Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ особенностей систем электроснабжения промышленных предприятий с ответственными потребителями 1-ой категории и особой группы 14
1.1 Промышленные объекты с потребителями 1-ой категории 14
1.2 Особенности структуры систем гарантированного питания 18
1.3 Независимые (автономные) источники электрической энергии 21
1.3.1 Анализ наиболее распространенных автономных источников электроэнергии для систем электроснабжения промышленных предприятий 22
1.3.2 Обзор перспективных источников электрической энергии 29
1.3.3 Сравнительная оценка различных источников электрической энергии 35
1.4 Структура и классификация агрегатов бесперебойного питания 35
1.5 Коммутационные аппараты в системах гарантированного питания промышленных предприятий 43
1.6 Способы и средства регулирования качества электрической энергии в системах гарантированного питания 43
2 Разработка обобщенной структурной схемы системы гарантированного питания промышленного предприятия 49
2.1 Классификация источников и преобразователей электрической энергии 49
2.2 Технико-экономическое сопоставление статических и вращающихся агрегатов бесперебойного питания 52
2.3 Анализ отечественных и зарубежных источников гарантированного питания и схем их соединения 53
2.4 Сравнение источников гарантированного питания 71
2.5 Исследование особенностей системы электроснабжения нефтеперерабатывающего предприятия 74
2.6 Разработка обобщенной структурной схемы гарантированного питания 79
3 Разработка принципов построения системы гарантированного питания промышленных предприятий 85
3.1 Исследование особенностей построения систем гарантированного питания с нелинейными потребителями электрической энергии 85
3.2 Основное оборудование электрических сетей системы гарантированного питания 91
3.3 Компенсирующие и фильтрующие устройства в системах гарантированного питания 97
3.4 Пример построения принципиальной схемы гарантированного пи тания на основе обобщенной структурной схемы 103
3.5 Основные принципы построения систем гарантированного питания 106
4 Моделирование системы гарантированного питания промышленного предприятия 108
4.1 Разработка математической модели системы гарантированного питания и моделирование систем гарантированного питания с нелинейными потребителями 108
4.2 Моделирование электрической сети системы гарантированного питания 115
4.3 Разработка инженерной методики для расчета несинусоидальных режимов в системах гарантированного питания 119
4.4 Основные концепции проектирования систем гарантированного питания промышленных предприятий : 120
Заключение 125
Список литературы 127
- Промышленные объекты с потребителями 1-ой категории
- Анализ отечественных и зарубежных источников гарантированного питания и схем их соединения
- Исследование особенностей построения систем гарантированного питания с нелинейными потребителями электрической энергии
- Разработка математической модели системы гарантированного питания и моделирование систем гарантированного питания с нелинейными потребителями
Введение к работе
Почти каждое промышленное предприятие содержит в составе нагрузок системы электроснабжения ответственные потребители, которые предъявляют особые требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии. Это потребители I категории по надежности электроснабжения, для питания которых необходимо как минимум два независимых источника электроснабжения и потребители особой группы, требующие бесперебойного электроснабжения как минимум от трех независимых источников /48/.
К приемникам особой группы относятся, в первую очередь различные вычислительные комплексы и центры, системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это - электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктуры- это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий.
С развитием электронной техники, силовой промышленной электроники, вычислительных машин, систем управления на базе компьютерной техники, больших вычислительных центров и т.п. возникли две крупные проблемы:
появились приемники электрической энергии, которые практически не допускают перерывов в электропитании и требуют бесперебойного электроснабжения;
с увеличением доли этих приемников в общей мощности нагрузки
системы электроснабжения (СЭС) ухудшилась электромагнитная
обстановка в питающих сетях, т.е. появилась проблема
электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников
электрической энергии с разными вольтамперными характеристиками, получающими питание от одной сети. К приемникам, требующим бесперебойного электроснабжения относятся, в первую очередь, различные вычислительные комплексы и центры, системы
5 управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это /58, вві - электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктуры - это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий.
Устройства преобразовательной техники: тиристорные регуляторы напряжения и мощности, установки вентильного управления электроприводами, регулируемые источники реактивной мощности, а также ряд других нагрузок (установки точечной сварки, электролизные установки и т.п.) имеют нелинейные вольтамперные характеристики. Нелинейность характеристик промышленных потребителей приводит к потреблению из сети несинусоидальных токов, которые, протекая по элементам сети, вызывают искажения кривой напряжения, т.е. такие потребители являются источниками высших гармоник тока и напряжения в питающей сети.
