Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Состояние вопроса в области автономных источников
электропитания локальных систем электроснабжения 18
Классификация локальных систем электроснабжения 18
Варианты структурных схем автономных электростанций 19
Структурные схемы многогенераторных электротехнических комплексов 30
Обзор первичных двигателей автономных электростанций локальных систем электроснабжения 36
^ 1.5 Требования, предъявляемые к преобразователям частоты
* ' локальных систем электроснабжения 43
1.6 Основные технические решения, применяемые при построе
нии ПЧ с переменной нагрузкой 46
*» 1.7 Способы и схемы стабилизации выходных параметров
преобразователей частоты на основе АИТ 68
1.8 Постановка задачи исследования 77
Выводы по главе 1 80
Глава 2. Повышение эффективности работы автономных электростан
ций в составе локальных систем электроснабжениям 82
2.1 Основные режимы работы автономных электростанций в
составе локальных систем электроснабжения 82
Структура двигателя внутреннего сгорания 86
Характеристики двигателей внутреннего сгорания 89
Система управления дизель-генератора с микропроцессорным регулятором топливоподачи 93
Новые технологии при производстве электрической и тепловой энергии 95
Экономические предпосылки применения когенерации 97
2.7 Экономические предпосылки применения тригенерации ... 97
Выводы по главе 2 101
L^Глава 3. Составные многоуровневые инверторы тока и напряжения на
X базе N-мостовых схем с бестрансформаторным суммировани- 102
ем выходной мощности
3.1 Составные многоуровневые инверторы тока на базе п- мосто
вой тиристорной схемы с расщепленной конденсаторной бата- 102
f- реей..
3.2 Выбор структуры базовой ячейки для построения «-мостовой
s - фазной бестрансформаторной схемы многоуровнего
инвертора тока 103
3.3 Принцип построения многоуровнего инвертора тока на базе
N - мостовой схемы с расщепленной конденсаторной
батареей 107
Влияние величины угла фазового сдвига между мостами на выходные характеристики инвертора 125
Определение области параметров нагрузки, при которых не обеспечивается коммутационная устойчивость многомостового инвертора 132
Анализ работы двухмостового инвертора с конденсаторным суммирующим устройством и тиристорного компенсатора реактивной мощности 146
\
3.7 Принцип построения «-мостовой s-фазной бестрансформаторной схемы многоуровнего инвертора
напряжения 152
Выводы по главе 3 160
Глава 4. Многомостовые инверторы тока и напряжения с
< і суммированием выходной мощности на одном
трансформаторе 162
4.1 Суммирование мощности на одном суммирующем трансфор
маторе в N - мостовой тиристорной схеме при реализации ре
жима взаимной компенсации высших гармо- 162
ник
Задача равномерного распределения токов между инверторными мостами при наличии различных видов асимметрии 169
Математическая модель и результаты моделирования четырехмостового АМН 175
Выводы по главе 4 179
Глава 5. Результаты компьютерного моделирования разработанных
схем автономных инверторов 180
5.1 Результаты моделирования двухуровневого четырехмостового автономного инвертора с компенсаторами выпрямительного
типа 180
V, 5.2 Ограничение напряжений на элементах одномостового
х инвертора тока с шестиэлементной конденсаторной батареей
при коротких замыканиях в нагрузке 194
Аварийные режимы в многоуровневых автономных инверторах тока 200
Переходные процессы при изменении структуры
Т преобразовательного комплекса 212
5.5 Комплекс «преобразователь частоты - групповая двигательная
нагрузка» как система массового обслуживания 220
Выводы по главе 5 229
Глава 6. Энергосберегающие технологии на газоредуцирующих
станциях с детандер-генерирующими агрегатами 230
6.1 Механическая энергия газа как нетрадиционный источник
энергии для выработки электроэнергии 230
Применение преобразователей частоты на газоредуцирующих станциях с детандер-генерирующими агрегатами 23 5
Расчет электрической мощности детандер-генерирующего
агрегата 238
6.4 Определение электрической мощности, необходимой для
электроподогрева газа 241
Выводы по главе 6 242
Глава 7. Вопросы уменьшения негативного влияния преобразователей
частоты при работе в системах электроснабжения на показате-
j ли качества электроэнергии 243
7.1 Переходные процессы в системах электроснабжения с
