Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и проблемы управления режимами систем электроснабжения крупных промышленных предприятий при раздельной работе с энергосис темой 13
1.1. Аналитический обзор исследований по методам управления режимами электроэнергетических систем и систем электроснабжения промышленных предприятий 13
1.2. Аналитический обзор методов расчета установившихся режимов 16
1.3. Аналитический обзор методов расчета переходных режимов 20
1.4. Аналитический обзор методов анализа статической устойчивости 23
1.5. Аналитический обзор методов анализа динамической устойчивости...28
1.6. Цели и задачи исследования 30
2. Моделирование и расчет установившихся и переходных режимов систем электроснабжения 32
2.1.Постановка задачи моделирования режимов систем электроснабжения промышленных предприятий 32
2.2. Методика расчета установившегося режима при параллельной работе системы электроснабжения промышленного предприятия с энергосистемой 35
2.3. Методика расчета установившегося режима при выходе на раздельную с энергосистемой работу 43
2.4. Исследование статической устойчивости генераторов собственных электростанций промышленного предприятия при параллельной и разельной работе с энергосистемой 44
2.5. Методика расчета переходного режима при параллельной с энергосистемой работе 49
2.6. Методика расчета переходного режима при выходе на раздельную с энергосистемой работу 56
3. Математические модели элементов системы электроснабжения и потребителей электроэнергии с учетом изменения частоты и напряжения 60
3.1. Постановка задачи моделирования 60
3.2. Математические модели источников питания и элементов сети 62
3.3.Математические модели электроприемников промышленного предприятия 67
3.4. Математические модели комплексной нагрузки 83
4. Исследование режимов системы электроснабжения ОАО «ММК» с помощью вычислительного эксперимента 86
4.1.Постановка задачи исследования 86
4.2. Техническо-экономические характеристики объекта исследования 87
4.3.Исследование графиков электрических нагрузок узла ЦЭС ОАО «ММК» 91
4.4. Определение регулирующего эффекта электрических нагрузок ОАО «ММК» 93
4.5.Расчет и анализ переходных режимов при параллельной работе узла ЦЭС-ПВЭС с энергосистемой 99
4.6. Расчет и анализ переходных режимов при выходе узла ЦЭС-ПВЭС ОАО «ММК» на раздельную с энергосистемой работу 102
4.7. Исследование статической устойчивости узла ЦЭС-ПВЭС при параллельной с энергосистемой и автономной работе 108
4.8. Разработка рекомендаций по использованию результатов работы... 110
5. Оценка вычислительной эффективности алгоритма и достоверности полученных в ходе исследования результатов 112
5.1.Описание программной реализации полученных алгоритмов расчетов 112
5.2. Оценка сходимости расчета режима при раздельной работе с энергосистемой электрических сетей промышленного предприятия с собственными электростанциями 116
5.3. Оценка погрешности при определении критериев устойчивости переходных и параметров установившихся режимов при неточном задании генерируемых и потребляемых мощностей 122
5.4. Оценка погрешности определения критериев устойчивости при различных временных интервалах и при неточности здания технических данных систем регулирования 130
Заключение 135
Библиографический список 137
Приложения 151
- Аналитический обзор методов расчета установившихся режимов
- Методика расчета установившегося режима при параллельной работе системы электроснабжения промышленного предприятия с энергосистемой
- Математические модели источников питания и элементов сети
- Техническо-экономические характеристики объекта исследования
Введение к работе
Актуальность проблемы. Условия функционирования и управления системой электроснабжения промышленного предприятия, как правило, тесно связаны с социальной и экономической обстановкой в государстве. В настоящее время при переходе государства к рыночным отношениям в энергетике промышленным предприятиям становится выгодным использовать электроэнергию, вырабатываемую собственными электростанциями Поэтому одной из современных тенденций является увеличение крупными промышленными предприятиями собственных генерирующих мощностей, что способствует повышению надежности электроснабжения потребителей.
