Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и управление переходными режимами промышленных систем электроснабжения, имеющих объекты малой энергетики, при наличии резкопеременной нагрузки 12
1.1. Аналитический обзор исследований по методам управления режимами промышленных систем электроснабжения 12
1.2. Аналитический обзор методов расчета переходных режимов промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой 15
1.3. Аналитический обзор трудов, посвященных исследованию влияния резкопеременной нагрузки на показатели качества электрической энергии в системе электроснабжения 19
1.4. Обзор программного обеспечения для расчета переходных режимов систем электроснабжения с резкопеременной нагрузкой 23
Цели и задачи исследования 27
2. Математическое моделирование промышленных объектов малой энергетики и электроприемников с резкопеременной нагрузкой 29
2.1. Постановка задачи моделирования объектов малой энергетики 29
2.2. Особенности математического моделирования синхронных генераторов с учетом рода первичного двигателя при расчете переходного режима 32
2.3. Математическое моделирование регулируемых газотурбинных и парогазовых установок 40
2.4. Математическое моделирование регулируемых газопоршневых агрегатов 48
2.5. Математическое моделирование регулируемых газовых утилизационных бескомпрессорных установок 52
2.6. Математическое моделирование электроприемников с резкопеременной нагрузкой 55
2.6.1. Математические модели синхронных и асинхронных двигателей с резкопеременным характером нагрузки на валу 58
2.6.2. Математические модели двигателей постоянного тока, питающихся от тиристорных преобразователей 66
2.6.3. Математическая модель двигателя переменного тока, получающего питание от преобразователей частоты с непосредственной связью 68
2.6.4. Математическая модель двигателя переменного тока, питающегося от тиристорного преобразователя со звеном постоянного тока 71
Выводы 73
3. Моделирование и расчет переходных режимов промышленных систем электроснабжения, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку 74
3.1. Постановка задачи моделирования переходных режимов промышленных систем электроснабжения при наличии резкопеременной нагрузки 74
3.2. Расчет установившегося режима в задаче определения параметров переходных эксплуатационных процессов 77
3.3. Методика расчета эксплуатационного переходного режима промышленной системы электроснабжения при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу 78
3.4. Разработка алгоритма управления эксплуатационными переходными режимами при работе резкопеременной нагрузки 86
3.5. Программная реализация разработанной методики расчета эксплуатационных переходных режимов 89
Выводы 92
4. Исследование переходных эксплуатационных режимов промышленной системы электроснабжения с помощью вычислительного эксперимента на примере ОАО «ММК» 93
4.1. Постановка задачи исследования 93
4.2. Техническое описание объекта исследования 95
4.3. Исследование динамической устойчивости синхронных генераторов, приводимых различного рода первичными двигателями 99
4.4. Исследование графиков электрических нагрузок ЭСПЦ ОАО «ММК» 103
4.5. Расчет и анализ переходных режимов при параллельной работе с энергосистемой электростанций ОАО «ММК» и наличии резкопеременной нагрузки 106
4.5.1. Исследование эксплуатационных переходных режимов Магнитогорского энергетического узла в целом 106
4.5.2. Исследование эксплуатационных переходных режимов отдельных электроприемников 113
4.6. Расчет и анализ эксплуатационных переходных режимов на примере ЛПЦ-4 ОАО «ММК» 117
4.6.1. Определение колебаний частоты в эксплуатационных переходных режимах ЛПЦ-4 ОАО «ММК» 124
4.6.2. Исследование и анализ эксплуатационных переходных режимов при наличии большого числа резкопеременных нагрузок в системе электроснабжения сложной конфигурации 125
4.6.3. Исследование влияния способов представления питающей сети на параметры переходного эксплуатационного режима 127
4.6.4. Исследование эксплуатационных переходных режимов на примере ЛПЦ-4 в перспективной схеме электроснабжения при наличии объектов малой энергетики 130
4.7. Расчет и анализ эксплуатационных переходных режимов при выходе ТЭЦ ОАО «ММК» на раздельную работу с энергосистемой и наличии резкопеременной нагрузки 133
4.8. Разработка рекомендаций по использованию результатов работы 138
4.9. Определение расчетного экономического эффекта от предложенных мероприятий 139
Выводы 143
Заключение 145
Библиографический список 147
Приложения 160
- Аналитический обзор методов расчета переходных режимов промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой
- Математическое моделирование регулируемых газотурбинных и парогазовых установок
- Методика расчета эксплуатационного переходного режима промышленной системы электроснабжения при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу
- Исследование эксплуатационных переходных режимов Магнитогорского энергетического узла в целом
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Система электроснабжения современного металлургического предприятия представляет собой комплекс сложного энергоемкого технологического оборудования и генерирующих мощностей. В настоящее время увеличивается как единичная мощность, так и общая доля электроустановок с резко переменным характером потребления электроэнергии. В системе электроснабжения промышленного предприятия (СЭГШ) к данным нагрузкам относятся электроприемники прокатного передела и электросталеплавильного производства. Наличие таких потребителей приводит к ухудшению качества напряжения в сети, качанию роторов синхронных генераторов (СГ) собственных электростанций промышленных предприятий и снижению устойчивости отдельных машин переменного тока и СЭГШ в целом.
