авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение эффективности управления эксплуатационными режимами систем электроснабжения промышленных предприятий с резкопеременной нагрузкой

На правах рукописи

Тарасов Владимир Маркелович ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ РЕЖИМАМИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ С РЕЗКОПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКОЙ Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий.

Научный руководитель – доцент кафедры электроснабжения промыш ленных предприятий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный тех нический университет им. Г.И. Носова», кандидат технических наук, доцент Газизова Ольга Викторовна

Официальные оппоненты:

декан приборостроительного факультета, заведующий кафедрой автоматики и управления ФГБОУ ВПО «Южно- Уральский государственный университет» (НИУ), доктор технических наук, профессор Казаринов Лев Сергеевич;

профессор кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.

Носова», кандидат технических наук, доцент Мугалимов Риф Гарифович.

Ведущая организация – ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого президента России Б.Н. Ельцина».

Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 10 часов 00 минут в ауд. главного учебного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челя бинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ, с авторе фератом – на официальном сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ЮУрГУ www.susu.ac.ru.

Автореферат разослан «_» 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью уч реждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.

Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ на имя ученого секретаря, тел./факс: (351) 267-91-23.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.298.05, д.т.н., профессор Ю.С. Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Система электроснабжения современного металлургического пред приятия представляет собой комплекс сложного энергоемкого технологиче ского оборудования и генерирующих мощностей. В настоящее время увели чивается как единичная мощность, так и общая доля электроустановок с рез копеременным характером потребления электроэнергии. В системе электро снабжения промышленного предприятия (СЭПП) к данным нагрузкам отно сятся электроприемники прокатного передела и электросталеплавильного производства. Наличие таких потребителей приводит к ухудшению качества напряжения в сети, качанию роторов синхронных генераторов (СГ) собст венных электростанций промышленных предприятий и снижению устойчи вости отдельных машин переменного тока и СЭПП в целом.

В современных рыночных условиях промышленные предприятия с це лью снижения энергозатрат на производство заинтересованы в развитии соб ственных электростанций. Малые капитальные вложения и возможность ис пользования вторичных энергетических ресурсов металлургического произ водства стимулируют использование объектов малой энергетики в виде СГ, приводимых газовыми турбинами и газопоршневыми двигателями. Это су щественно усложняет конфигурацию промышленных электрических сетей, а при наличии энергоемких резкопеременных нагрузок делает актуальными проблемы обеспечения устойчивости самих генераторов и системы электро снабжения в целом.

Таким образом, параллельная работа объектов малой энергетики и мощных электроприемников с резкопеременной нагрузкой в СЭПП сопрово ждается эксплуатационными переходными режимами (ЭПР). Особенно утя желяет такие переходные процессы выход электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в результате срабатывания релейной защиты или противоаварийной автоматики. Управление подобными режима ми является задачей диспетчерского персонала электростанций и электриче ских 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 за коне «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федера ции», основных положениях энергетической стратегии развития России до 2020 года, «Основных направлениях развития энергетики Челябинской области на период до 2015 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 произ водственных 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 по требления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом» (государственный контракт № 02.740.11.0755) и «Создание энергосберегающих систем производства, распределения и потреб ления тепловой энергии в топливно-энергетическом хозяйстве города средст вами регулируемого электропривода и автоматизированных систем управления технологическими процессами» (государственный контракт № 14.В37.21.0334) также подтверждают актуальность работы.





Степень научной разработанности проблемы. Методы расчета пе реходных 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 гене раторов, приводимых различного рода первичными двигателями, представ лено 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 пара метров питающей сети. Основные способы расчета показателей качества электроэнергии и влияния резкопеременной нагрузки изложены в работах И.В. Жежеленко, Б.И. Кудрина, В.С. Иванова, Ю.С. Железко, М. Томпсона.

Проведенный обзор существующей литературы показывает, что не доста точно проработаны вопросы управления ЭПР и анализа устойчивости промыш ленных систем электроснабжения сложной конфигурации, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку. Математиче ские модели СГ, приводимых газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, и резкопеременной нагрузки не адаптированы к расчету ЭПР.

Целью работы является повышение эффективности управления экс плуатационными режимами сложнозамкнутых систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энер гетики и резкопеременную нагрузку, за счет прогнозирования эксплуатаци онных 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 потреб ления электроэнергии для расчета эксплуатационных переходных режимов при раздельной и параллельной работе с энергосистемой.