Высшие гармоники в питающем напряжении вредно воздействуют на ряд приемников электрической энергии. Появляются дополнительные потери в электрических машинах, сетях и трансформаторах, пропускная способность которых снижается. Значительно сокращается срок службы изоляции электрических двигателей, кабелей, конденсаторов. Появляется вероятность возникновения резонансных явлений в сетях с конденсаторными батареями, в батареях конденсаторов, что часто является причиной выхода из строя последних. Ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи, значительно возрастают погрешности измерительных приборов и различного рода датчиков. Высшие гармоники часто являются причиной сбоев в работе вычислительных машин, систем управления вентильными преобразователями и автоматических регуляторов.
Нелинейные нагрузки потребляют из сети значительную реактивную мощность. Дефицит реактивной мощности и генерация в сеть высших гармоник
приводят к ухудшению таких показателей качества электрической энергии как отклонения напряжения и несинусоидальность напряжения, в связи с чем начинают предъявляться повышенные требования к энергетическим характеристикам устройств питания электротехнологических установок. В результате встает вопрос об электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников электрической энергии, получающих питание от одной распределительной сети предприятия.
Приемники первой категории и особой группы (с жесткими требованиями к длительности перерыва электроснабжения) получают питание не менее, чем от трех независимых источников. Для этого в общей схеме системы электроснабжения промышленного предприятия выделяют одну или несколько подсистем переменного или постоянного тока:
бесперебойного питания переменного тока (БП); гарантированного питания переменного тока (ГП); постоянного тока (ПТ); качественного питания на переменном токе (КП).
Эти подсистемы образуют систему гарантированного питания (СГП), являющуюся составной частью системы электроснабжения промышленного предприятия, на котором имеются потребители 1-ой категории и особой группы.
Но потребители особой группы есть не только на промышленных предприятиях, но и в объектах инфраструктуры (вычислительные центры, административные здания, коммерческие и общественные организации и т.п.) /11/. Однако состав этих потребителей несколько отличается от потребителей особой группы промышленных предприятий (1111): если на объектах инфраструктуры к потребителям особой группы относят, в основном, электронные устройства, то на промышленных предприятиях основную долю потребителей особой группы на напряжении 0,4 кВ составляют
7 электродвигатели, суммарная мощность которых может значительно превышать мощность ПОГ объектов инфраструктуры.
СГП включает в себя различное электрооборудование: автономные источники (генераторные агрегаты), электрораспределительные щиты, электрические сети с различными коммутационными аппаратами и преобразователями энергии.
Основным источником для системы электроснабжения промышленных предприятий (СЭС 1111) является энергосистема. СЭС ПП, в свою очередь, является основным источником для СГП. Резервный источник может подключаться как к системе внешнего электроснабжения так и к системе гарантированного питания.
В качестве резервного источника может быть использован другой источник в энергосистеме или независимый источник в виде дизель-генераторной установки, агрегат бесперебойного питания, газотурбинной установки (ГТУ), теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и т.п.
Для питания только потребителей особой группы (пожарные насосы, -вычислительные центры, эвакуационное освещение, АСУ ТП и т.п.) на время перерыва электроснабжения используются аварийные источники. Мощность таких источников на порядок меньше основного и резервного источника. В качестве аварийных источников можно использовать дизель-электрические станции (ДЭС), агрегаты бесперебойного питания с аккумуляторными батареями. Структурный состав СЭС, имеющей потребители 1-ой категории и особой группы представлен на рис. 1.
Например, на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности к потребителям особой группы первой категории, требующих электроснабжения от трех независимых источников электроэнергии, относятся:
Электродвигатели агрегатов воздушного охлаждения (мощность одного двигателя до 75 кВт); Электрозадвижки (мощность от 0,1 кВт до 2 кВт);
Основной источник электроснабжения
Резербнье источники электроснабжения
Сети Внутреннего электроснабжения
Потребители I, II,-категории
Система гарантиробанного электропитания (ГП)
Потребители особой группы
Системы бесперебойного электропитания (БП)
Потребители особой группы
Преобразователь
Система гарантиробанного питания постоянного тока (ПТ)
Потребители особой группы
Аварийные источники электроснабжения
Рис. 1. Структурный состав СГП промышленного предприятия
9 Эвакуационное электроосвещение (до 3 кВт); Система управления технологическим процессом (мощность одного шкафа до 3 кВт); Для обеспечения этих потребителей электроэнергией необходимой мощности и требуемого качества необходимо организовывать несколько шин гарантированного электроснабжения
В качестве аварийных источников электроэнергии на предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности используются дизель-генераторы и агрегаты бесперебойного питания (АБП) на основе герметичных аккумуляторных батарей.