В современных рыночных условиях промышленные предприятия с целью снижения энергозатрат на производство заинтересованы в развитии собственных электростанций. Малые капитальные вложения и возможность использования вторичных энергетических ресурсов металлургического производства стимулируют использование объектов малой энергетики в виде СГ, приводимых газовыми турбинами и газопоршневыми двигателями. Это существенно усложняет конфигурацию промышленных электрических сетей, а при наличии энергоемких резкопеременных нагрузок делает актуальными проблемы обеспечения устойчивости самих генераторов и системы электроснабжения в целом.
Таким образом, параллельная работа объектов малой энергетики и мощных электроприемников с резкопеременной нагрузкой в СЭГШ сопровождается эксплуатационными переходными режимами (ЭПР). Особенно утяжеляет такие переходные процессы выход электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в результате срабатывания релейной защиты или противоаварийной автоматики. Управление подобными режимами является задачей диспетчерского персонала электростанций и электрических сетей крупного промышленного предприятия.
Поэтому в сформулированных выше условиях актуальна разработка методики и программного обеспечения (ПО) расчета и анализа ЭПР с целью повышения эффективности оперативно-диспетчерского управления СЭПП сложной конфигурации.
Актуальность рассматриваемых вопросов отмечена в Федеральном законе «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», основных положениях энергетической стратегии развития России до 2020 года, «Основных направлениях развития энергетики Челябинской области на период до 20 Г 5 года», приказах ОАО «ММК» «О снижении расхода энерге-
тических ресурсов в 2009 - 2012 году». Выполненные НИР в МГТУ: работа по договору с ОАО «ММК» «Управление эксплуатационными режимами системы электроснабжения ОАО «ММК» с учетом ввода в эксплуатацию новых производственных мощностей со специфической нагрузкой на период до 2012 г.» и работа в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по темам «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом» (государственный контракт №02.740.11.0755) и «Создание энергосберегающих систем производства, распределения и потребления тепловой энергии в топливно-энергетическом хозяйстве города средствами регулируемого электропривода и автоматизированных систем управления технологическими процессами» (государственный контракт № 14.В37.21.0334) также подтверждают актуальность работы.
Степень научной разработанности проблемы. Методы расчета переходных процессов систем электроснабжения приведены в работах В.А. Веникова, Л.А. Жукова, Ю.Е. Гуревича, П.С. Жданова, П. Андерсона, С. Бер-наса. Моделирование СГ при расчете переходного режима изложено работах П.С. Жданова, Э. Кимбарка. Описание систем регулирования скорости генераторов, приводимых различного рода первичными двигателями, представлено в работах В.Н. Веллера, И.И. Кириллова, И.В. Котляра, Л.В. Арсеньева, Б.В. Сазанова, И.В. Крутова. В работах М.М. Фотиева, О.А. Маевского, Б.И. Фираго приведены основные уравнения зависимостей параметров режимов работы двигателей, питающихся от тиристорных преобразователей, от параметров питающей сети. Основные способы расчета показателей качества электроэнергии и влияния резкопеременной нагрузки изложены в работах И.В. Жежеленко, Б.И. Кудрина, B.C. Иванова, Ю.С. Железко, М. Томпсона.
Проведенный обзор существующей литературы показывает, что не достаточно проработаны вопросы управления ЭПР и анализа устойчивости промышленных систем электроснабжения сложной конфигурации, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку. Математические модели СГ, приводимых газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, и резкопеременной нагрузки не адаптированы к расчету ЭПР.
Целью работы является повышение эффективности управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, за счет прогнозирования эксплуатационных режимов и принятия решений по адаптивной реконфигурации сети.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: 1. Получены математические модели синхронных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, и упрощенные математические модели
промышленных электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для расчета эксплуатационных переходных режимов при раздельной и параллельной работе с энергосистемой.
-
Разработана методика оперативного расчета и анализа эксплуатационных переходных режимов сложнозамкнутых промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом энергоемких резкопеременных нагрузок и объектов малой энергетики.
-
Предложен алгоритм оперативно-диспетчерского управления режимами систем электроснабжения промышленных предприятий с целью снижения влияния резкопеременной нагрузки на колебания напряжения и повышения устойчивости машин переменного тока.