2. Разработана методика оперативного расчета и анализа эксплуатационных переходных режимов сложнозамкнутых промышленных систем электро снабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом энергоемких резкопеременных нагрузок и объектов малой энергетики.

3. 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.

4. Выполнена программная реализация разработанных методики и алгоритма.

5. Проведен анализ эксплуатационных переходных режимов при работе рез копеременной нагрузки в условиях системы электроснабжения ОАО «Магни тогорский металлургический комбинат» («ММК») при помощи разработан ного 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 исследо ваний и вычислительного эксперимента, теории вероятности и математиче ской статистики, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных ин тервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирова ния. Исследования проводились с помощью оригинального ПО.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

1) соответствием результатов вычислительного эксперимента эксперимен тальным данным в виде осциллограмм напряжений;

2) корректным использованием методов последовательного эквивалентиро вания и последовательных интервалов;

3) использованием реальных технических характеристик оборудования и ап робированием ПО на действующем промышленном предприятии.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при на личии объектов малой энергетики и работе резкопеременной нагрузки, по зволяющая анализировать и прогнозировать подобные режимы при парал лельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

2. Получен алгоритм управления ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, позволяющий разработать мероприятия по повышению качества электроэнер гии, устойчивости СЭПП и снижению электрических потерь, отличающийся возможностью принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Созданы математические модели СГ, приводимых газопоршневыми двига телями и газовыми турбинами, с целью расчета ЭПР при наличии резкопере менной нагрузки, отличающиеся учетом типа системы автоматического регу лирования скорости (АРС) и возможностью использования при исследовании режимов выхода электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энерго системой в условиях дефицита мощности.

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданное ПО позволяет осуществить расчет и анализ ЭПР СЭПП и оце нить динамическую устойчивость машин переменного тока при работе рез копеременной нагрузки и наличии объектов малой энергетики.

2. Использование программного комплекса дает возможность оценить от клонения и колебания напряжения во всех точках исследуемой сложнозамк нутой СЭПП с учетом взаимного влияния обобщенных резкопеременных нагрузок и отдельных машин переменного тока.

3. Разработанный алгоритм позволяет повысить эффективность управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых СЭПП за счет принятия ре шений по адаптивной реконфигурации сети с целью повышения качества элек троэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

4. Разработанный применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» комплекс мероприятий, направленный на снижение уровня колебаний напряжения, позволяет уменьшить ущерб от дополнительных по терь мощности, возникающих при работе резкопеременной нагрузки, а также повысить устойчивость СГ собственных электростанций.

Реализация результатов работы.

1. Разработано ПО расчета ЭПР СЭПП с местными тепловыми электростан циями и объектами малой энергетики при параллельной и раздельной работе с энергосистемой и наличии резкопеременной нагрузки. Программный ком плекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №201261209 от 24.02.2012 г.).

2. Созданы базы данных по объектам малой энергетики Магнитогорского энергетического узла (МЭУ), энергоемким электроприемникам с резкопере менной нагрузкой и компенсирующим устройствам системы электроснабже ния ОАО «ММК», предназначенные для использования совместно с разрабо танным программным комплексом.

3. Полученное ПО использовано для оперативного прогнозирования ЭПР СЭПП, анализа динамической устойчивости и принятия решений по адап тивной реконфигурации системы при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

4. 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.

5. Разработаны и переданы для последующего внедрения мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить колебания напряже ния и потери мощности при работе стана горячей прокатки 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных ме роприятий составляет 1,7 млн. руб. в год.

6. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнерге тических 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.

1. Методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объ ектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

2. Алгоритм управления ЭПР СЭПП, имеющих собственные электростан ции, позволяющий повысить качество напряжения и устойчивость машин переменного тока при действии резкопеременной нагрузки за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Математические модели промышленных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, предназначенные для расчета ЭПР, вызванных действием резкопеременных нагрузок.

4. Результаты расчета и анализа устойчивости и показателей качества элек троэнергии, полученные с помощью разработанных методики и алгоритма в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».

Апробация работы.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные ас пекты глав обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Междунар.

научно-техн. конф. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электро технологии» (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, 2011 г.), Междунар. научно-практ. конф.

«Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнерге тического комплекса» (г. Омск, 2011 г.), Междунар. научно-техн. конф. «Элек троэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), X и XI Всерос. научно практич. конф. «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, 2009 г., 2010 г.), 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. «Электро привод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.), VII Всерос. научно-техн. конф., посвященной 50-летию первого полета человека в космос «Молоджь и наука» (г. Красноярск, 2011 г.), 67-й научно техн. конф. по итогам научно-исслед. работ (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й меж регион. 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, заключе ния, библиографического списка из 121 наименования и 10 приложений.

Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 85 рисун ков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы и названы основ ные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ состояния и обзор исследований в области управления режимами СЭПП, методов расчета переходных режимов при параллельной и раздельной работе с энергосистемой, методов анализа влияния резкопеременной нагрузки на показатели качества напряжения, а также обзор существующих ПО, позволяющих рассчитывать ЭПР СЭПП.

Анализ показал, что необходим пересмотр структуры существующих методов управления режимами, мало применимых к СЭПП, имеющих объек ты малой энергетики, и не предназначенных для управления ЭПР при работе резкопеременных нагрузок. Рассмотренные методы расчета переходных электромеханических процессов ориентированы на крупные энергосистемы и не позволяют учесть работу комплексной и индивидуальной резкоперемен ной нагрузки, а также действие АРС первичных двигателей генераторов в составе объектов малой энергетики. Методы анализа влияния резкоперемен ной нагрузки на качество напряжения основываются либо на использовании экспериментальных данных, полученных в реальных условиях работы, либо на теоретических расчетах, применимых для сетей простейшей конфигура ции. Отсутствуют программные комплексы расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации, возникающих при работе резкопеременной нагрузки и элек трически близко расположенных к ней объектов малой энергетики.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей СГ, входящих в состав объектов малой энергетики, и электроприемников с рез копеременной нагрузкой, позволяющих производить расчет ЭПР.

Созданы математические модели СГ, входящих в состав паротурбин ной (ПТУ), одно- и двухвальной газотурбинных (ОГТУ и ДГТУ) и газопорш невой установок (ГПУ), а также приводимых газовыми утилизационными бескомпрессорными турбинами (ГУБТ). В процессе моделирования для ана лиза изменения угла ротора и динамической устойчивости синхронной ма шины получены уравнения небалансов мощностей на валу роторов, учиты вающие синхронную PC и асинхронную PAс мощности, а также мощности, обусловленные потерями в роторе РРот и статоре РСтат СГ (табл. 1).

Таблица Определение небалансов мощностей на валу роторов СГ № Объект малой Уравнение небаланса мощностей пп. энергетики P РT 0 Р Рег PC PAc PПар Р Пер PРот PСтат ПТУ P РT 0 Р Рег Р К PC PAc PГаз Р Пер PРот PСтат ОГТУ ДГТУ, турбина низко- P Р НД Р РегНД Р КНД PТНД PC PAc PГазНД Р Пер PРот PСтат 3 ТНД 0 НД НД го давления (ТНД) PВД РТВД ВД 0 ВД Р РегВД Р КВД PКНД PГазВД ДГТУ, турбина высо кого давления (ТВД) P Рe 0 Р Рег PC PAc Р Пер PРот PСтат ГПУ P Рe 0 Р Рег PC PAc Р Пер PРот PСтат ГУБТ В процессе математического моделирования СГ, входящих в состав объ ектов малой энергетики, исследованы системы АРС первичных двигателей. На основании уравнений движения элементов системы регулирования получены зависимости мощности, обусловленной действием регуляторов скорости, от изменения угла ротора, коэффициента неравномерности и постоянных времени T (табл. 2). Выход на раздельную работу с энергосистемой электро станции с нагрузкой при дефиците активной мощности может сопровождаться лавиной частоты, поэтому были сформулированы зависимости механической мощности нерегулируемых первичных двигателей от частоты сети (табл. 2).

В расчет переходного режима синхронные машины вводятся переход ной ЭДС E'=E'd+jE'q за переходным индуктивным сопротивлением по про дольной оси x'd, так как исследуются ЭПР и режимы выхода на раздельную работу, в общем случае не сопровождающиеся существенным изменением напряжения и значительным изменением потоков реакции статора синхрон ных машин. Действие автоматического регулирования возбуждения (АРВ) учитывается соответствующим изменением вынужденной ЭДС. Полученные математические модели СГ использованы при разработке методики расчета ЭПР СЭПП, сопровождающихся действием резкопеременной нагрузки.