Структуру аналогичную системе гарантированного питания промышленного предприятия имеют автономные системы электроснабжения (АСЭ), для которых внешний источник в виде энергосистемы района может быть (например для телерадиотрансляционной станции), а может и не быть (судовые, авиационные автономные системы электроснабжения), но в отличие от автономных систем4электроснабжения (АСЭ) СГП имеют существенные
-отличия:— —. - — - ..-.
всегда есть внешний источник электроснабжения в виде СЭС 1111; мощность СЭС 1111 существенно больше мощности СГП; СГП осуществляет электроснабжение большого числа потребителей (предприятия нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, металлургические предприятия), в то время как АСЭ предназначены для питания существенно меньшего числа потребителей;
в СГП можно организовать иерархическую структуру питания потребителей, разделив их по ряду признаков (потребители с линейными и нелинейными вольтамперными характеристиками, резкопеременная, постоянная нагрузка, различные требования к качеству электроэнергии и т.д.), что в АСЭ сделать обычно трудно
10
из-за ограничения по массогабаритным характеристикам или
технико-экономическим соображениям;
мощность СГП может быть существенно больше, чем АСЭ;
в СГП для улучшения качества электрической энергии возможно
применение достаточно крупного и габаритного
электрооборудования в виде конденсаторных батарей, источников реактивной мощности, фильтрокомпенсирующих устройств, стабилизаторов напряжения, корректоров мощности и т.п. При работе СГП от независимых источников электроэнергии возможно наложение ряда ограничений, которые необходимо учитывать при построении СГП:
соизмеримость потребляемой и вырабатываемой мощности; большой разброс мощностей потребителей; различные требования электропотребителей к качеству электроэнергии;
подключение потребителей с разными вольтамперными характеристиками к одним шинам;
ограниченный запас электроэнергии в аккумуляторных батареях и топлива для дизельных двигателей. Поэтому разработка системы гарантированного питания и принципов ее построения для промышленных предприятий с потребителями 1-ой категории и особой группы является актуальной задачей и решать ее нужно комплексно с учетом требований бесперебойности электроснабжения и обеспечения электромагнитной совместимости.
Целью диссертационной работы является разработка принципов построения при проектировании системы гарантированного питания для промышленных предприятий с потребителями 1-ой категории и особой группы (на примере нефтеперерабатывающих предприятий).
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:
исследованы особенности обеспечения электроснабжения потребителей особой группы на промышленных предприятиях различных отраслей;
проведен анализ существующих и перспективных источников электрической энергии с целью применения их в СГП в качестве независимых;
сделана классификация источников гарантированного питания;
разработана обобщенная структурная схема СГП для промышленных предприятий;
- разработана математическая модель СГП;
разработана методика оценки коэффициента искажения синусоидальности напряжения в СГП с нелинейными потребителями;
разработаны основные принципы построения СГП;
- сформулированы основные концепции проектирования СГП ПП;
Методы исследования: Для решения поставленных в работе задач
использовались методы, принятые в электротехнике, теории электрических цепей и гармонического анализа, положения основ теории электроснабжения и электрических сетей. Использовалось теоретическое и машинное моделирование.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, справедливость теоретических положений подтверждена соответствующим совпадением результатов машинного и теоретического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведена классификация агрегатов бесперебойного питания по составу
оборудования, по структуре, по источникам питания, допустимому
времени питания потребителей, по способу подключения к внешней
сети электроснабжения;
составлена классификация источников и преобразователей электрической энергии промышленных предприятий;
проведено математическое и машинное моделирование СГП промышленного предприятия;
разработана математическая модель системы гарантированного питания для расчета несинусоидальных режимов;
сформулированы основные концепции структурно-схемного решения СГП с перспективным полупроводниковым оборудованием электрической сети СГП.