-
Выполнена программная реализация разработанных методики и алгоритма.
-
Проведен анализ эксплуатационных переходных режимов при работе резкопеременной нагрузки в условиях системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК») при помощи разработанного ПО и даны рекомендации по адаптивной реконфигурации системы с целью сохранению устойчивости и снижению колебаний напряжения.
Методы исследования.
Решение поставленных задач велось на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории вероятности и математической статистики, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирова-ния. Исследования проводились с помощью оригинального ПО.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
-
соответствием результатов вычислительного эксперимента экспериментальным данным в виде осциллограмм напряжений;
-
корректным использованием методов последовательного эквивалентиро-вания и последовательных интервалов;
-
использованием реальных технических характеристик оборудования и апробированием ПО на действующем промышленном предприятии.
Научная новизна.
-
Разработана методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и работе резкопеременной нагрузки, позволяющая анализировать и прогнозировать подобные режимы при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.
-
Получен алгоритм управления ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, позволяющий разработать мероприятия по повышению качества электроэнергии, устойчивости СЭПП и снижению электрических потерь, отличающийся возможностью принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.
З. Созданы математические модели СГ, приводимых газопоршневыми двигателями и газовыми турбинами, с целью расчета ЭПР при наличии резкопере-менной нагрузки, отличающиеся учетом типа системы автоматического регулирования скорости (АРС) и возможностью использования при исследовании режимов выхода электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в условиях дефицита мощности.
Практическая значимость результатов работы.
-
Созданное ПО позволяет осуществить расчет и анализ ЭПР СЭГШ и оценить динамическую устойчивость машин переменного тока при работе рез-копеременной нагрузки и наличии объектов малой энергетики.
-
Использование программного комплекса дает возможность оценить отклонения и колебания напряжения во всех точках исследуемой сложнозамк-нутой СЭГШ с учетом взаимного влияния обобщенных резкопеременных нагрузок и отдельных машин переменного тока.
-
Разработанный алгоритм позволяет повысить эффективность управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых СЭГШ за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации сети с целью повышения качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.
-
Разработанный применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» комплекс мероприятий, направленный на снижение уровня колебаний напряжения, позволяет уменьшить ущерб от дополнительных потерь мощности, возникающих при работе резкопеременной нагрузки, а также повысить устойчивость СГ собственных электростанций.
Реализация результатов работы. Г. Разработано ПО расчета ЭПР СЭГШ с местными тепловыми электростанциями и объектами малой энергетики при параллельной и раздельной работе с энергосистемой и наличии резкопеременной нагрузки. Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №20Г26Г209 от 24.02.20Г2 г.).
-
Созданы базы данных по объектам малой энергетики Магнитогорского энергетического узла (МЭУ), энергоемким электроприемникам с резкопеременной нагрузкой и компенсирующим устройствам системы электроснабжения ОАО «ММК», предназначенные для использования совместно с разработанным программным комплексом.
-
Полученное ПО использовано для оперативного прогнозирования ЭПР СЭГШ, анализа динамической устойчивости и принятия решений по адаптивной реконфигурации системы при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.
-
Разработанная программа для ЭВМ прошла апробацию в группе режимов Центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и на оперативно-
производственном участке цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», получила положительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.
-
Разработаны и переданы для последующего внедрения мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить колебания напряжения и потери мощности при работе стана горячей прокатки 2500 ЛГЩ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составляет 1,7 млн. руб. в год.
-
Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах» и «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и повышении квалификации руководящих работников энергослужб.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.
-
Алгоритм управления ЭПР СЭПП, имеющих собственные электростанции, позволяющий повысить качество напряжения и устойчивость машин переменного тока при действии резкопеременной нагрузки за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.
-
Математические модели промышленных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, предназначенные для расчета ЭПР, вызванных действием резкопеременных нагрузок.
-
Результаты расчета и анализа устойчивости и показателей качества электроэнергии, полученные с помощью разработанных методики и алгоритма в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».
Апробация работы.
Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные аспекты глав обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Междунар. научно-техн. конф. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), IV и VI Междунар. молодежных научн. конф. «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г., 2011 г.), VIII и X Междунар. научно-практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С-Петербург, 2009 г., 2010 г.), II Междунар. научно-практич. конф. «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г.Пенза, 2011г.), Междунар. научно-практ. конф. «Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (г.Омск, 2011г.), Междунар. научно-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), X и XI Всерос. научно-практич. конф. «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (г.Магнитогорск, 2009г., 2010г.), Всерос. конф. с элементами научной школы
для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.), III Всерос. научно-техн. конф. «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.), VII Всерос. научно-техн. конф., посвященной 50-летию первого полета человека в космос «Молодёжь и наука» (г. Красноярск, 2011 г.), 67-й научно-техн. конф. по итогам научно-исслед. работ (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й межрегион, научно-техн. конф. «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.).
