Введение к работе
Актуальность темы. Электротехнические системы промышленных комплексов, включающие системы внутреннего электроснабжения, а также электродвигательную и прочую нагрузку, являются сложными динамическими системами, в которых постоянно происходят изменения, меняются режимы питающей электроэнергетической системы, осуществляются коммутации элементов электрической сети и потребителей электроэнергии; меняются технологические режимы механизмов и установок, а, следовательно, и режимы работы соответствующих приемников электрической электроэнергии В общем случае возможны события, сопровождающиеся переходными процессами, которые могут приводить к изменениям режимов работы электротехнической системы, называемые возмущающими воздействиями или возмущениями.
Преобладающую долю возмущений в промышленных электротехнических системах составляют микровозмущения, приводящие к несущественным изменениям режима Режим при этом можно рассматривать как установившийся Значительно меньшую долю составляют макровозмущения, сопровождающиеся существенными изменениями режима Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к нарушению нормального электроснабжения потребителей электроэнергии
Переходные процессы в системах электроснабжения нефтегазовых производств при электродвигательной нагрузке имеют особую значимость, что обусловлено большим объемом электродвигательной нагрузки данных объектов (до 90 % от общей мощности нагрузки, при общем числе электродвигателей, достигающем тысяч единиц) Большая электродвигательная нагрузка предприятия, объединенная посредством электрических сетей в единую электротехническую систему, обусловливает сложность процессов, возникающих не только при авариях, но и при пусковых режимах электроприводов При сильных возмущениях в таких системах восстановление работы электродвигателей в ряде случаев невозможно, что связано с нарушением устойчивости узлов электрической нагрузки промышленного комплекса
Анализ переходных процессов в электротехнических системах с большим объемом электродвигательной нафузки сложен, что обусловлено не только необходимостью отслеживания процессов в большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и асинхронных машин, различающихся по расчетным схемам, параметрам и характеристикам Рядом авторов были разработаны математические модели вполне удовлетворительно и достаточно просто описывающие поведение электрических машин в послеаварийных режимах Анализ процессов в промышленных электротехнических системах существенно отличается от соответствующих задач анализа процессов в электрических системах электроэнергетического комплекса Для промышленных электротехнических систем главными являются процессы в электродвигательной нагрузке, а питающая электрическая система в большинстве случаев может быть представлена идеальным источником ЭДС, находящимся за эквивалентным сопротивлением, параметры которых изменяются при возмущениях Все выше перечисленное обусловливает необходимость разработки специальных методов и средств исследования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения
Для анализа переходных процессов в электротехнической системе могут использоваться экспериментальные или расчетные данные, отражающие изменение электрических и механических величин во времени Возможности получения экспериментальных данных на действующих предприятиях, в особенности на предприятиях с непрерывными технологическими процессами, характерными для газовой и нефтяной промышленности, ограничены Обычно возможен только пассивный эксперимент, данные которого используются для подтверждения расчетных данных для наиболее характерных процессов Основными данными для анализа процессов, протекающих в электротехнических системах, являются результаты расчетов режимов работы ЭТС
Для сравнительно простых задач расчетные данные могут быть получены в результате ручного счета Для большинства реальных задач требуется соответствующее программное обеспечение Программы реализуют математические модели физических процессов в электротехнических системах и их элементах
Расчетная модель электротехнической системы должна удовлетворять противоречивым требованиям С одной стороны, большое число электродвигателей делает невозможным подробный учет реальных процессов во всех потребителях электрической энергии даже при использовании современных вычислительных средств Кроме того, непростой проблемой является информационное обеспечение расчетов С другой стороны, необходимо достаточно полно учитывать основные характеристики и особенности применяемых электродвигателей, иначе результаты расчетов будут неадекватны реальным процессам Кроме этого силовые трансформаторы, как правило, оснащаются устройствами регулирования напряжения, например, устройствами РПН (регулирование под нагрузкой) или ПБВ (переключение без возбуждения), которые могут оказывать значительное влияние на результаты моделирования Не все математические модели элементов ЭТС проработаны и пригодны для включения их в единый расчетный алгоритм Актуальность работы заключается во включении всех элементов электротехнической системы в единый расчетный алгоритм, в том числе устройств управления режимами ЭТС, например устройства регулирования напряжения трансформаторов. А также в оценке влияния на устойчивость ЭТС некоторых ее параметров
Цель работы заключается в развитии средств расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий и в поиске общих закономерностей поведения электротехнических систем при внутренних и внешних возмущениях
Реализация сформулированных целей требует решения следующих основных задач исследования
-
Развитие математического, алгоритмического, программного, методического и информационного обеспечения расчетов электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий
-
Выполнение вычислительных экспериментов с целью моделирования поведения электротехнической системы при различного рода возмущениях и анализ результатов этих экспериментов
3. Исследование влияния параметров и структуры электротехнической системы на показатели, характеризующие ее устойчивость.
