Введение к работе
Актуальность проблемы
Эффективность функционирования любого промышленного предприятия определяется в значительной мере экономичностью работы системы электроснабжения, что особенно актуально при значительных удельных расходах электроэнергии и высокой энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. В этой связи необходимо решать задачу оптимизации режимов работы систем электроснабжения (СЭС) с целью минимизации потерь на передачу энергии от энергосистемы потребителям.
Статические характеристики мощности узлов нагрузок в установившемся режиме, представляющие собой зависимости активной P(U) и реактивной Q(U) мощностей нагрузки от напряжения в узле нагрузки, нашли широкое применение при решении задач электроснабжения, в частности: при расчетах установившихся режимов; при выборе компенсирующих устройств и управлении ими; при регулировании напряжения в узлах нагрузки. Повышение надежности и экономичности функционирования СЭС остается актуальной задачей и в настоящее время.
Проектирование и эксплуатация схем электроснабжения требуют решения разнообразных задач, характеризующихся повышением надежности электроснабжения потребителей и множеством параметров, определяющих состояние взаимосвязанных и взаимодействующих процессов в синхронных и асинхронных двигателях, отдельных элементах системы электроснабжения и энергосистемы. Проблемы анализа, расчета и оптимизации режимов работы решаются на основе применения специальных методов и средств вычислительной техники. Наибольшее распространение получили методы математического моделирования.
В числе мероприятий по оптимизации режимов работы систем электроснабжения необходимо:
- проводить анализ схем электроснабжения предприятий при изменении статических характеристик нагрузок и потерь мощности;
- оптимизировать цеховые СЭС, т.к. сечения токопроводящих жил проводников в цеховых сетях выбираются не по экономической плотности тока, а по допустимому току нагрузки или по допустимой потере напряжения и в режимах максимальной нагрузки следует ожидать повышенных значений суммарных потерь мощности в элементах электрической сети.
Большой вклад в решение различных аспектов задач оптимизации режимов работы СЭС путем использования статических характеристик нагрузки и потерь мощности, обеспечения статической устойчивости работы двигательной нагрузки систем электроснабжения предприятий внесли ученые: П.С. Жданов, В.А. Веников, И.А. Сыромятников, И.М. Постников, Б.Г. Меньшов, С.И. Гамазин и др.
Несмотря на значительное число работ в этой области, методы моделирования и оптимизации цеховых систем электроснабжения, алгоритмов расчета характеристик АДК и СД, статических характеристик нагрузок и потерь мощности применительно к расчету нормальных режимов работы крупных СЭС и их практическая реализация еще не получили должного развития. Большинство существующих алгоритмов упрощенно представляют сложную по структуре и конфигурации схему цеховых сетей, эквивалентируют большую часть нагрузки на напряжении 380 В, не в полной мере учитывают изменения параметров схемы замещения АДК и СД.
Целью диссертационной работы является разработка универсальной математической модели систем электроснабжения и узлов промышленной нагрузки, позволяющей на основе детального учета характера зависимостей потерь мощности от уровней напряжения для каждого элемента выполнить комплексную оценку потерь мощности во всей системе одновременно. На основе полученной универсальной модели следует разработать комплекс программ, предназначенных для выполнения расчетно-экспериментальных исследований с целью получения статических характеристик потерь мощности и нагрузок в СЭС и установления закономерностей изменения этих характеристик.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие теоретические и прикладные задачи:
-
Разработка методики и алгоритмов расчета параметров схем замещения АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;
2. Исследование влияния отклонения реальных данных, нормируемых стандартами, двигателей от каталожных на разброс значений параметров схем замещения;
3. Доработка программного комплекса для расчета установившихся режимов СЭС с электродвигательной нагрузкой на основе разработанных алгоритмов применительно к определению статических характеристик потерь мощности;
4. Получение статических характеристик нагрузок и потерь мощности для реальных промышленных объектов и исследование возможности их использования при разработке энергосберегающих мероприятий.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Разработана методика и алгоритмы расчета параметров схем замещения низковольтных и высоковольтных АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;
-
Выполнена оценка отклонений параметров схем замещения двигателей по критерию минимизации разброса вычисляемых значений при нормированным отклонений каталожных данных;
-
Предложена универсальная математическая модель системы электроснабжения с электрическими нагрузками, реализующая учет статических характеристик потерь мощности и нагрузок от параметров режима и загрузки электрических двигателей;
-
Для систем электроснабжения двух предприятий выполнены исследования статических характеристик потерь мощности и нагрузок, и установлены закономерности их изменения.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Методики, алгоритмы и программы расчета параметров схем замещения и пусковых характеристик высоковольтных и низковольтных асинхронных двигателей применительно к задаче определения статических характеристик потерь мощности;
-
Методики, алгоритмы и программы расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик СД с шихтованными полюсами и массивным гладким ротором применительно к задаче определения статических характеристик потерь мощности;
-
Результаты расчетно-экспериментальных исследований статических характеристик потерь мощности в асинхронных, синхронных двигателях и системы электроснабжения в целом;
-
Закономерности статических характеристик потерь мощности для предприятий различных отраслей и состава электрических нагрузок.
Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается использованием апробированных методов моделирования электротехнических систем, корректностью исходных положений и допущений, хорошей сходимостью результатов расчетных исследований с теоретически прогнозируемыми результатами.
Практическая ценность и реализация результатов работы
На основе полученных в диссертации математических моделей и алгоритмов в соответствии с задачами исследования модернизирован программный комплекс для расчета установившихся режимов СЭС, предназначенный для выполнения комплексной оценки эффекта регулирования напряжения на шинах подстанций на уровень общих потерь мощности во всех элементах системы электроснабжения для предприятий любых отраслей промышленности.
Программный комплекс использован при выполнении работ по разработке энергосберегающих мероприятий для АО «ССГПО» (республика Казахстан) посредством определения оптимальных уровней напряжения с целью минимизации потерь мощности.
Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на научно-технических конференциях Тольяттинского технического университета, Астраханского государственного университета, Казанского государственного энергетического университета, Рудненского индустриального института (Республика Казахстан), на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий НИУ «МЭИ».
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 научных трудах, в том числе одна статья в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ по направлению «Энергетика».
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований. Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 21 таблицу.