Публикации.
По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 121 наименования и 10 приложений. Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 85 рисунков и 18 таблиц.
Аналитический обзор методов расчета переходных режимов промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой
Для управления режимами СЭПП необходимо прогнозировать переходные режимы. Прогнозирование переходных режимов представляет определенную сложность, в виду необходимости их моделирования и расчета с помощью специальных программных комплексов.
В существующей литературе широко рассмотрены вопросы расчета переходных процессов. Основные методы расчета переходных процессов представлены в работах С.А. Ульянова [84], В.А. Веникова [23, 15, 16, 20], Ю.Е. Гуревича [27], П.С. Жданова [31], Ю.А. Куликова [56]. При расчете переходных режимов в системах электроснабжения необходимо учитывать процессы, характеризуемые механическими качаниями роторов двигателей и генераторов, электромагнитными процессами в обмотках машин и электрическими процессами в элементах системы, и различия в их скорости протекания во времени. Так же необходимо учитывать действия автоматических регуляторов, оказывающих на протекание переходного процесса значительное влияние, которое особенно сказывается при непосредственной близости генераторов собственных электростанций и нагрузки предприятия в СЭПП. Особое внимание занимает проблема расчета переходного режима работы системы электроснабжения при раздельной работе с энергосистемой.
Прогнозирование и расчет режимов работы систем электроснабжения требует создания математических моделей элементов. При расчете переходных процессов к созданным моделям предъявляются высокие требования. Основные способы и методы моделирования элементов электроэнергетических систем изложены в работах Ю.Е. Гуревича [27], Бернаса и 3. Цёка [9], П. Андерсона и А. Фуада [1], [96, 102]. В работе Ю.А. Куликова [56] приводится представление элементов электрических систем в расчете переходных процессов. В работах В.А. Веникова [22, 15] и Ф.Г. Гусейнова [29] представлены методы упрощения сложных расчетных схем систем электроснабжения.
Моделирование работы устройств автоматического регулирования скорости вращения СГ в составе паротурбинных установок рассматривается в работах В.А. Веникова [19, 17]. Вопрос моделирования регуляторов скорости генераторов в составе других установок не проработан. В работах И.В. Крутова [53], И.В. Котляра [51] приведены дифференциальные уравнения движения элементов систем регулирования скорости вращения газопоршневого двигателя и газовой турбины соответственно. Однако, в существующем виде данные уравнения не могут быть использованы для оценки влияния устройств регулирования скорости на протекание переходного режима в системах электроснабжения. В работах Фотиева М.М. [88], Жемерова Г.Г. [36], Маевского О.А. [59] приведены основные зависимости параметров работы двигателей, питающихся от различных видов тиристорных преобразователей, от параметров питающей сети. Работа дуговой сталеплавильной печи рассматривается в работах И.В. Жежеленко [32], В.М. Салтыкова [82] и [98]. Однако необходимо создание математических моделей, позволяющих учесть влияние электроприемников с резкопеременным характером нагрузки на переходный режим работы системы электроснабжения.
Наиболее точными методами расчета переходных процессов являются аналитические, в основу которых положены уравнения Горева-Парка. Однако данные методы являются трудоемкими, так как использование математических моделей элементов систем электроснабжения и необходимость учета всех процессов, протекающих в системе в целом и каждом элементе в отдельности, при расчете переходных процессов требуют решения сложной системы дифференциальных уравнений. Для упрощения систем дифференциальных уравнений применяются различные методы численного интегрирования. В работах В.А. Веникова [23] и Ю.Е. Гуревича [27] предлагается использование методов Эйлера, Рунге-Кутта, Милна.
Одним из наиболее точных методов расчета переходных режимов является метод последовательных интервалов. Данный метод представляет собой способ численного решения дифференциальных уравнений относительного движения ротора генераторов. Метод последовательных интервалов изложен в работах В.А. Веникова [16, 15, 20], П.С. Жданова [31], Ю.А. Куликова [56] и других. При расчете с помощью данного метода переходный процесс разбивается на очень маленькие интервалы времени, в течение которых рассматривается установившимся. Большим его достоинством является то, что он позволяет рассмотреть протекание переходного режима во времени, а также учесть действие автоматических регуляторов частоты вращения и возбуждения, дополнительных моментов, динамические характеристики и рез-копеременное изменение мощности нагрузки. В работе П.С. Жданова [31] рассматриваются проблемы расчета переходного режима при отсутствии связи с системой бесконечной мощности. Несмотря на громоздкость и трудоемкость расчетов метод последовательных интервалов, благодаря развитию современных электронно-вычислительных машин, широко распространен.