Изначально собственные электростанции промышленных предприятий строились с целью производства тепловой энергии и обеспечения надежности электроснабжения потребителей особой группы Основным источником электроэнергии являлась энергосистема В таких условиях обеспечивалось централизованное управление и не наблюдалось коммерческого вмешательства в вопросы электроснабжения В настоящее время изменяется назначение собственных источников электроэнергии, они считаются наиболее экономичными и надежными, поскольку в условиях рыночных отношений не исключено ухудшение режима работы потребителей не только по причине аварий, но и по экономическим соображениям В частности, возможно отключение питающих линий при несоблюдении определенных договорных условий Отсутствие единой технической политики также усложняет условия оперативного управления режимами
Поскольку условия работы системы электроснабжения промышленного предприятия (СЭПП) не исключают отделения СЭПП от энергосистемы при нарушении установившегося режима или после короткого замыкания, то с целью повышения надежности электроснабжения потребителей необходимо определить условия сохранения статической и динамической устойчивости энергоузла
Первоначально, в период развития электроэнергетики, был принят курс на объединение электроэнергетических систем, поэтому научные исследования были ориентированы на расчеты установившихся и переходных режимов крупных энергообъединений В связи с этим в разработанных методиках расчетов обычно используется ряд допущений, в частности, наличие балансирующего узла, упрощенное представление нагрузок независимо от параметров режима и от их состава, так как неизменность последних гарантировалась государством, упрощенные методы оценки параметров режима Вопросы устойчивости, как статической, так и динамической, также в наибольшей степени изучены применительно к крупным энергосистемам и крайне ограниченно рассмотрены применительно к СЭПП.
В этой связи для крупных промышленных предприятий, имеющих соб-
ственные электростанции, является актуальной разработка простых и удобных методов расчета установившихся и переходных режимов, а также оценки статической и динамической устойчивости при автономной работе
Актуальность рассматриваемых вопросов подтверждается также необходимостью практической реализации Федерального закона «Об энергосбережении в Российской Федерации», основными положениями энергетической стратегии развития России до 2020 года, постановлением Правительства РФ № 80 «О федеральной целевой профамме «Энергосбережение России на 1998-2005 гг.», «Основных направлений энергосбережения в Челябинской области до 2010 года», «Профаммой энергосбережения и развития энергохозяйства ОАО «ММК» на 1997-2010 г г », а также выполненными НИР в МГТУ работа по договору с ОАО «ММК» «Разработка профаммного обеспечения расчета и анализа устойчивости узла нафузки ЦЭС - ПВЭС при выходе на раздельную работу» и работа в рамках ведомственной научной профаммы «Развитие научного потенциала высшей школы» по проекту «Разработка методов оперативного управления режимами электроснабжения и электропотребления крупных металлургических предприятий с целью повышения их энергоэффективности»
Степень научной разработанности проблемы. Методы расчета режимов крупных энергосистем разрабатывались В А. Вениковым, В И Идель-чиком, Л А Жуковым Моделированием генераторов и нафузки в расчете режимов занимались Ю.Е Гуревич, Л М Горбунова, Р С Рабинович, И А Сыромятников Вопросы статической и динамической устойчивости применительно к энергообъединениям были исследованы В А Вениковым, П С Ждановым. Вопросы устойчивости автономных режимов освещены в работах М С Ершова, А В Егорова, Е К Лоханина, А Н Мадонова. Однако в указанных источниках не рассмотрены вопросы устойчивости при внезапном выходе СЭПП на раздельную работу, а используемые способы представления нафузок не отражают технологический состав электроприемников
Целью работы является повышение эффективности управления режимами СЭПП, имеющих собственные электростанции, за счет прогнозирования параметров режимов и показателей устойчивости при автономной работе
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
1. Получить математические модели генераторов собственных электро
станций с учетом действия их автоматических регуляторов возбуждения и
скорости, основных потребителей и комплексных нафузок промышленно
го предприятия с целью расчета установившихся и переходных режимов
при раздельной и параллельной работе с энергосистемой.
2. Разработать методику определения регулирующего эффекта ком
плексной нафузки потребителей промышленного предприятия с учетом
потерь в распределительных сетях
Предложить метод оперативного расчета и анализа эксплуатационных нормальных, ремонтных и послеаварийных установившихся режимов при раздельной работе с энергосистемой
Получить метод расчета переходных режимов и динамической устойчивости при параллельной работе с энергосистемой и внезапном выходе системы электроснабжения с собственными электростанциями на раздельную с энергосистемой работу
Разработать метод определения запаса статической устойчивости синхронных генераторов собственных электростанций и электродвигателей промышленного предприятия с учетом регулирующего эффекта комплексной нагрузки
6. Осуществить программную реализацию разработанных методов.
7 Провести анализ режимов в условиях узла системы электроснабжения центральная электростанция - паровоздуходувная электростанция (ЦЭС — ПВЭС) ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК») при помощи разработанной программы и дать рекомендации по сохранению устойчивости при аварийном отделении от энергосистемы
Методы исследования. Решение поставленных задач проводилось на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории статической и динамической устойчивости, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, усовершенствованного метода последовательного эквивалентирования, метода статистических испытаний, методов математической статистики. Исследования проводились с помощью оригинального программного обеспечения
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается
соответствием результатов вычислительного эксперимента экспериментальным данным и статистике аварийных ситуаций,
корректным использованием методов последовательного эквивалентирования, последовательных интервалов, статистических испытаний,
3) использованием реальных технических характеристик оборудования
Научная новизна.