мощными тиристорными преобразователями 243
7.2 Определение параметров элементов электрической сети 243
* 7.3 Математическая модель системы: управляемый выпрямитель -
линия электропередачи - нагрузка 245
7.4 Входной выпрямитель преобразователя частоты с явным звеном постоянного тока с уменьшенным искажающим влиянием
на питающую сеть 254
Выводы по главе 7 263
Глава 8. Системные вопросы работы автономных электростанций в со- 264 ставе локальных систем электроснабжения
Вопросы совместной работы автономной электростанции и 264 централизованной системы электроснабжения
Выбор режима работы генераторов мини-ТЭЦ 265
Причины снижения показателей качества электроэнергии в 266 локальных системах электроснабжения
Вопросы компенсации реактивной мощности в локальных системах электроснабжения 268
Высшие гармоники в системах электроснабжения административных зданий 275
Выбор источников оперативного тока, релейной защиты и автоматики 286
Построение систем РЗиА при наличии собственных
источников электроэнергии у потребителей 287
8.8 Реконструкция сельских систем электроснабжения на основе
г технологии распределённого производства электроэнергии ... 290
Выводы по главе 8 295
Заключение 297
Список использованной литературы 300
Приложения 341
Введение к работе
В настоящее время в России по оценкам целого ряда организаций, занимающихся проблемами электрификации, от 50 до 60% территорий страны с населением более 15млн. человек так и остаются неохваченными централизованными электросетями.
Электрификация этих районов осуществляется только в рамках «малой энергетики», основу которой составляют локальные системы электроснабжения с автономными электростанциями малой и средней мощности, так назы-j ваемыми электростанциями собственных нужд (ЭСН). Под локальными системами электроснабжения понимаются изолированные системы электро-
. снабжения отдельных предприятий или населенных пунктов, содержащие
« АЭ и распределительные сети ограниченной протяженности. Потребляемая
мощность в таких системах не превышает 1-2 МВт, реже 5-Ю МВт.
В связи со сложностью строительства и эксплуатации централизованных линий электропередач в северных районах автономные электростанции будут сохранены в этих районах на достаточно большой промежуток времени как основной источник электроснабжения.
Особенно это характерно для районов, где расположены предприятия по добыче и транспортировке газа и нефти и в достаточном количестве имеется природный газ для работы автономных электростанций.
В ряде районов со сложными природно-климатическими условиями электроснабжение промышленных объектов и населенных пунктов осущест-
^ вляется одновременно от автономных электростанций и от центральных се-тей. При этом возникает ряд специфических вопросов совместной работы локальной системы с централизованной сетью.
* Эффективность работы локальных систем электроснабжения определя-
ется используемым оборудованием и режимами его работы. Так как важнейшим элементом локальных систем электроснабжения являются автономные
электростанции, то их технические параметры во многом определяют эффективность работы всей локальной системы электроснабжения.
Вопросы теории и практики электротехнических и преобразовательных комплексов, используемых в локальных системах электроснабжения, нашли свое отражение в многочисленных трудах отечественных и зарубежных ученых. Разработка новых типов оборудования осуществляется на основе фундаментальных исследований по электромеханике, электроэнергетике и неразрывно связана с совершенствованием характеристик электрических машин, пускорегулирующеи аппаратуры, систем управления и защиты, увеличением их надежности, расширением функциональных возможностей. Это позволило создать обширную теоретическую и практическую базу для данного класса оборудования.
При этом следует отметить, что все способы и возможные технические решения по улучшению классической схемы построения автономных электростанций на сегодня практически исчерпаны. Модернизация отдельных узлов и блоков автономных источников электроэнергии идет по пути применения новой элементной базы, при этом не меняется функциональное назначение блоков, а только улучшаются их отдельные технические параметры и характеристики.