Основные практические результаты:
разработана обобщенная структурная схема СГП, на основе которой можно выбрать структуру системы гарантированного питания для конкретного предприятия с конкретными потребитеїями;
предложена инженерная методика расчета несинусоидальных режимов в СГП;
проведено математическое и машинное моделирование СГП ПП;
результаты работы, внедрены в проектную практику ОАО
«ВНИПИнефть» и на Рязанском нефтеперерабатывающем заводе.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались на:
восьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2002 г.);
всероссийской научно-техническая конференция «Электропотребление, энергосбережение, электрооборудование» (г. Оренбург, 2003 г.)
десятой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (г. Москва, 2004 г.);
на научно-технических семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
13 Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения. Список литературы насчитывает 89 наименований. Общий объем составляет 135 страниц, 38 рисунков на 29 страницах, 4 таблицы на 4 страницах, список литературы на 9 страницах.
Промышленные объекты с потребителями 1-ой категории
Почти каждое промышленное предприятие содержит в составе нагрузок системы электроснабжения ответственные потребители, которые предъявляют особые требования к надежности электроснабжения и качеству электрической энергии. Это потребители I категории по надежности электроснабжения, для питания которых необходимо как минимум два независимых источника электроснабжения и потребители особой группы, требующие бесперебойного электроснабжения как минимум от трех независимых источников /48/.
К приемникам особой группы относятся, в первую очередь различные вычислительные комплексы и центры, системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это - электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктуры- это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий.
С развитием электронной техники, силовой промышленной электроники, вычислительных машин, систем управления на базе компьютерной техники, больших вычислительных центров и т.п. возникли две крупные проблемы: появились приемники электрической энергии, которые практически не допускают перерывов в электропитании и требуют бесперебойного электроснабжения; с увеличением доли этих приемников в общей мощности нагрузки системы электроснабжения (СЭС) ухудшилась электромагнитная обстановка в питающих сетях, т.е. появилась проблема электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников электрической энергии с разными вольтамперными характеристиками, получающими питание от одной сети. К приемникам, требующим бесперебойного электроснабжения относятся, в первую очередь, различные вычислительные комплексы и центры, системы управления сложными технологическими процессами (АСУ ТП), системы собственных нужд электростанций, роботизированные производства, эвакуационное освещение, на нефтеперерабатывающих предприятиях это /58, вві - электрозадвижки, аппараты воздушного охлаждения, в объектах инфраструктуры - это серверы различного назначения, электроустановки высотных зданий. Устройства преобразовательной техники: тиристорные регуляторы напряжения и мощности, установки вентильного управления электроприводами, регулируемые источники реактивной мощности, а также ряд других нагрузок (установки точечной сварки, электролизные установки и т.п.) имеют нелинейные вольтамперные характеристики. Нелинейность характеристик промышленных потребителей приводит к потреблению из сети несинусоидальных токов, которые, протекая по элементам сети, вызывают искажения кривой напряжения, т.е. такие потребители являются источниками высших гармоник тока и напряжения в питающей сети. Высшие гармоники в питающем напряжении вредно воздействуют на ряд приемников электрической энергии. Появляются дополнительные потери в электрических машинах, сетях и трансформаторах, пропускная способность которых снижается. Значительно сокращается срок службы изоляции электрических двигателей, кабелей, конденсаторов. Появляется вероятность возникновения резонансных явлений в сетях с конденсаторными батареями, в батареях конденсаторов, что часто является причиной выхода из строя последних. Ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи, значительно возрастают погрешности измерительных приборов и различного рода датчиков. Высшие гармоники часто являются причиной сбоев в работе вычислительных машин, систем управления вентильными преобразователями и автоматических регуляторов. Нелинейные нагрузки потребляют из сети значительную реактивную мощность. Дефицит реактивной мощности и генерация в сеть высших гармоник приводят к ухудшению таких показателей качества электрической энергии как отклонения напряжения и несинусоидальность напряжения, в связи с чем начинают предъявляться повышенные требования к энергетическим характеристикам устройств питания электротехнологических установок. В результате встает вопрос об электромагнитной совместимости (ЭМС) приемников электрической энергии, получающих питание от одной распределительной сети предприятия. Приемники первой категории и особой группы (с жесткими требованиями к длительности перерыва электроснабжения) получают питание не менее, чем от трех независимых источников. Для этого в общей схеме системы электроснабжения промышленного предприятия выделяют одну или несколько подсистем переменного или постоянного тока: бесперебойного питания переменного тока (БП); гарантированного питания переменного тока (ГП); постоянного тока (ПТ); качественного питания на переменном токе (КП). Эти подсистемы образуют систему гарантированного питания (СГП), являющуюся составной частью системы электроснабжения промышленного предприятия, на котором имеются потребители 1-ой категории и особой группы. Но потребители особой группы есть не только на промышленных предприятиях, но и в объектах инфраструктуры (вычислительные центры, административные здания, коммерческие и общественные организации и т.п.) /11/. Однако состав этих потребителей несколько отличается от потребителей особой группы промышленных предприятий (1111): если на объектах инфраструктуры к потребителям особой группы относят, в основном, электронные устройства, то на промышленных предприятиях основную долю потребителей особой группы на напряжении 0,4 кВ составляют электродвигатели, суммарная мощность которых может значительно превышать мощность ПОГ объектов инфраструктуры. СГП включает в себя различное электрооборудование: автономные источники (генераторные агрегаты), электрораспределительные щиты, электрические сети с различными коммутационными аппаратами и преобразователями энергии. Основным источником для системы электроснабжения промышленных предприятий (СЭС 1111) является энергосистема. СЭС ПП, в свою очередь, является основным источником для СГП. Резервный источник может подключаться как к системе внешнего электроснабжения так и к системе гарантированного питания.
Анализ отечественных и зарубежных источников гарантированного питания и схем их соединения
На основе анализа литературы /2, 18, 35, 36, 37, 56,/ было выявлено, что при разработке автономных источников энергии (АИЭ) к ним предъявляется ряд требований, основными из которых являются: .. - повышение экономичности и увеличение ресурса работы; снижение массы и габаритов при одновременном увеличении установленной мощности; увеличение КПД и повышение надежности; повышение стабильности и точности поддержания параметров электроэнергии в условиях действия таких дестабилизирующих факторов, как переменная частота вращения приводного двигателя, изменяющиеся значение и характер нагрузки, параллельная работа с другими источниками; обеспечение простоты и безопасности эксплуатации. Общий обзор разработок ведущих зарубежных фирм /62/ показывает, что главными направлениями развития двигателестроения до 2000 г. остаются совершенствование и оптимизация рабочего процесса для повышения эксплуатационных показателей ДД. Кроме того, значительное внимание уделяется совершенствованию ГТД, развитию и внедрению двигателей Стирлинга (ДС) и адиабатных двигателей (АД).
В настоящее время в США налажен серийный выпуск ДС, КПД которых равен 0,35 /3, 62/. Показатели ДС - экономичность, компактность и удельная мощность - такие же, как у современных ДД. Кроме того, ДС имеет ряд преимуществ: практически полное отсутствие вибрации и шума вследствие непрерывности (а не вспышками, как в ДД) процесса горения топлива в ДС и хорошей сбалансированности цилиндров; возможность использования в ДС любого источника теплоты, включая солнечную энергию, ядерный реактор и даже радиоизотопы. Основными недостатками ДС являются относительная сложность конструкции, высокая стоимость производства и более сложная система регулирования, чем у ДД.
Развитие ГТД зависит от уровня разработки отдельных его агрегатов с применением новых материалов. Совершенствование металлокерамических и керамических материалов будет способствовать дальнейшему развитию ГТД.
Весьма, перспективны, адиабатньїеідвигатели (АД), экономичность работы которых может быть повышена до уровня, практически не достижимого для ДД. Расчетные исследования на физических моделях показывают, что КПД АД может доходить до 0,59, а анализы патентов прогнозируют его значение до 0,64 /3/, при этом ожидаемый расход топлива- не более 150 г/(кВт-ч).
Одним из перспективных направлений являехя использование в АИЭ комбинированных свободнопоршневых двигателей (КСПД), состоящих из свободнопоршневого генератора газа и газовой турбины. Эти двигатели относят к классу ГТД. Вследствие отсутствия кривошипно-шатунного механизма, уменьшенного объема радиатора охлаждения и отсутствия пускового устройства (аккумуляторных батарей, стартера) масса КСПД примерно в 1,5-2 раза меньше, чем ДД такой же мощности /3/. Важное преимущество КСПД - способность работать на низкосортном, вязком и сернистом топливах.