1. Для оперативного управления режимами диспетчерской службой разработан новый метод расчета установившихся режимов автономно работающей СЭПП, имеющей в составе собственные электростанции, предусматривающий учет статических характеристик генераторов и регулирующего эффекта нагрузки по частоте и напряжению на основе модифицированного метода последовательного эквивалентирования
2 Предложен усовершенствованный метод расчета переходного процесса, основанный на применении модифицированного метода последовательного эквивалентирования в сочетании с методом последовательных интервалов, позволяющий оценивать динамическую устойчивость при вы-
ходе СЭПП с собственными электростанциями на раздельную с энергосистемой работу.
Создана усовершенствованная методика определения регулирующего эффекта основных электроприемников и потребителей по частоте и напряжению питающей сети, предназначенная для анализа нормальных, утяжеленных и послеаварийных режимов в условиях системы электроснабжения промышленного предприятия
Предложена методика получения регулирующего эффекта комплексной нагрузки предприятия по частоте и напряжению при известном долевом соотношении различных приемников в рассматриваемом узле, учитывающая разнородный состав его потребителей
На основе метода последовательного утяжеления разработан метод определения действительного предела передаваемой мощности как при параллельной с энергосистемой, так и автономной работе, предназначенный для оценки статической устойчивости в условиях системы электроснабжения промышленного предприятия
Практическая значимость результатов работы.
1 Разработанное программное обеспечение позволяет выполнять анализ устойчивости при планировании и оперативном управлении режимами в узлах нагрузки крупных промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции
2. Разработанная программа для ЭВМ дает возможность задавать ограничения по активной и реактивной мощности при определении экономически целесообразного режима работы электростанции, с целью обеспечения устойчивости
Использование программного обеспечения дает возможность оперативному персоналу прогнозировать возможность появления аварийных ситуаций, осуществлять своевременное вмешательство в работу СЭПП и тем самым повышать надежность и экономичность
Разработанная программа расчета установившихся и переходных режимов позволяет оперативному персоналу использовать ее в режиме «советчик диспетчера» для предотвращения ошибочных решений
Использование программного обеспечения дает возможность оперативному и диспетчерскому персоналу оценить эффективность работы релейной защиты и противоаварийной автоматики
Реализация результатов работы.
Разработана программа расчета как автономных установившихся, так и переходных режимов работы систем электроснабжения при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу, прошедшая официальную регистрацию в Федеральной службе «Роспатент»
Сформирована база данных по системам регулирования скорости, синхронным генераторам, устройствам автоматического регулирования возбуждения, высоковольтным двигателям узла ЦЭС - ПВЭС системы
электроснабжения ОАО «ММК», предназначенная для выполнения расчетов режимов с помощью разработанного программного обеспечения
Разработанная программа использована для оперативного прогнозирования нормальных эксплуатационных и аварийных режимов, для оценки статической и динамической устойчивости, а также эффективности действия релейной защиты и автоматики в условиях узла ЦЭС - ПВЭС системы электроснабжения ОАО «ММК»
Разработанная программа расчета режимов прошла апробацию в Центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) ОАО «ММК» и диспетчерском пункте ЦЭС, получила положительные оценки и внедрена
5. Разработаны и внедрены мероприятия по использованию результатов работы, позволяющие повысить надежность работы синхронных генераторов ЦЭС и снизить недовыработку электроэнергии в сети ОАО «ММК» Ожидаемый экономический эффект от внедрения программного обеспечения составляет 1051,9 тыс. руб /год
6 Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе на практических занятиях по курсу «Переходные процессы в электроэнергетических системах», при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 140211, а также при повышении квалификации руководящих работников энергослужб
Основные положения, выносимые на защиту
1 Метод расчета и анализа эксплуатационных нормальных, ремонтных
и послеаварийных установившихся режимов при автономной работе
сэпп.
