклад в развитие методов исследования, теории и практических подходов к обеспечению КЭ внесли зарубежные ученые, как Арриллага Дж., Брэдли Д., Дрехслер Р., Масум М., Фукс Э. и др. В России и стран бывшего советского союза вопросами обеспечения КЭ занимались Жежеленко И. В., Железко Ю. С, Иванова Е. В., Карташев И. И., Кузнецов В. Г., Коверникова Л. И., Розанов Ю. К., Сальников В. Г., Шидловский А. К., Зыкин Ф. А., Майер B. Я., Иванов B. С, Курбатский В. Г., Кучумов Л. A., Смирнов C. С, Соколов B. C. и др. В этой области множество исследований вы-полнено в ведущих научно-исследовательских институтах: ВНИИЭ, институт электродинамики АН Украины, ИСЭМ СО РАН и НИУ «МЭИ». Разные стороны вопросов КЭ ежегодно обсуждаются на международных конференциях, таких как CIRED (Международная конференция по системам распределения электроэнергии), международными научными организациями: CIGRE (Международный совет по большим электрическим системам), IEEE (Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике, подкомитет качества электроэнергии). При этом
в перечисленных работах не уделено должного внимания влиянию токов высших гармонических составляющих на тепловое состояние ЭО ГЭС. Поэтому в данной работе рассматриваются вопросы распределения ТВГ в электрических сетях ЭЭС РТ и его влияние на генераторы ГЭС.
Объект исследования. Генераторы гидроэлектростанций, работающих в ЭЭС содержащей ЭП с нелинейной ВАХ.
Предмет исследования. Влияние токов высших гармоник (ВГ) на работу гидрогенераторов.
Цель исследования. Разработка алгоритма снижения влияния токов высших гармоник на режим работы гидрогенераторов.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Провести инструментальную оценку КЭ в ЭЭС РТ и выявить причины его ухудшения, исследовать современное состояние ЭЭС РТ по обеспечению КЭ.
-
Разработать математическую модель ЭЭС РТ для расчета ТВГ при разных комбинациях изменения мощности ЭП с нелинейной ВАХ. Верифицировать модель на основе инструментального контроля КЭ.
-
Оценить распространение ТВГ в электрических сетях РТ, определить роль Таджикской алюминиевой компании (ТАЛКО) в задачах обеспечения КЭ.
-
Разработать математическую модель тепловых процессов СГ, позволяющую учитывать влияние временных ТВГ на его вырабатываемую мощность.
-
Разработать методики определения допустимой вырабатываемой мощности СГ при работе в ЭЭС, содержащей ЭП с нелинейной ВАХ.
-
Разработать алгоритма снижения влияния токов высших гармоник, генерируемых ЭП с нелинейной ВАХ на режим работы гидрогенераторов.
-
Оценить результаты применения мероприятий для ЭЭС РТ по снижению ТВГ.
Научная новизна. В ходе выполнения научно-исследовательской работы впервые получены следующие результаты:
-
На базе программного комплекса Matlab/Simulink разработана и верифицирована расчетная математическая модель ЭЭС РТ для расчета уровня ТВГ в ответственных точках контроля (ТК), при разных сочетаниях изменения мощности ЭП с нелинейной ВАХ (ГУП «ТАЛКО»).
-
Разработана математическая модель тепловых процессов в СГ, позволяющая на основании известной мощности тепловыделений в каждом из элементов СГ рассчитать температурные поля методом конечных элементов тем самым оценить эффект от воздействия ТВГ.
-
Разработана методика оценки влияния ТВГ на вырабатываемую мощность СГ, позволяющая определить его допустимую вырабатываемую мощность и температуры изоляции при наличии временных ТВГ в обмотке статора.
-
Разработан алгоритм снижения влияния токов высших гармоник, генерируемых ЭП с нелинейной ВАХ на режим работы гидрогенераторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель ЭЭС РТ для расчета ТВГ при разных сочетаниях изменения мощности ГУП «ТАЛКО».
-
Математическая модель тепловых процессов в СГ, позволяющая рассчитывать температурные поля методом конечных элементов и оценивать эффект от воздействия ТВГ.
-
Методика оценки влияния ТВГ на вырабатываемую мощность СГ, позволяющая определить допустимую мощность для снижения температуры изоляции при наличии временных ТВГ в обмотке статора.
-
Алгоритм снижения влияния ТВГ, генерируемых ЭП с нелинейной ВАХ на режим работы гидрогенераторов.
Практическая значимость и реализация результатов.
-
Расчетную математическую модель ЭЭС РТ для расчета ТВГ при разных сочетаниях изменения мощности ГУП «ТАЛКО» в программном комплексе MATLAB/SIMULINK можно использовать в эксплуатирующей энергетической компании ОАХК «Барки Точик» для определения уровня ТВГ на выводах генераторов Нурекской гидроэлектростанции (НГЭС), которая напрямую обеспечивает мощностью ГУП «ТАЛКО».