В последнее время получили развитие новые принципы построения систем электро- и теплоснабжения предприятий малого и среднего бизнеса с использованием собственных энергоустановок. Новые энергоустановки существенно выгоднее по ряду параметров ранее применявшихся. Они служат основой построения комбинированных циклов при производстве электроэнергии и тепла непосредственно в местах их потребления: в городах на отдельных предприятиях, крупных культурно-бытовых и спортивных объектах, а также в сельских населенных пунктах и сельхозпредприятиях. Данное направление является экономически и логически оправданным дополнением к существующим централизованным системам электроснабжения. О перспективности указанного направления свидетельствует и мировой опыт, так в
США мощность ежегодно вводимых малых станций составляет 30% от общей вводимой мощности.
Целесообразность перехода к локальным сетям определяется следующими факторами: снижаются потери электроэнергии и тепла в распределительных сетях, затраты на производство электроэнергии и тепла получаются более низкими, появляется возможность формировать наиболее приемлемый график потребления электроэнергии в соответствии со своим технологическим процессом при параллельной работе с централизованной сетью. При этом капитальные удельные затраты на единицу вводимой мощности и сроки окупаемости вложений значительно ниже аналогичных показателей при введении мощностей в большой энергетике.
Однако существующие автономные источники электроснабжения (АИЭ), выполненные на базе различных первичных двигателей: дизель-генераторов, газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателей и некоторых других типов, в большинстве случаев не позволяют генерировать электроэнергию с параметрами, удовлетворяющими требованиям современных стандартов.
Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и созданию электротехнического оборудования для локальных систем электроснабжения и обеспечению эффективного режима его работы.
Реализация расширенного внедрения локальных систем электроснабжения потребовала проведения дополнительных исследований в следующих направлениях:
поиск путей повышения эффективности работы автономных электростанций;
минимизация расхода первичного энергоносителя и повышения качества генерируемой электроэнергии на электростанциях малой мощ -ности;
минимизация потерь при передаче и распределении электроэнергии;
- обеспечение эффективной совместной работы локальных систем с
централизованными сетями.
Здесь имеются определенные успехи в разработке теоретических и практических вопросов создания основных агрегатов локальных систем электроснабжения: высокоэффективных мини-турбин, высокоскоростных синхронных и асинхронных электрогенераторов, силовых преобразовательных устройств, микропроцессорных устройств контроля, управления и релейной защиты. Общим связующим звеном этих исследований является теория проектирования оборудования для систем «малой» энергетики. Но в ней отсутствуют такие важные разделы, как принципы построения структуры автономных систем генерирования электроэнергии, содержащих высокоскорост-/ ную двигательно-генераторную часть со свободно меняющейся частотой вращения первичного двигателя и силовой преобразователь частоты, а также методы проектирования многомостовых преобразовательных комплексов, реализующих принцип многоуровневой компенсации высших гармоник в кривой выходного напряжения. Отсутствуют исследования новых схемных решений многомостовых преобразователей частоты на основе инверторов тока и инверторов напряжения, недостаточно изучены вопросы аварийных режимов работы и электромагнитной совместимости разработанных электротехнических комплексов с питающей сетью.
Все это в конечном итоге не позволяет достичь требуемой эффективности электротехнических комплексов для производства и преобразования электрической энергии и уровня показателей, характеризующих их качество по удельному расходу первичного топлива, стабильности частоты и напряжения при переменном характере электропотребления. Указанные показатели остаются относительно низкими и требуют существенного улучшения.
Таким образом, имеет место важная народно-хозяйственная проблема -разработка локальных систем энергоснабжения с повышенной эффективностью, достигаемой за счет структурных изменений генерирующей части автономной электростанции, применения новых способов регулирования пер-
вичного двигателя, применения силовой преобразовательной техники и обеспечения основного параметра генерируемого напряжения - частоты, не за счёт стабилизации скорости вращения первичного двигателя, а средствами электроники преобразователя частоты (ПЧ).
Решение указанной проблемы позволит снизить затраты при генерировании электроэнергии и выработку тепла, повысить стабильность частоты и напряжения до уровня, определяемого действующим стандартам, в более широком поле параметров нагрузки и режимов работы.