Метод расчета и анализа переходных режимов при выходе системы электроснабжения промышленного предприятия на раздельную с энергосистемой работу
Методика определения регулирующего эффекта отдельных электроприемников промышленного предприятия и комплексных нагрузок
Метод определения действительных пределов выдаваемых генераторами мощностей при параллельной и раздельной с энергосистемой работе
5. Методика оценки погрешности расчета переходного процесса при выходе электростанции с нагрузками на раздельную с энергосистемой работу
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельных ее" глав докладывались и обсуждались на Федеральной научно-технической конференции «Электроснабжение. Электрооборудование Энергосбережение » (г Новомосковск, 2002 г ), Третьей Всероссийской школе-семинаре молодых ученых и специалистов (г Москва, 2006 г), Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие и природоохранные технологии» (Улан-Удэ, 2005 г), Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию ЛІТУ (г. Липецк, 2006 г.), Международной научно-технической конференции молодых специалистов (г. Маг-
нитогорск, ОАО «ММК», 2006 г), всероссийских научно-технических конференциях аспирантов и молодых ученых «Энергетики и металлурги -настоящему и будущему России» (г Магнитогорск, 2002 г, 2006 г ), ежегодной конференции МГТУ по итогам научно-исследовательских работ (2004 г), научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г И Носова
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Известия вузов Электромеханика», рекомендованном ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, библиографического списка из 138 наименований и 6 приложений Объем работы включает 150 страниц, включая 57 рисунков и 15 таблиц
Аналитический обзор методов расчета установившихся режимов
Одной из основных задач при планировании как установившихся, так и переходных режимов является расчет параметров установившихся режимов работы.
Основные методы математического описания установившихся режимов сложной электрической системы и расчета таких режимов изложены в работах В.А. Веникова [101], [102], А.А. Глазунова [23], Л.А. Жукова [37], В.И. Идель-чика [40] и ряде других. В настоящее время существует значительное количество методов расчета параметров установившихся режимов. Все эти методы основываются на решениях уравнений состояния цепи Ома и Кирхгофа и могут быть разделены на несколько характерных групп.
Непосредственное решение основных уравнений состояния может быть произведено матричным методом и позволяет сразу определять все параметры режима рассматриваемой схемы. При этом могут применяться принцип нало 17 жения и метод разрезания контуров [37]. Однако такие методы не являются удобными при разветвленных сетях, поскольку требуют составления значительного числа уравнений. Поэтому применение находят нижеприведенные методы, позволяющие упростить расчеты.
Во-первых, это методы, основанные на преобразовании уравнений Кирхгофа. Преобразования могут носить как формальный характер, так и учитывать особенности конфигурации сети. Целью преобразований в этом случае является уменьшение операций с нулевыми элементами, что уменьшает время расчетов. К таким методам расчета относятся метод исключения контуров сети, метод определяющих величин, метод узлового анализа и ряд других.
К другой группе относятся методы, в основу которых положено разбиение сложной системы на отдельные подсистемы, а схемы - на подсхемы. Такие методы применяются при расчетах режимов сложных схем и требуют составления уравнений как для отдельных выделенных подсхем, так и связей между этими подсхемами. Впервые такая идея была сформулирована С.А. Лебедевым [50], после чего нашла широкое применение. Недостатком таких методов является то, что разбиение на подсистемы желательно выполнять не произвольно, а с учетом положения магнитных и индуктивных связей. В противном случае расчеты усложнятся.
Разбиение системы на подсистемы, по сути, является одним из частных случаев эквивалентирования. Методы, использующие эквивалентирование, выделяются в отдельную группу и позволяют упростить расчет параметров установившихся режимов [37]. При этом уменьшается число элементов в расчетной схеме замещения и, следовательно, уменьшается количество уравнений состояния. Эквивалентирование элементов схем может быть произведено по различным критериям эквивалентности. Количество таких критериев определяется задачей эквивалентирования. Так, к наиболее простому виду эквивалентирования может быть отнесена замена нагрузок постоянными проводимостями. Другим критерием, служащим для упрощения нелинейных моделей, может быть отнесена синфазность движения роторов генераторов [9]. Эквивалентировние может производиться как без объединения ветвей генераторных станций, так и при их объединении [101]. Могут применяться как точные, так и приближенные методы эквивалентирования. Недостатками таких методов является снижение точности расчетов вследствие упрощения уравнений состояния, а также за счет нелинейности ряда уравнений.
В отдельную группу могут быть вынесены и методы расчетов, основанные на теории многополюсников. При этом сложная сеть заменяется эквивалентной ей более простой. Принцип такого метода изложен в [68].
Для реализации перечисленных методов расчета параметров режимов необходимо применение ряда математических методов, в том числе и методов численного решения уравнений, причем выбор метода влияет на результат.