К практическим методам расчетов переходных режимов относятся упрощенные методы. Они позволяют с определенной точностью рассчитать токи короткого замыкания, оценить влияние тех или иных факторов на протекание переходного процесса [97, 100]. Зачастую, в таких методах вводятся определенные допущения. К допущениям относятся принятие неизменности частоты, переходной и сверхпереходной ЭДС, отсутствие учета ряда характеристик элементов системы, наличие связи с узлом бесконечной мощности. Введение таких допущений приводит к появлению погрешностей расчета и невозможности рассмотрения переходного процесса во времени.
В работах В.А. Веникова и Л.А. Жукова [16, 18] приведены некоторые упрощенные методы расчета переходных процессов и оценки изменения частоты. В ряде методов оценивается влияние конкретного фактора на протекание переходного процесса с помощью решения упрощенных дифференциальных уравнений. Другим способом упрощения расчета является замена нескольких электростанций или генераторов двумя, реже - тремя эквивалентными, что в свою очередь приводит к сокращению числа уравнений.
Особенно глубоко методы эквивалентирования систем электроснабжения рассмотрены в работе Ф.Г. Гусейнова [29]. К данным методам относятся методы устранения контуров и узлов схемы, диакоптики, аппроксимации и параметрического эквивалентирования и другие. Однако методы эквивалентирования актуальны при рассмотрении схемы энергосистемы со значительным удалением электростанций друг от друга.
Математическое моделирование регулируемых газотурбинных и парогазовых установок
В условиях рыночных отношений современные металлургические предприятия с целью привлечения новых покупателей и роста прибыли заинтересованы в увеличении объемов производства и повышения качества выпускаемой продукции [117]. Данные обстоятельства требуют проведения технологического усовершенствования и повышения надежности технологических процессов основных переделов металлургического производства.
Особо остро стоит проблема необходимости технической модернизации прокатного передела. Основными тенденциями развития прокатного производства являются увеличение единичных мощностей электроустановок и внедрения электроприводов переменного тока прокатных станов.
В настоящее время в металлургическом производстве в качестве приводов валков прокатных станов широко используются как двигатели постоянного тока, так и двигатели переменного тока, питающиеся от тиристорных преобразователей [6, 88, 73, 77, 65]. Единичная мощность устанавливаемых двигателей достигает 18 МВт.
Одной из особенностей эксплуатационных режимов работы прокатных станов является скачкообразное изменение механического момента и ударное приложение нагрузки. Резкопеременный и ударный характер нагрузки на валу и большая единичная мощность главных электроприводов прокатного стана приводят к возникновению длительных и энергоемких переходных электромеханических процессов. Этот процесс влечет за собой колебания напряжения на выводах источника питания и оказывает влияние на работу тиристорных преобразователей. Данные переходные режимы негативно сказываются на качестве напряжения и прокатываемого металла [41, 35, 34]. Поэтому возникает необходимость прогнозирования и анализа возникающих переходных процессов, а также взаимного влияния параметров питающей сети и системы тиристорный преобразователь - двигатель постоянного или переменного тока [109].
В случае аварийного отключения или принудительного ограничения электропотребления в системе электроснабжения металлургического предприятия вероятно возникновение дефицита активной и реактивной мощностей, что, в свою очередь, может привести к значительному снижению напряжения. В таких условиях необходимо прогнозировать возможность поддержания технологических параметров проката на допустимом уровне системой тиристорный преобразователь - двигатель.
В современной литературе [88, 75, 13, 86, 87, 50] глубоко проработаны вопросы теории управления, работы и устойчивости электропривода при питании от источника бесконечной мощности. В работах Б.И. Фираго [86, 85] подробно изучены электромеханические переходные процессы электропри-водов при различных видах механической нагрузки на валу двигателя. В работе С.А. Ковчина и Ю.А. Сабинина [50] рассматривается вопрос приема, сброса нагрузки, динамического падения скорости, а также динамика электромеханических процессов разомкнутых и замкнутых систем управления. В работах В.В. Москаленко [68, 67] рассмотрены особенности переходных процессов электроприводов двигателей переменного тока. Но недостаточно исследовано влияние наличия на валу двигателя резкопеременной нагрузки, а также параметров питающей сети на потребляемую двигателями активной и реактивной мощностей, и, следовательно, на устойчивость синхронных двигателей и генераторов в ней.
Для изучения ЭПР СЭПП необходимо задание нагрузочных диаграмм проката технологических установок. В случае отсутствия нагрузочных диаграмм цикла проката резкопеременные и ударные нагрузки в расчеты вводятся в виде обобщенной и задаются графиками активной и реактивной мощности. В схеме замещения данный вид нагрузок представляется эквивалентными ЭДС и соответствующими сопротивлениями.