Расчетно-конструктивные проработки позволили определить ожидаемые параметры КСПД: удельная масса - 3,5 - 5,4 кг/кВт, КПД - 0,45 -0,55, ресурс до капитального ремонта - не менее 6000 ч. Кроме того, в США разработаны двигатели средней мощности с частотой вращения турбины 100 000 об/мин, КПД которых достигает 0,6, удельная масса не превышает 1,1 кг/кВт и ресурс работы равен 30 000 ч. Основной общий с ГТД недостаток КСПД- неэкономичность работы в режимах холостого хода и малых нагрузок.
В последние годы в автономной энергетике большое внимание уделяется весьма перспективным источникам электроэнергии - асинхронизированным СГ (АСГ), представляющим собой синтез собственно электрической машины и силового преобразователя. Эти агрегаты устойчиво работают во всех требуемых по условиям эксплуатации режимах, обеспечивая тем самым экономичность приводного двигателя и увеличивая ресурс его работы. Основные недостатки АСГ: большая удельная масса, сложные силовая часть и система управления-Последнее.снижает их надежность.
Одно из направлений качественного улучшения характеристик АИЭ -разработка и внедрение бесконтактных электрических машин, обладающих высокой надежностью, работающих с повышенными электромагнитными и механическими нагрузками и имеющих улучшенные масссгабаритныё и энергетические показатели.
Перспективными бесконтактными источниками электроэнергии являются СГ с вращающимися выпрямителями (СГВВ), СГ с постоянными магнитами (СГПМ), асинхронные генераторы с конденсаторным возбуждением (АГ) и вентильные генераторы (ВГ) /18/. Значение КПД современных СГВВ достигает 0,90 - 0,94. Наиболее компактные СГВВ разработаны и внедрены за рубежом для авиационных систем энергопитания. При мощностях 30 - 120 кВА и частотах вращения 6000 - 9000 об/мин они имеют уделшую массу 0,72 - 1,26 кг/(кВ А).
Недостатки СГВВ связаны с относительно сложной силовой электрической схемой, наличием на роторе обмоток и полупроводниковых вентилей, что снижает надежность работы, ограничивает предельно допустимые частоты вращения ротора.
Синхронные генераторы с постоянными машитами обычного исполнения при интенсивном воздушном охлаждении, частотой вращения 8000- 12 000 об /мин и мощностях 20 - 60 кВА имеют КПД 0,89-0,91 и удельную массу 1,2-1,6 кг/(кВА). У разработанных же в США компактных СГПМ с использованием редкоземельных материалов мощностью 110 кВт удельная масса составляет 0,15 кг/кВт.
Применение асинхронных генераторов (АГ) /18/ долгое время сдерживалось в основном по двум причинам: из-за отсутствия малогабаритных конденсаторов, обеспечивающих возбуждение генератора, а также вследствие сложности стабилизации напряжения. По мере совершенствования конденсаторов непрерывно- снижаются .их -.масса и стоимость. Благодаря развитию полупроводниковой техники, исполвуемой в устройствах стабилизации напряжения АГ, и появлению высокоскоростных приводных двигателей КСПД с улучшенными технико-экономическими показателями в настоящее время создаются условия для применения АГ в качестве источника питания в том числе и в автономной энергетике.
По расчетно-конструктивным проработкам при мощностях 20-60 кВт и частотах вращения 18 000 - 24 000 об/мин АГ имеют КПД 0,91 - 0,94 я удельную массу 0,5 - 1,0 кг/кВт. Кроме того, важное преимущество АГ в сравнении с СГ -относительно легкое включение на параллельную работу (не требует сложной аппаратуры), что является важным показателем в многоагрегатных системах при необходимости увеличения установленной мощности АИЭ.
Исследование особенностей построения систем гарантированного питания с нелинейными потребителями электрической энергии
Структура СГП определяется потребителями электроэнергии, а критериями ее эффективности являются коэффициент полезного действия, показатели надежности электроснабжения и качество электроэнергии, суммарные затраты, связанные со стоимостью и эксплуатацией /10/. Коэффициент полезного действия определяет эффективность преобразования электроэнергии в СГП.
Надежность СГП характеризуется надежностью электроснабжения ответственных потребителей, т.е. источники и преобразователи электроэнергии следует резервировать, что удорожает систему в целом.
Требования к качеству электроэнергии определяются потребителями и непосредственно влияют на конструктивные и схемные особенности СГП и стоимость источников и преобразователей электроэнергии.