К наиболее распространенным математическим подходам, применяемым при расчетах установившихся режимов, относятся простое обращение матриц, что связано с громоздкими преобразованиями; обращение матриц методом разбиения на клетки; обращение квазидиагональных матриц; обращение матриц методом окаймления и ряд других, представленных в [37], [101].
Кроме того, задача определения параметров установившихся режимов связана с решением систем как линейных, так и нелинейных алгебраических уравнений.
Для решения линейных уравнений могут быть применены методы упорядоченного исключения переменных, например, метод Гаусса; метод простой итерации; метод ускоренной итерации Зейделя.
Решение систем нелинейных уравнений, необходимое по причине нелинейности характеристик большинства элементов электрической цепи, может быть осуществлено методом Ньютона, имеющего хорошую сходимость; методом минимизации; методом Гаусса-Зейделя; градиентным методом и рядом других [101]. В этом случае расчеты имеют итерационный характер, параллельно исследуются вопросы существования, единственности или многозначности решений, а также сходимости итерационного процесса [102].
Кроме того, для расчетов параметров режима могут применяться топологические методы [37], [102], к которым относятся метод графов сети, метод сигнальных графов и метод графов потока. Элементы теории графов примени 19 тельно к расчету сетей изложены в [101]. При сложноразветвленных схемах применение таких методов затруднено.
Очевидно, что большинство представленных методов требуют составления ряда сложных, и, чаще всего, нелинейных уравнений, а также предполагают наличие балансирующего узла. При этом нагрузки учитываются приближенно, без учета их статических характеристик. Кроме того, при расчете режимов автономной работы системы электроснабжения возникает вопрос определения установившейся частоты, поскольку первоначально генерирующие и потребляемые мощности могут быть несбалансированны. Баланс мощностей в отсутствии астатических автоматических регуляторов будет достигнут только с изменением частоты.
Вопросы расчетов установившихся режимов с учетом изменения частоты рассматривались такими учеными, как Р.С. Рабинович [75], И.М. Маркович [57], М.Г. Портной [71]. Однако предложенные в этих работах способы учета частоты делают необходимым эквивалентирование генераторов и нагрузки, что не позволяет учитывать ряд особенностей отдельных генераторов и двигателей, что является важным при расчетах режимов в сложных электрических сетях.
К отдельной группе методов могут быть отнесены методы, ориентированные на оперативный расчет. Они позволяют производить расчет параметров без переработки всех характеристик элементов. К таким методам могут быть отнесены метод последовательных приближений; метод коэффициентов распределения, используемый для приближенных расчетов распределения нагрузок [57]. Вместо метода коэффициентов распределения, дающего приближенный результат, может быть применен метод коэффициентов токораспределения (точный метод), также приведенный в [57].
Методика расчета установившегося режима при параллельной работе системы электроснабжения промышленного предприятия с энергосистемой
Эффективное управление как переходными, так и установившимися режимами невозможно без предварительного их планирования. При этом встает задача расчета установившихся и переходных режимов. Согласно «Правилам технической эксплуатации электроустановок потребителей» [73] и «Правилам технической эксплуатации электрических станций и сетей» [74], при эксплуатации электроустановок оперативно-диспетчерский персонал собственных электростанций промышленного предприятия должен решать ряд задач, к которым в том числе относятся: разработка нормальных режимов работы системы электроснабжения, обеспечивающих заданные условия энергоснабжения потребителей; производство переключений, пусков и остановов; разработка ремонтных режимов работы системы электроснабжения; прогнозирование возможных аварийных режимов с целью уменьшения возможного ущерба от простоев; обеспечение устойчивости работы синхронных машин. Задача обеспечения устойчивости играет большую роль при раздельной работе СЭПП, имеющего в своем составе собственные электростанции, а также непосредственно при выходе на таковую. В первом случае возникает задача обеспечения статической устойчивости работы, а во втором - динамической.
При параллельной работе с энергосистемой при прогнозировании режимов необходимо оценивать как статическую устойчивость, характеризующуюся коэффициентом запаса по передаваемой активной электромагнитной мощности, так и динамическую устойчивость, которая может быть исследована при возникновении любого изменения конфигурации электрической сети или при резком изменении параметров режима. Как известно, большинство методов оценки устойчивости базируются на применении того или иного метода расчета, как переходного, так и установившегося процесса. Наличие на предприятии собственных электростанций обуславливает необходимость определения коэффициентов запаса по статической устойчивости с учетом действительного предела передаваемых мощностей.
Как было показано в гл. 1, большинство разработанных на данный момент алгоритмов в основном ориентированы на расчет режимов крупных энергосистем и не учитывают ряд факторов, не существенных для последних, но являющихся актуальными для СЭПП.