-
Тепловая модель СГ в программном комплексе ELCUT и разработанная методика оценки влияния ТВГ на вырабатываемую мощность СГ, позволяют рассчитать понижающие коэффициенты при наличии в обмотке статора СГ временных ТВГ. Полученные коэффициенты могут быть использованы в качестве рекомендаций на ГЭС для обеспечения надёжной работы СГ без перегревания активных частей.
-
Разработанная методика снижения вырабатываемой мощности СГ и тепловой модели СГ в программе ELCUT внедрены в учебный процесс на кафедре Электрические станции Таджикского технического университета имени М. С. Осими.
-
Разработанный алгоритм снижения влияния ТВГ, генерируемых ЭП с нелинейной ВАХ, на режим работы гидрогенераторов, позволяет обеспечить нормальную работу генераторов ГЭС.
Методы и средства исследования. Методика проведения выполненных исследований основана на теории электрических цепей, методе конечных элементов, математическом моделировании с применением экспериментальных ис-следований в действующей ЭЭС и использованием современных средств измерений. Для решения поставленных задач использованы:
для расчета уровня ТВГ в ТК в ЭЭС РТ использован программный комплекс MATLAB/SIMULINK (версия R2016a);
для определения потерь мощности при несинусоидальном режиме в СГ по известным аналитическим выражениям с помощью программ Mathcad (версия 2015) и Excel (версия 2013);
для определения температур активных частей СГ при синусоидальном и несинусоидальном режимах использована программа ELCUT (версия 6.0 pro).
Соответствие паспорту специальности. Диссертационная работа по следующим областям исследований соответствует формуле научной специальности 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»:
п.2 «Разработка методов анализа режимных параметров основного оборудования электростанций» относится к определению максимальной выдаваемой мощности СГ при работе в ЭЭС содержащего ЭП с нелинейной ВАХ.
п.6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» относится к разработанной иммитационной модели в ЭЭС РТ для определения уровня ТВГ, генерируемых ГУП «ТАЛКО» в программном комплексе MATLAB/SIMULINK и разработанной математической модели тепловых процессов в СГ в программном комплексе ELCUT.
п.12 «Разработка методов контроля и анализа качества электроэнергии и мер по его обеспечению» относятся к разработанному алгоритму снижения влияния ТВГ на режим работы гидрогенераторов.
Достоверность полученных результатов и средства исследований. Результаты расчетов ТВГ, полученные с помощью программного комплекса MATLAB/SIMULINK, верифицированы по данным инструментального контроля КЭ в ЭЭС РТ. Достоверность математической модели в программном комплексе ELCUT для определения температур в активных частях СГ подтверждается их совпадением с нормативными значениями при номинальном режиме работы СГ.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены на XXII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 25-26 февраля 2016 г.), одиннадцатой международной научно - технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия - 2016» (Иваново, 5-7 апреля 2016 г.), Республиканской научно -практической конференции «Экономическое развитие энергетики в Республики Таджикистан» (Курган-Тюбе, 16 июня 2015 г), восьмой международной научно - практической конференции «Перспективы развития науки и образования» (Душанбе, 3-4 ноября 2016 г.), международной научно-практической конференции «Управление качеством электрической энергии» (Москва, 23-25 ноября 2016 г.), Республиканской научно - практической конференции «Электроэнергетика, гидроэнергетика, надёжность и безопасность» (Душанбе, 24 декабря 2016 г.), международной научно - практической конференции «Наука и инновации в XXI веке: актуальные вопросы, достижения и тенденции развития» (Душанбе, 4 февраля 2017 г.), VIII международной научно - технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи - 2017» (Самара, 02 - 06 октября 2017 г.), IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, IEEE Russia North West Section (Санкт-Петербург, 29 января -01 февраля 2018).
Публикации по теме диссертации. По результатам выполненных исследований было опубликовано 13 печатных работ, в том числе 8 работ в сборниках докладов и тезисов в трудах республиканских и международных конференций; 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных работ на соискание ученой степени доктора и кандидата наук и 2 статьи - в материалах конференции, включенных в базу данных IEEE.
Личный вклад автора. В опубликованных статьях автор внёс следующий вклад:
- проведена инструментальная оценка КЭ в ЭЭС РТ. Проанализированы
результаты измерения и выявлены основные причины ухудшения КЭ в ЭЭС РТ
[1,4,6,Ю];
-разработана имитационная модель ЭЭС РТ для расчета уровня ТВГ при различных сочетаниях изменения мощности ЭП с нелинейной ВАХ в ответственных ТК энергосистемы [5];
разработана методика оценки влияния ТВГ на вырабатываемую мощность СГ, позволяющая определить коэффициент снижения температуры изоляции при наличии временных ТВГ в обмотке статора [2, 13];
разработан алгоритм снижения влияния ТВГ, генерируемых ЭП с нелинейной ВАХ для обеспечения нормальной работы генераторов электрических станций. Оценены результаты применения мероприятий по компенсации ТВГ для обеспечения КЭ в ЭЭС РТ [3].
Структура и объем работы. Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, заключение, список литературы из 98 наименований и 5 приложений общим объёмом 180 страниц печатного текста. Основной текст диссертации изложен на 119 страницах и содержит 43 рисунок и 20 таблиц.