От параметров электроэнергии зависят характеристики СГП, поэтому при выборе рода тока и соответственно источника необходимо учитывать следующие факторы..... Системы переменного тока имеют компактные электрические машины, преобразователи электроэнергии и коммутационные устройства. Основные их недостатки - относительная сложность параллельной работы и увеличенные сечения проводов.
Системы постоянного тока характеризуются относительно малыми сечениями проводов, достаточно простым регулированием напряжения генераторов и простотой параллельной их работой. Однако основными их недостатками являются: усложненная коммутация цепей и необходимость в преобразовании электроэнергии. Коллекторные машины имеют пониженные показатели надежности.
Выбор номинального напряжения и мощности СГП определяется рядом факторов. Низкие значения напряжения приводят к большим токам и потерям, сопровождаются трудностями регулирования и стабилизации параметров. При высоких значениях напряжения предъявляются повышенные требования к изоляции проводников. При этом необходимо учитывать, что значения номинального напряжения сильно влияют на массу распределительных устройств. Выбор мощности СГП осуществляется согласно перегрузочной способности источника гарантированного питания и согласно метода расчета нагрузок, используемых при проектировании СЭС ПП такие как: - метод коэффициента спроса; - метод удельных плотностей; - метод технологического графика; - метод упорядоченных диаграмм; - статистические методы; - вероятностные методы.
При выборе приводных двигателей для источников электроэнергии необходимо учитывать, что дизельные двигатели практически достигли своего совершенства. Можно ожидать лишь незначительного улучшения их характеристик. В настоящее время уделяется внимание совершенствованию адиабатных двигателей, экономичность работы которых может быть повышена до уровня, практически не достижимого для дизельных двигателей. Прогнозируемое значение КПД адиабатных двигателей - до 0,64, а расход топлива - не более 150 г/( кВт ч)/16/.
Одно из перспективных направлений - применение высокоскоростных приводных двигателей, характеристики которых значительно улучшаются при использовании металлокерамических материалов. Здесь широкие перспективы открываются перед комбинированными свободно-поршневыми двигателями, КПД которых может достигать 0,6, удельная масса не превышает 1,1 кг/кВт, а ресурс работы составляет 30 000 ч. /16/.
На основании выше изложенного, а также анализа литературы /4, 6, 18, 20, 27/, была разработана обобщенная структурная схема системы гарантированного питания для промышленных предприятий (рис. 2.15).
Она безусловно избыточна, но на ее основе можно составить структурную схему для конкретного предприятия с конкретными потребителями первой категории и особой группы.
Обобщенная схема СГП имеет два независимых ввода от РУ-10 кВ главной понизительной подстанции ГПП предприятия на шины СГП (ШСГП). Резервный источник может быть один на две секции шин или два отдельных на каждую из секций РУ-10 кВ. Как правило, это дизель-электрическая станция, а в качестве преобразователей могут применяться электромеханические или статические АБП.
В нормальном режиме работы СГП получает питание от шин ШСГП, которые находятся в РУ-0,4 кВ трансформаторной подстанции ТП с трансформаторами ТЗ и Т4. Главные шины системы гарантированного питания ГШГП соединены с шинами ШСГП через источник бесперебойного питания АБП. При больших мощностях АБП может быть построен по модульному принципу (АБП! ... АБПп).
Модуль АБП может быть выполнен, например, по схеме рис. 2.10. Модуль АБП. включает в себя-статический ИБП с аккумуляторной батареей АБ, вращающийся АБП с двигатель-генератором Д-Г, маховиком М и пусковым синхронным двигателем ПД малой мощности, тиристорный выключатель ТВ с токоограничивающим реактором Р. Аккумуляторная батарея находится в режиме непрерывного подзаряда. АБП и ТВ в нормальном режиме работают параллельно, причем 95% мощности передается через ТВ, а 5% - через АБП. Это позволяет удерживать АБП в рабочем состоянии. Имеется резервирование всего ИГП (байпас) с помощью автоматического выключателя В1 с катушкой на включение и отключение.
Разработка математической модели системы гарантированного питания и моделирование систем гарантированного питания с нелинейными потребителями
Рассматриваемые ниже полупроводниковые устройства не относятся к потребителям электрической энергии, получающим питание от системы гарантированного питания. Эти устройства являются оборудованием электрической сети СГП как провода, кабели, выключатели и пр.