Прежде всего, характерной особенностью таких расчетов является электрическая близость электростанций друг относительно друга, что делает некорректным их эквивалентирование постанционно. С другой стороны, как отмечает в своей работе Ю.Е. Гуревич [29], современные условия работы промышленных предприятий не исключают возможности выхода системы электроснабжения на раздельную с энергосистемой работу. Таким образом, возникает задача расчета переходного процесса при отсутствии балансирующего узла. В этом случае небаланс между потребляемой и генерируемой мощностью должен быть ликвидирован за счет автоматических регуляторов генераторов и регулирующего эффекта нагрузки.
Вопрос влияния автоматических регуляторов возбуждения и скорости синхронных генераторов неоднократно исследовался, что нашло отражение в работах В.А. Веникова [19], Л.А. Жукова [20], П.С. Жданова [36] и ряде других.
Регулирующий эффект нагрузки, определяемый характером статических характеристик, в ряде работ Р.С. Рабиновича [75], М.Г. Портного [71] предлагается учитывать несколько упрощенно, с использованием обобщенных зависимостей. Такой подход, справедливый для крупных энергосистем, недостаточен для систем электроснабжения промышленных предприятий. Для таких расчетов регулирующий эффект нагрузок должен быть учтен более детально. Кроме того, в рассмотренных трудах разработана методика расчета статических характеристик не всех потребителей электроэнергии промышленных предприятий, что затрудняет построение статических характеристик комплексной нагрузки.
Использование современного программного обеспечения и расширение возможностей отображения оперативной информации также диктует необходимость совершенствования режимных методов анализа и управления СЭПП.
В целом, в процессе эксплуатации систем электроснабжения в зависимости от режима перед оперативно-диспетчерским персоналом ставится задача поддержания напряжения и частоты. Но во всех случаях необходимо обеспечить достаточный запас устойчивости.
С другой стороны, современные условия функционирования СЭПП требуют со стороны оперативно-диспетчерского управления обеспечения экономически выгодных показателей. Поэтому с целью снижения затрат на электроэнергию предприятия осуществляют максимальную загрузку своих генераторов по активной мощности, порой не обеспечивая при этом необходимый запас как по статический, так и по динамической устойчивости. Как правило, в таких режимах ограничивается выдача реактивной мощности, что при выходе системы электроснабжения на раздельную с энергосистемой работу может привести к нарушению как статической, так и динамической устойчивости. Одновременно энергосистемы со своей стороны могут производить отключение крупных потребителей, то есть осуществлять действия, обоснованные экономически, но нежелательные с технической точки зрения.
Следовательно, при выходе на раздельную работу промышленного энергоузла, имеющего в своем составе собственные электростанции, возникают задачи обеспечения надежности электроснабжения потребителей, требующие обеспечения как статической, так и динамической устойчивости последних. В таком режиме динамическая устойчивость должна быть обеспечена как непосредственно при отделении от энергосистемы, так и при значительных изменениях в конфигурации сети. Устойчивость установившегося режима должна быть обеспечена соответствующим коэффициентом запаса. Следовательно, возникает задача определения запаса по статической и динамической устойчивости сети любой конфигурации с учетом регулирующего эффекта нагрузки. С целью прогнозирования режимов СЭПП, имеющих в своем составе собственные электростанции, к разрабатываемым методам расчета должны быть предъявлены такие требования, как возможность расчета режима без узла бесконечной мощности и фиксированных напряжений; определение показателей устойчивости с учетом действительных параметров режима; учет действия регуляторов скорости в установившихся и переходных режимах и учет регулирующего эффекта нагрузки.
Математические модели источников питания и элементов сети
Режим работы системы электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями во многом определяется техническими и эксплуатационными характеристиками синхронных генераторов. Следовательно, вопрос моделирования синхронных машин является одним из основных.
Наиболее простым способом моделирования генераторов является их представление статическими характеристиками, определяемыми системами АРВ и АРС синхронного генератора. Вопросы построения частотных статических характеристик турбоагрегатов и особенности их работы в установившихся режимах изложены в работах Р.С. Рабиновича [75], Л.М. Горбуновой [100]. В данных работах акцент делается на получение эквивалентных статических характеристик генераторов, что более применимо при рассмотрении режимов работы крупных энергосистем, а не сосредоточенных СЭПП. Принципы построения статических характеристик генераторов по напряжению изложены в работах А.Б. Барзама [8], И.И. Соловьева [84]. Коэффициент статизма таких характеристик определяется наладочными работами и в ходе их может быть изменен.