Объекты исследования. Объектами исследования в представленной работе
являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности Данные
электротехнические системы обладают рядом особенностей, существенных для
рассматриваемой проблематики Необходимо отметить следующие из них большая
установленная мощность электрооборудования, преобладание
электродвигательной, причем, преимущественно асинхронной, нагрузки, большая единичная мощность электропотребителей, непрерывность технологического процесса, высокие требования к бесперебойности электроснабжения Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС
Методы исследования. В работе использовались положения и методы следующих областей знания теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических объектов, линейного и нелинейного программирования, теории катастроф
Научная новизна полученных результатов.
-
Разработаны математические модели устройств регулирования напряжения для двух- и трехобмоточных
-
Разработаны модифицированные алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с разомкнутой и замкнутой структурой электрических сетей, имеющих как внешние, так и внутренние источники электроснабжения, учитывающие влияние, оказываемое устройствами регулирования напряжения трансформаторов, и процессы, протекающие в пусковых устройствах электроприводов переменного тока Методы и алгоритмы ориентированы на итерационные процедуры определения параметров устойчивости систем при симметричных внешних и внутренних возмущениях в единой расчетной схеме
-
Исследовано поведение ряда параметров асинхронной ЭТС в пространстве переменных состояния Установлено существование линий стягивания, по которым стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжений электроприводов
-
Исследовано влияние устройств РПН трансформаторов ГПП (главная понизительная подстанция) на устойчивость электротехнических систем. Показана невозможность обеспечения заданного количественного уровня устойчивости к внешним возмущениям только за счет регулирования напряжения на шинах ГПП
Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем.
-
Разработаны программные средства, реализующие принципы объектно-ориентированного программирования, и методическое обеспечение компьютерного моделирования и анализа устойчивости электротехнических систем к внешним и внутренним возмущениям
-
Выполнен анализ влияния устройств регулирования напряжения трансформаторов на устойчивость ЭТС. Показана необходимость учета устройств регулирования напряжения при выполнении расчетов устойчивости электротехнических систем
-
Предложен подход к сохранению устойчивости технологического процесса, путем выделения главных элементов и сохранения устойчивости ответственных фрагментов ЭТС за счет схемных решений
Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения представляемой работы
-
Модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов и пуска электроприводов переменного тока
-
Общие закономерности влияния структуры и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости ЭТС
-
Некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях.
Обоснованность н достоверность основных выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, строгостью математических выкладок, совпадением результатов численного моделирования и теоретического анализа основных зависимостей, хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований, успешной реализацией ряда основных положений работы на практике
Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях
Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им И М Губкина, Москва, 2004 г.
Шестой и седьмой Всероссийской конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2005,2007 г.
Шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России Москва, 200S
Пятой международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», Москва, 2006 г
Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им ИМ Губкина, Москва, 2004 - 2007 годы
Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ, получено одно свидетельство об официальной регистрации программы, выпущено одно учебно-методическое пособие
Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 5 таблиц, библиография включает 64 наименования.