В настоящее время для снижения негативного влияния работы резкопеременной нагрузки широкое применение получили регулируемые компенсирующие устройства (КУ). Принцип действия регулируемых КУ основан на изменении потребления индуктивной мощности компенсатора при неизменной выдаваемой емкостной мощности. При математическом моделировании статического компенсатора на каждом шаге расчета предварительно определяется мощность, которую должен потребить компенсатор на основной гармонике: где QK - индуктивная мощность компенсатора; QKy - емкостная мощность КУ на основной гармонике; Qn0TPn индуктивная мощность электроприемника на /7-м интервале, Та - постоянная времени компенсатора.
Таким образом, при изменении потребляемой реактивной мощности нагрузкой и неизменной выдаче емкостной мощности КУ происходит изменение индуктивной мощности тиристорного компенсатора с некоторой постоянной времени, зависящей от параметров катушки и системы регулирования.
С целью прогнозирования и анализа ЭПР СЭГШ необходимо создание программного обеспечения. Для этого требуется разработать упрощенные математические модели двигателей постоянного и переменного тока, имеющих резкопеременный момент на валу и питающихся от различных типов ти-ристорных преобразователей [119]. Данные модели должны позволять определять параметры работы системы тиристорный преобразователь - двигатель, а также оценивать их взаимное влияние на параметры режимов работы системы электроснабжения [118].
Методика расчета эксплуатационного переходного режима промышленной системы электроснабжения при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу
В работах Фотиева М.М. [88], Васина В.М. [13], Москаленко В.В. [68, 67], Фираго Б.И. [85, 87] глубоко изучены переходные процессы двигателей постоянного тока (ДПТ) при питании от различных типов источников.
На основании уравнений, описывающих работу системы ДГТТ-ТП в переходном режиме [88, 13, 68, 87, 77, 59], автором диссертационной работы была разработана расчетная математическая модель, позволяющая производить расчеты переходных режимов ДПТ, питающегося от ТП, при наличии резко-переменного момента на валу. Полученная математическая модель опубликована в [114, 118]. Блок-схема математической модели представлена на рис. 2.4.
В начале алгоритма расчета осуществляется ввод исходных параметров элементов питающей сети и номинальных параметров ДПТ. Производится расчет номинальных параметров установки. Задается число интервалов расчета. Далее расчет производится для заданного числа интервалов. В начале каждого интервала рассчитываются значения тока и ЭДС двигателя, а также расчет коэффициента, учитывающего изменение напряжения сети. Затем происходит сравнение реальной скорости двигателя с заданной по тахограмме, и соответствующий расчет требуемого подводимого напряжения к двигателю. На следующем этапе производится определение коэффициента мощности, учитывающее изменения параметров питающей сети, и в зависимости от него выбор режима работы ТП [119]. Если ТП работает в режиме полного открытия тиристоров, к двигателю подводится максимальное выпрямленное напряжение, зависящее от напряжения питающей сети. Если ТП работает в регулируемом режиме, то подводится напряжение преобразователя, соответствующее скорости, требуемой по тахограмме [114]. Далее задается момент сопротивления нагрузки на валу двигателя, который учитывает наличие рез-копеременной нагрузки на валу через коэффициент загрузки, взятый по нагрузочной диаграмме или из графиков нагрузки и определяется соответствующая ему скорость двигателя. В конце интервала определяются мощности, потребляемые установкой в целом [114]. Потребление активной мощности системой ТП-ДПТ зависит от мощности нагрузки на валу и скорости вращения ротора ДПТ, рассчитываемой на каждом интервале расчета, а потребление реактивной мощности - от режима работы ТП.
В математической модели использованы следующие обозначения: п -КПД двигателя; Іномдв, Рномдв, иНОМдв, Мномдв, соном - номинальные ток, активная мощность, напряжение, момент и скорость двигателя; kUn - коэффициент, характеризующий степень изменения напряжения; Udmaxn - максимальное значение выпрямленного напряжения ТП на п-м интервале; т -пульсность схемы выпрямления ТП; ЕНом - ЭДС ДПТ, соответствующая номинальному току ДПТ; Uном номинальное напряжение сети; соп - скорость двигателя на п-м интервале; СОТАХП - скорость двигателя, требуемая по тахо-грамме; Id„- выпрямленный ток ТП на п-м интервале; Е„ -ЭДС ДПТ на п-м интервале; к3п - коэффициент загрузки, взятый по нагрузочной диаграмме; Udn- выходное выпрямленное напряжение ТП на п-м интервале; U deucmen -действующее значение напряжения сети на п-м интервале; МСОПР - момент сопротивления резкопеременного механизма; кФНом - постоянная ДПТ; coscp - коэффициент мощности двигателя, tg(p - тангенс угла нагрузки; сос, - скорость, соответствующая моменту сопротивления резкопеременной нагрузки МСОПР , ЛЛ Q активная и реактивная мощности ДПТ.