Принимая во внимание вышеизложенное, можно констатировать, что разработка и создание высокоэффективных, надёжных, полностью автоматизированных, с минимальными массогабаритными параметрами электрогене-* рирующих агрегатов и на их основе малых гидро- и теплоэлектростанций, электростанций с нетрадиционными источниками энергии, а также аварийных, резервных и передвижных автономных электростанций с бензиновыми, дизельными, газовыми ДВС и газотурбинными установками (ГТУ) с широким использованием современной силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем управления и защиты является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является решение комплекса научных и технических проблем, связанных с разработкой нового поколения автономных электрогенерирующих станций для локальных систем электроснабжения, обеспечивающих высокое качество генерируемой электроэнергии и имеющих существенное значение для перевооружения и реконструкции существующих локальных систем электроснабжения.
Достижение указанной цели потребовало решения следующих задач:
1. Разработка новых принципов построения электрогенерирующих систем для «малой энергетики» и систем распределённого производства электроэнергии, содержащих высокоскоростную двигательно-генераторную часть, силовой преобразователь частоты и микропроцессорную систему управления.
2. Развитие общей теории преобразователей частоты для многомосто
вых преобразовательных комплексов на основе автономных инверторов тока
и напряжения, реализующих принцип многоуровневой компенсации высших
гармоник в кривой выходного напряжения:
в системах с бестрансформаторным суммированием мощности;
в системах с одним суммирующим трансформатором.
Вывод основных теоретических зависимостей для многомостовых выпрямителей с уменьшенным искажающим влиянием на питающую сеть и одним входным трансформатором.
Разработка способа управления первичным двигателем автономной электростанции (АЭ), позволяющего уменьшить удельный расход топлива
' при производстве электроэнергии на электростанциях малой мощности в режимах работы с низким коэффициентом загрузки.
5. Разработка принципов построения электротехнической части газо
распределительных станциях (ГРС) с детандер-генерирующими агрегатами с
целью повышение выработки электроэнергии при редуцировании сжатого га
за в режимах неравномерного расхода газа и заменой огневой технологии по
догрева газа на электроподогрев.
Методика исследования. Для достижения поставленной цели, решения комплекса задач применялись теоретические и экспериментальные методы исследований. В качестве основных методик теоретического исследования применялись", методы теории электрических и магнитных цепей, методы численного анализа, методы компьютерного моделирования электротехнических комплексов и систем, методы теории автоматического регулирования.
Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях и условиях реальной эксплуатации на реальном объекте.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректным использованием положений теоретических основ электротехники, электрических машин и электропривода, апробированных методов компьютерного моделирования электротехнических комплексов и результатами ла-
бораторных и эксплуатационных испытаний. Новизна технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами. На защиту выносятся следующие научные положения:
Использование в структуре локальных систем электроснабжения силовой преобразовательной техники: преобразователей частоты, управляемых выпрямителей позволяет оптимизировать режим работы первичного двигателя автономной электростанции, улучшить удельные показатели расхода топлива, а также получить тестированные параметры качества генерируемой электроэнергии при переменных режимах электропотребления.
Разработанный принцип многоуровневой компенсации высших гармоник в кривой выходного напряжения многомостовых схем инверторов то-
' ка и напряжения с бестрансформаторным суммированием мощности на конденсаторных, индуктивных и комбинированных фазосдвигающих блоках, а также в схемах с одним суммирующим многообмоточным трансформатором при произвольном числе мостов т= 2-к, (к=1,2,3...) позволяет обеспечить синусоидальное выходное напряжение и отказаться от применения силовых пассивных фильтров на выходе преобразовательного комплекса.
Выведенные основные аналитические выражения, полученные методом основной гармоники, а также разработанные на основе компьютерных программ математические модели отдельных групп оборудования (автономных электростанций, многомостовых преобразователей частоты, многомостовых выпрямителей, устройств компенсации реактивной мощности), позволяют адекватно описывать физические процессы в локальных системах электроснабжения.
Проведенное компьютерное моделирование систем генерирования, преобразования и распределения электроэнергии позволило выявить основные закономерности протекания электромагнитных процессов в нормальных, аварийных и переходных режимах работы.