Регулирование тока возбуждения и скорости вращения турбины может осуществляться регуляторами сильного и пропорционального действия [49]. Первому виду соответствует астатическая характеристика, а второму - статическая. В соответствии с ПТЭ, генераторы, работающие на собственных станциях предприятий, должны иметь коэффициент статизма 0,04-0,05, чтобы обеспечить равномерную загрузку.
В работе при расчетах установившихся режимов при параллельной рабо 63 те с энергосистемой синхронные генераторы задаются в расчет своими активной и реактивной мощностями. В процессе расчета после развертывания схемы они преобразуются в неизменную э.д.с. за синхронным сопротивлением генератора xd. Согласно статической характеристике по напряжению, корректируется выдаваемая генератором реактивная мощность, определяющая напряжение на зажимах генератора. Поскольку предполагается связь с довольно мощной энергосистемой, то предполагается, что частота поддерживается номинальной и вводить в расчет статические характеристики по частоте нет необходимости. Очевидно, что при раздельной с энергосистемой работе могут иметь место отклонения частоты от номинальной. При этом при расчете установившихся режимов синхронные генераторы следует вводить своими статическими характеристиками, как по напряжению, так и по частоте.
Как правило, собственные электростанции промышленных предприятий вырабатывают не только электрическую, но и тепловую энергию. Такую функцию могут выполнять только турбогенераторы, имеющие неявнополюсное исполнение, в связи с чем в предложенной работе рассмотрены вопросы расчета переходных процессов применительно к неявнополюсным машинам.
В переходных режимах турбогенератор может быть представлен как переходная э.д.с. за переходным сопротивлением [19]. Другим параметром, характеризующим работу генератора, является его угол между напряжением и э.д.с. возбуждения, неизменный в первый момент переходного процесса [36].
В установившихся и переходных режимах устойчивость в системе электроснабжения определяется работой автоматических регуляторов генератора. Вопросы влияния автоматических систем возбуждения на качество переходного процесса рассматривались неоднократно и изложены в работах П.С. Жданова [36], Ю.А. Куликова [49] и ряде других работ.
Моделирование АРВ заключается в воздействии на вынужденную э.д.с. генератора при отклонении параметров режима от заданных. Скорость действия регулятора возбуждения при этом определяется его типом. Так, в настоящее время электромашинные возбудители вытесняются тиристорными,. Другим параметром, влияющим на э.д.с. генератора, является действие форсировки возбуждения, имеющей место при значительных снижениях напряжения в системе электроснабжения и повышающей динамическую устойчивость синхронного генератора в переходных режимах. При раздельной работе с энергосистемой возможно и отклонение частоты от номинальной, поскольку ее величина определяется лишь собственной частотой вращения работающих параллельно генераторов. В связи с этим возникает необходимость учета влияния действия регулятора скорости, работающего по заданной системой регулирования статической характеристике и обеспечивающего поддержание скорости.
Основными параметрами регулятора являются его коэффициент статизма, характеризующий изменение частоты при изменении выдаваемой генератором электромагнитной мощности, и постоянная времени сервомотора, характеризующая быстродействие регулятора. Вопросы, касающиеся работы автоматических регуляторов скорости в динамических процессах, к которым относятся переходные процессы в системах электроснабжения, изложены в работах В.Н. Веллера [18], И.И. Кириллова, А.В. Щегляева. Применительно к турбогенераторам системы электроснабжения вопросы моделирования таких регуляторов изложены в работе автора [131].
При изменении электрической нагрузки генератора происходит соответствующее изменение положения клапана и сопутствующее ему изменение впуска пара. При этом изменение механической мощности генератора имеет место как благодаря изменению объема впускаемого пара, так и изменению частоты вращения турбины [18]. Изменение механической мощности турбины, обусловленное действием регулятора при расчете методом последовательных интервалов, определяется по формуле (2.32).
Таким образом, автоматический регулятор возбуждения определяет электромагнитную мощность генератора, а регулятор скорости - мощность турбины, что находит отражение при расчете переходного процесса. При учете вышеприведенных факторов изменение угла ротора генератора, характеризующее протекание переходного процесса, определяется небалансом мощностей на ва 65 лу, согласно изложенному ранее методу последовательных интервалов.