Основными полупроводниковыми устройствами являются статические агрегаты бесперебойного питания АБПС, имеющие в своем составе выпрямитель и инвертор /30, 47, 89/. Выпрямители в трехфазных сетях низкого напряжения могут быть выполнены по разным схемам (трехфазная мостовая, -трехфазная-нулевая, 12-ти-фазная и-т.д.).-Но для АБПС -чаще используется трехфазная мостовая либо полууправляемая, либо с управляемыми вентилями во всех шести плечах моста. Инверторы в АБПС, как правило, это автономные инверторы напряжения. Схемы выпрямителей и инверторов общеизвестны /70/ и поскольку АБПС предназначены для работы в качестве аварийных источников питания, т.е. должны быть рассчитаны на полную мощность нагрузки в СГП, то они должны быть выполнены на тиристорах или силовых транзисторах.
АБПС серийно выпускаются отечественной и зарубежной промышленностью. Для питания цепей постоянного тока используются блоки питания, состоящие из выпрямителя ( 380 В/- 115 или 230) и фильтрующего устройства (либо Г-образный фильтр, либо емкостной) /8, 52, 76/. Схема выпрямителя мостовая или нулевая на неуправляемых вентилях. Использование в качестве коммутирующих аппаратов механических контакторов и автоматических выключателей возможно в тех случаях, когда потребители в СГП допускают кратковременные перерывы питания в пределах времени срабатывания этих аппаратов. Так, для контакторов постоянного и переменного тока минимальное собственное время отключения составляет 0,03-0,04 с, а для автоматических выключателей -0,02с. Поэтому в СГП, особенно при потребителях не терпящих перерыва питания, возможно применение электронных контакторов. Последние могут быть разделены на три группы: транзисторные, тиристорные и гибридные. Транзисторные контакторы по принципу действия работают в ключевом режиме, для обеспечения которого требуются достаточно большие рабочие ток и напряжение. Поэтому они чаще всего используются при небольших напряжениях до 60-120 В, при токах до 50-100 А. Транзисторные контакторы в цепях постоянного тока выгодно отличаются от тиристорных - отсутствием специальных узлов коммутации. Однако они имеют ряд недостатков: в состоянии «включено» падение напряжения на транзисторе составляет около 1В, что приводит при токах порядка 10А и выше к большим потерям мощности; для поддержания транзистора в положении «включено» требуется постоянная подача сигнала управления и мощность управления составляет заметную долю в общей мощности потерь; в состоянии «выключено» транзистор проводит некоторый обратный ток, что также вызывает потери мощности. Тиристорный контактор удовлетворяет требованиям к обоим стационарным состояниям лучше, чем транзисторный, и обеспечивает большую коммутируемую мощность. В цепях переменного тока время включения этих контакторов составляет 0,5 мс, а время отключения 3,33 мс. Гибридные (комбинированные контакторы) представляют собой комбинацию тиристорного и механического контактора (рис. 3.3а). Тиристоры в таком аппарате нагружены током только во время процессов включения и отключения и не должны рассчитываться на пропускание тока короткого замыкания. Тиристоры в гибридных аппаратах с успехом могут быть заменены симисторами (рис. 3.3,6). Агрегаты бесперебойного питания и коммутационные аппараты на базе силовых полупроводниковых приборов постоянно совершенствуются, в основном, за счет появления новой элементной базы: полюстью управляемых тиристоров, симисторов, силовых транзисторов и транзисторных сборок. Что касается устройств повышающих качество электрической энергии, то здесь имеются новые разработки, использующие эффект активной фильтрации высших гармоник тока и напряжения. Для поддержания постоянства частоты на выходе АБПВ может быть использован статический преобразователь частоты, выполненный либо на базе нулевой схемы, либо - на базе трехфазной мостовой схемы, поскольку приводными --двигателями синхронных генераторов во вращающихся АБП, кроме дизельных, могут быть турбины различных типов: газовые, реактивные, турбодетандеры. Скорости вращения последних не всегда постоянны. Это полупроводниковое оборудование электрических сетей СГП вносит дополнительные электромагнитные помехи, влияющие на качество электрической энергии. Для борьбы с высшими гармониками в СГП могут использоваться различные фильтрующие устройства, а для поддержания качества электрической энергии по напряжению - различные способы и средства регулирования напряжения /50, 69, 71/.