5. Применение в структуре газоредуцирующей станции детандер-
генераторного агрегата, преобразователя частоты и блока элетроподогрева
газа позволяет реализовать «бестопливную» технологию работы газораспределительной станции, максимально использовать энергию перепада давления газа для выработки электроэнергии, обеспечивая при этом повышенную энергоэффективность и экологическую безопасность. Экономия газа составляет около 1% от количества транспортируемого газа, при дополнительной выработке электроэнергии в размере 75 - 80 % потенциальной энергии сжатого газа, поступающего из магистрального газопровода, и полностью теряемой при обычном дросселировании на существующих газораспределительных станциях.
Научная новизна.
1. Сформулирована и реализована новая концепция построения элек-
трогенерирующих систем широкого применения для локальных систем
электроснабжения, имеющая следующие особенности:
переход к высокоскоростным двигателям и генераторам для производства электроэнергии при меньших массе и габаритах;
освобождение дизеля от работы с постоянной частотой вращения при изменении нагрузки, что позволяет улучшить технические характеристики дизеля (сократить расход топлива на 30% при работе с резко переменной нагрузкой);
получение электроэнергии стандартной частоты и заданного качества за счет применения преобразователей частоты с синусоидальной формой кривой выходного напряжения, устойчивых к коротким замыканиям и обладающих высокими динамическими характеристиками.
2. Разработаны теоретические основы проектирования многомостовых
преобразовательных комплексов, в которых реализуется принцип много
уровневой компенсации высших гармоник в кривой выходного напряжения
для схем с бестрансформаторным суммированием мощности на многоэле
ментных конденсаторных, индуктивных и комбинированных фазосдвигаю-
щих блоках, а также для преобразовательных комплексов с одним сумми
рующим трансформатором.
На основе метода основной гармоники выведены аналитические зависимости для определения параметров входного многообмоточного трансформатора многомостовых выпрямителей с уменьшенным искажающим влиянием на питающую сеть.
Разработаны новые схемные решения различных типов оригинального оборудования в виде преобразовательных устройств, а также электротехнического комплекса газоредуцирующей станции с детандер-генерирующим агрегатом, преобразователем частоты и блоком электроподогрева газа, позволяющие создавать локальные энергогенерирующие комплексы, имеющие улучшенные показатели - по расходу топлива, по стабильности частоты и напряжения при переменном характере загрузки.
Новизна технических решений подтверждается авторскими свидетельствами и патентами.
Практическая ценность работы.
1.Реализация принципов построения электротехнических комплексов для локальных систем электроснабжения, разработанных в диссертации, позволяет существенно улучшить их технико-экономические показатели: по массе, габаритам, расходу топлива, качеству генерируемой электроэнергии, стабильности частоты и напряжения, условиям параллельной работы.
Разработанные электротехнические комплексы могут быть использованы как базовый материал при разработке серийного мощностного ряда данного класса оборудования.
Разработанные математические модели позволяют на этапе проектирования получить все необходимые количественные параметры электромагнитных процессов проектируемых систем электроснабжения.
Результаты проведенных исследований разработанных технических решений дают необходимый материал для обоснованного инженерного выбора схемотехнических решений конкретного применения.
Реализация результатов работы.
Результаты диссертационной работы использованы при реконструкции систем электроснабжения локальных объектов на предприятиях ОАО «Газпром»: Тюментрансгаз, Пермтрансгаз, Астраханьбургаз, МПП «Энерго-техника»(г. Саратов), а также при проектировании и создании локальных систем электроснабжения с повышенной частотой питающего напряжения участков и цехов на ряде предприятий подшипниковой промышленности Саратова (СПЗ), Курска (ГПЗ-20), содержащих в своем составе тиристорные преобразователи частоты мощностью 200 кВА и работающие на распределительную питающую сеть станков с высокоскоростными асинхронными двигателями.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на V Все
союзной научно-технической конференции «Автоматизация новейших элек
тротехнологических процессов в машиностроении на основе применения по
лупроводниковых преобразователей частоты с целью экономии материаль
ных, трудовых и энергетических ресурсов» (Уфа, 1984); V и VI юбилейных
Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы
электронного приборостроения» (Саратов, 2002, 2004); VIII Международ
ной научно - технической конференции «Проблемы современной электро
техники» (Киев, 2004); Международных научно-технических конференциях
«Силовая электроника в решении проблем ресурсо - и энергосбережения»
(Харьков, 1993; Крым, Алушта, 1996); Международной научно-технической
конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения
АПЭП» (Новосибирск, 2004); Международной научно-технической конфе
ренции «Радиотехника и связь» (Саратов, 2004), XIII Международной научно
- технической конференции «Электроприводы переменного тока» ЭППТ-
2005 (Екатеринбург, 2005), а также докладывались и получили одобрение на
ежегодных научно-технических конференциях профессорско-
преподавательского состава Саратовского государственного технического университета.