Техническо-экономические характеристики объекта исследования
С целью оценки применимости вышеизложенной методики и эффективности анализа режимов в условиях действующей системы электроснабжения необходимо выполнить: - расчет статических характеристик основных электроприемников промышленного предприятия; - расчет комплексных статических характеристик различных производств металлургического предприятия; - расчет параметров режима и определение запаса по статической устойчивости вариантов нормальных эксплуатационных схем при параллельной работе с энергосистемой; - исследование динамической устойчивости синхронных и асинхронных машин в наиболее вероятных эксплуатационных и послеаварийных режимах; - исследование переходных процессов и анализ динамической устойчивости при выходе СЭГШ на раздельную с энергосистемой работу; - расчет установившегося режима при раздельной работе системы электроснабжения промышленного предприятия с энергосистемой.
Установившиеся режимы работы СЭПП определяются во многом характеристиками нагрузок. Состав нагрузок предприятия весьма разнообразен, и при прогнозировании режимов работы системы электроснабжения промышленного предприятия детальный учет статических характеристик является актуальным, поскольку они во многом определяют параметры режима..
Кроме того, с целью упрощения ввода исходной информации является целесообразным получение комплексных статических характеристик для отдельных производств, как на высоком, так и на низком напряжении. Однако при их использовании необходимо учитывать специфику потребителей.
При разработке нормальных и послеаварийных режимов при параллель 87 ной работе должен быть обеспечен запас статической устойчивости как генераторов, так и двигательной нагрузки. Допустимость установившихся режимов по запасу статической устойчивости оценивается в соответствии с руководящими документами [73], [74].
Не менее важной задачей является прогнозирование установившихся режимов при раздельной с энергосистемой работе с учетом сохранения устойчивости. В таких режимах учет нагрузок является в наибольшей степени актуальным, поскольку возможно как изменение напряжения, так и изменение частоты сети. В процессе эксплуатации часто имеют место изменения параметров режима, вызванные включением или отключением элементов, генерирующих или потребляющих значительную мощность как при параллельной работе с энергосистемой, так и отдельно от нее. Такие режимы представляют определенный интерес с целью прогнозирования для обеспечения соответствующего уровня динамической устойчивости.
При выходе СЭПП на раздельную работу возникает довольно длительный переходный процесс, исследование которого позволит разработать мероприятия, позволяющие повысить динамическую устойчивость системы. Такие расчеты помогут на начальном этапе выявить возможность самораскачиваний, обусловленных как действием автоматических устройств регулирования, так и параметрами схемы замещения цепи и механическими характеристиками первичных двигателей и приводимых механизмов.
Вышеуказанные исследования проводились в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК» на примере узла ЦЭС - ПВЭС.
ОАО «ММК» имеет сложную многоуровневую систему электроснабжения, объединяющую энергетические объекты различного функционального назначения: подстанции связи с энергосистемой, собственные электрические станции, питающие и распределительные сети 110-220 кВ, электрические сети и электроустановки внутризаводского и внутрицехового электроснабжения, в связи с чем он является весьма подходящим объектом самых разнообразных исследований, в том числе и оперативного-диспетчерского управления системами электроснабжения и собственными электростанциями.
В настоящее время 80-85% всего объёма электроэнергии, расходуемой на нужды структурных подразделений комбината, вырабатывают три электростанции. Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой этими станциями, существенно ниже, чем покупаемой на розничном рынке. Электростанции наряду с природным используют попутные (утилизируемые) доменный и коксовый газы. Все электростанции имеют неблочные тепловые схемы и предназначены для выработки как тепловой, так и электрической энергии. Оборудование станций характеризуется существенной разнородностью. Установленная мощность турбин колеблется от 4 до 60 МВт. Основную долю составляют теплофикационные паровые турбины, часть из которых работает в конденсационном режиме (ПВЭС-2). Имеются, кроме того, турбины с противодавлением (ЦЭС, ПВЭС-2). Выдача электроэнергии осуществляется на напряжении от 3 до ПО кВ. Типы турбин, генераторов и возбудителей приведены в табл. 4.1.
На всех вышеперечисленных электростанциях генераторы имеют автоматические регуляторы по напряжению и частоте. При этом для питания обмоток возбуждения применяются бесщеточные и тиристорные возбудители.
Как уже отмечалось ранее, в настоящей работе проводится исследование режимов работы узла собственных электростанций ОАО ММК - ЦЭС - ПВЭС. Принципиальная схема электрических соединений ЦЭС показана на рис. 4.1.
Схемы соединений подстанции № 87 и ПВЭС-2 приведены в приложении Ш. Связь с энергосистемой рассматриваемого узла осуществляется через сборные шины 110 кВ ЦЭС.
На электростанциях в общем случае всегда имеют место два основных типа регулирования - тока возбуждения синхронного генератора и скорости вращения турбин.