На основании уравнений, приведенных в работах Г.Г. Жемерова [36] и О.А. Маевского [59] и описывающих работу преобразователей частоты с непосредственной связью (НПЧ), автором диссертационной работы была разработана упрощенная математическая модель расчета параметров режимов работы СД и АД, питающихся от НПЧ и имеющих резкопеременный момент на валу, при изменяющихся параметрах системы электроснабжения. Упрощенная математическая модель опубликована в [118, 113]. Блок-схема расчетной математической модели представлена на рис. 2.5.
В начале алгоритма расчета осуществляется ввод исходных параметров элементов системы электроснабжения и двигателя переменного тока. Производится расчет исходного установившегося режима. Задается число интервалов расчета. Далее расчет производится для заданного числа интервалов. В начале каждого интервала рассчитываются коэффициенты установки, необходимые для определения выходного напряжения преобразователя частоты, требуемого по нагрузочной диаграмме. На этой же стадии производится расчет максимально возможного значения выходного напряжения преобразователя [118]. Далее определяется возможность поддержания НПЧ требуемого напряжения и в зависимости от этого перерасчет выходных параметров преобразователя. Затем в зависимости от типа питающегося двигателя и с учетом наличия резкопеременной нагрузки на валу определяются мощности, потребляемые двигателем из сети [119]. В конце интервала вычисляются активная и реактивная мощности всей установки, зависящие от потребляемых мощностей двигателем [118]. Особенностями работы данной установки являются невозможность превышения выходной частоты НПЧ частоты питающей сети, а также прямая зависимость частоты преобразователя от выходного напряжения.
В математической модели использованы следующие обозначения: fcemu -частота сети;/7хл — частота двигателя, заданная по тахограмме;Уя/ — выходная частота преобразователя; UJAX напряжение на выходе преобразователя, требуемое по нагрузочной диаграмме; UMAX - максимальное значение напряжения на выходе преобразователя; т - пульсность схемы НПЧ; U деиСтв - действующее значение напряжения сети; Unp - выходное напряжение преобразователя; Руст, Qycr - активная и реактивная мощности установки; РДВ - активная мощность двигателя; I2m - амплитудное значение выходного тока преобразователя; Еат - амплитудное значение анодного напряжения; р2 - угол нагрузки.
В существующей литературе широко рассмотрены переходные процессы двигателя переменного тока [31, 68], питающегося от тиристорного преобразователя со звеном постоянного тока (ТП с ЗПТ). На основании уравнений, приведенных в работах Жданова П.С. [31], Москаленко В.В. [68] и О.А. Маев-ского [59] и описывающих работу двигателей переменного тока, питающихся от ТП с ЗПТ, автором диссертационной работы была разработана упрощенная математическая модель расчета параметров режимов работы системы ТП с ЗПТ - двигатель переменного тока. Данная математическая модель позволяет рассчитать параметры двигателя, питающегося от ТП с ЗПТ, при работе рез-копеременной нагрузки, изменении момента на валу и напряжения питающей сети. Блок-схема математической модели представлена на рис. 2.6.
В начале алгоритма расчета осуществляется ввод исходных параметров элементов системы электроснабжения и двигателя переменного тока. Производится расчет исходного установившегося режима. Задается число интервалов расчета. Далее расчет производится для заданного числа интервалов. На каждом интервале первоначально рассчитываются максимальные значения выпрямленного напряжения тиристорного выпрямителя и выходного напряжения преобразователя, а также напряжения, которое необходимо подать на двигатель согласно нагрузочной диаграммы [116]. На следующем этапе расчета происходит сравнение максимально возможного и требуемого напряжения и соответствующая корректировка выходных параметров ТП с ЗПТ. В зависимости от подводимых к двигателю параметров и типа самого двигателя (АД или СД) с учетом наличия резкопеременной нагрузки на валу далее производится расчет потребляемых из сети активной и реактивной мощностей двигателя [116]. В конце интервала расчета, исходя из рассчитанных мощностей двигателя и типа тиристорного выпрямителя, рассчитываются мощности всей установки в целом.