Публикации по работе.
Основное содержание диссертации отражено в 88 научных работах, из них 40 авторских свидетельств и патентов, 8 статей опубликованы в центральной печати по списку ВАК, 40 - в других научных сборниках и официальных изданиях.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения, изложенных на 341 стр. основного текста, списка литературы из 363 наименований, содержит 148 иллюстраций и приложение на 7 страницах.
Аннотация диссертационной работы по главам:
В первой главе выполнен общий анализ построения существующих структурных схем и оборудования электротехнических комплексов локальных систем электроснабжения с технической и теоретической точек зрения, выделены основные структурно-функциональные узлы, приведен обзор конструкций автономных электростанций по составу оборудования. Выполнен анализ существующих схем автономных инверторов, отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены различные типы организации и схемы выполнения локальных систем электроснабжения. В заключение главы поставлены задачи исследования.
Во второй главе рассматриваются вопросы повышения эффективности работы автономных электростанций в составе локальных систем электроснабжения. Представлены результаты исследования характеристик электро-генерирующих комплексов, в которых в качестве первичных двигателей используются: ДВС, газопоршневые двигатели, газовые турбины.
В третьей главе представлена обобщённая теория структурного и параметрического синтеза составных многоуровневых силовых схем, инверторов тока и напряжения на базе N-мостовых схем с бестрансформаторным суммированием выходной мощности.
В четвёртой главе приведены материалы по разработке многомостовых схем инверторов тока и напряжения с одним суммирующим выходным трансформатором.
В пятой главе приводятся математические модели и расчетно-теоретические исследования разработанных схем автономных инверторов при нормальных и аварийных режимах работы.
В шестой главе рассматриваются результаты разработки принципиально нового варианта выполнения электротехнического комплекса газоре-дуцирующей станции, имеющей в своем составе высокоскоростной безре-дукторный детандер - генерирующий агрегат, преобразователь частоты, и регулируемый электроподогреватель газа. Предложенное схемотехническое решение позволяет обеспечить работу газоредуцирующей станции без использования огневой технологии подогрева газа.
В седьмой главе анализируются режимы работы системы электроснабжения с мощными выпрямителями. Приводятся результаты разработки и исследования нового схемного решения многомостового выпрямительного агрегата с одним входным трансформатором, обладающего минимальным искажающим влиянием на питающую сеть.
Восьмая глава посвящена системным вопросам работы автономных электростанций (АЭ) в составе локальных систем электроснабжения, их совместной работы с централизованной системой электроснабжения, задаче компенсации реактивной мощности, обеспечения качества генерируемой электроэнергии, вопросам электромагнитной совместимости и построению систем релейной защиты и автоматики (РЗиА).
В заключение работы приведена общая характеристика работы и основные выводы по результатам диссертации.
Благодарности коллегам по работе и научному консультанту.
Автор выражает благодарность всем преподавателям и сотрудникам, кафедр «Электротехники и электроники», «Электроснабжения промышленных предприятий», «Системотехники» СГТУ, а также сотрудникам лабора-
тории преобразовательной техники, работавших вместе с ним над созданием новых электротехнических устройств. Особую благодарность автор выражает научному консультанту д.т.н., профессору Артюхову И.И. за ценные указания при выполнении данной диссертационной работы.