Исследование эксплуатационных переходных режимов Магнитогорского энергетического узла в целом
Проведено технико-экономическое описание собственных электростанций и энергоемких резкопеременных нагрузок, входящих в состав системы электроснабжения ОАО «ММК» С помощью разработанного ПО проведены расчеты динамической устойчивости СГ, приводимых различного рода первичными двигателями. По результатам расчета было определено, что наибольшей динамической устойчивостью обладает СГ, приводимый газовой турбиной с системой регулирования скорости с гибкой обратной связью. Проведена статистическая оценка графиков потребления мощности ДПС ЭСПЦ ОАО «ММК». С целью анализа влияния работы резкопеременной нагрузки на качество напряжения были проведены расчеты ЭПР при работе стана горячей прокатки 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК» в составе МЭУ. На основании полученных результатов расчетов рассчитаны значения колебаний напряжения и разработаны рекомендации по снижению уровня данных колебаний напряжения на ПС 22.
На примере ПС 22 проанализировано влияние на качество напряжения работа на шинах ПС других резкопеременных нагрузок с малой электрической удаленностью от рассматриваемой. Было доказано, что резкопеременные нагрузки, получающие питание от единой сложнозамкнутой СЭПП оказывают взаимное влияние на параметры режима, поэтому исследование параметров одной нагрузки без учета других электрически малоудаленных не корректно.
Исследовано влияние способа представления питающей сети на параметры ЭПР. На основании результатов расчетов сделаны выводы о том, что представление источника питания в виде системы бесконечной мощности за некоторым сопротивлением дает существенную погрешность по сравнению с непосредственным исследованием сложнозамкнутой системы электроснабжения.
С помощью разработанного ПО проведено исследование ЭПР ПС 22 в перспективной схеме и сделаны выводы, что предлагаемые к установке ГТУ обладают меньшей динамической устойчивостью по сравнению с ПТУ.
С целью оценки влияния наличия объектов малой энергетики и работы резкопеременной нагрузки на устойчивость МЭУ проведена серия расчетов ЭПР при параллельной работе и выходе на раздельную работу с энергосистемой собственных электростанций с использованием оригинального ПО.
Результаты расчетов описанных режимов показали, что Магнитогорский энергетический узел обладает высокой динамической устойчивостью, что связано с существованием мощной связью с энергосистемой в параллельном режиме работы и избыточной мощностью собственных генераторов при выходе на раздельную с энергосистемой работу. 10. На основании полученных результатов расчетов режимов работы системы электроснабжения ОАО «ММК» рассчитаны значения колебаний напряжения, вызванные работой резкопеременной нагрузкой, и разработаны рекомендации по снижению уровня данных колебаний напряжения на ПС 22. 11. Расчетный экономический эффект от включения существующих компенсирующих устройств ПС 22, возникающий за счет снижения потерь мощности от колебаний напряжения и изменения потокораспределения при компенсации реактивной мощности, составляет 1,7 млн. руб. в год. Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности управления ЭПР сложнозамкнутых СЭГШ при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки, за счет прогнозирования ЭПР при параллельной и раздельной работе с энергосистемой, позволяют сформулировать следующие результаты: 1. Разработана методика оперативного расчета и анализа ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу, позволяющая оценить изменение напряжения в узловых точках сети и углов роторов синхронных машин с целью анализа показателей качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока. 2. С целью разработки мероприятий, предусматривающих адаптивную реконфигурацию сети и направленных на повышение качества электроэнергии и устойчивости СЭПП, получен алгоритм управления ЭПР, позволяющий учесть изменение параметров режима при работе энергоемкой резкопеременной нагрузки, компенсирующих устройств и объектов малой энергетики. 3. Предложены математические модели СГ, входящих в состав регулируемых и нерегулируемых объектов малой энергетики, таких как ГТУ, ПГУ, ГПУ и ГУБТ, с целью расчета ЭПР СЭПП. Получены расчетные математические модели электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для использования в расчете ЭПР. 4. Разработан и отлажен программный комплекс «КАТРАН 6.0», позволяющий проводить расчет и анализ ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики, при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом работы резкопеременной нагрузки. Программный комплекс апробирован и внедрен в группе режимов ЦЭТЛ и диспетчерской службе цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК». Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №201261209 от 24.02.2012 г.). 5. При помощи созданного программного комплекса с целью апробации разработанных методики и алгоритма осуществлен анализ ЭПР в условиях сложнозамкнутой системы электроснабжения ОАО «ММК», произведена оценка влияния работы резкопеременной нагрузки на качество напряжения и способа представления питающей сети на параметры ЭПР, осуществлен анализ динамической устойчивости синхронных машин при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу. 6. Разработаны и переданы для внедрения мероприятия по повышению эффективности управления ЭПР системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект составляет 1,7 млн. руб. в год за счет сокращения потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятия. 7. Разработанные методика, алгоритм и программный комплекс использованы при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и могут быть рекомендованы для расчета и анализа ЭПР в службах диспетчерского управления крупных промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, независимо от отрасли промышленности.