Таблица Определение мощностей первичных двигателей СГ Объекты Мощности № Уравнение мощностей от действия малой нерегулируемых пп. регуляторов скорости энергетики турбин ( n ) PТ 0,2 f f ном t ( n ) ( n ) t P p ( n 1 ) 2,3 f f ном P 1 P p ( n ) НТ ПТУ 1 ( n 1 ) TS 360 f 0 t 0 TS 1 t 0 1,1 f f ном ( n ) ОГТУ, АРС 1 t с жесткой P PНТ ( n ) ( n ) t P p ( n 1 ) 1 2 ( n 1 ) TS 360 f 0 t обратной p( n ) TS 1 t связью ОГТУ, АРС ( n ) PНТ t 0 ( n ) с гибкой Pp( n ) 1, t Tk Ts обратной PT PT 0 связью ( n ) (1 ) ( n ) ( n ) t 0 НД ДГТУ, t PНТНД P p( n ) НД (1 ) P p( n 1) НД 4 ( n 1 ) Ts t 0 НД ТНД 360 f 0 Ts (1 ) t 0 НД ( n ) (1 ) PНТВД ( n ) ( n ) t 0 ВД t ДГТУ, Pp( n ) ВД (1 ) Pp( n1) ВД ( n 1 ) ТВД Ts 0 ВД t 0 ВД Ts (1 ) t 0 ВД ГПУ, АРС ( n ) PНТ 1 Pp ( n ) прямого t 0 t (n) действия PНТ 0 ( n ) ГПУ, WECS ( n ) H u i Д g Ц e 1 Pp ( n ) Pe 7 3000 t 0 Д 0 T (обороты) PНТ p p0 ( n ) ГПУ, WECS ( n ) 1 Pp ( n ) 8 3000 t 0 T (нагрузка) ( n ) ( n ) 1 1 t 0 t ( n) t P PT PT 0 P p ( n ) НТ P p ( n 1 ) ГУБТ ( n 1 ) TS 360 f 0 t 0 TS 1 t В работе получены упрощенные математические модели двигателей переменного тока, питающихся непосредственно от сети, и двигателей по стоянного и переменного тока, питающихся от тиристорных преобразовате лей, с резкопеременным моментом на валу, а также обобщенной резкопере менной нагрузки. При расчете ЭПР модели позволяют определять активные и реактивные мощности двигателей с учетом параметров режима сети.

В третьей главе разработаны методика расчета (рис. 1) и алгоритм управления (рис. 2) ЭПР СЭПП сложнозамкнутой конфигурации при нали чии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

Разработанная методика расчета ЭПР основана на сочетании метода последовательного эквивалентирования для расчета режима в фиксированый Начало B Ввод параметров расчетной схемы Для каждого источника питания Ввод графиков активной и реактивной Тип мощностей резкопеременной нагрузки источника питания Расчет исходного установившегося режима ОГТУ Расчет мощности действия АРС согласно п. 2, 3 табл. Определение параметров векторной диаграммы ДГТУ Расчет мощности действия синхронной машины в установившемся режиме АРС согласно п. 4, 5 табл. Нет ГПУ Расчет мощности действия Автономный режим АРС согласно п. 6, 7, 8 табл. Да ПТУ Расчет мощности действия Фиксирование необходимого изменения в схеме АРС согласно п. 1 табл. ПГУ Расчет нового установившегося режима Расчет мощности действия АРС согласно п. 1, 2 табл. ГУБТ Расчет мощности действия Определение изменения переходной ЭДС АРС согласно п. 9 табл. и угла ротора на первом интервале Для каждого источника питания Для заданного числа интервалов A Тип Для каждого электроприемника с источника питания резкопеременной нагрузкой ОГТУ Определение небаланса Вид резкопере- мощностей согласно п. 2 табл. менной нагрузки ДГТУ Определение небаланса мощностей согласно п. 3, 4 табл. ТП-ДПТ Расчет мощности с учетом ГПУ Определение небаланса нагрузочной диаграммы и тахограммы мощностей согласно п. 5 табл. НПЧ ПТУ Расчет мощности АД или СД с учетом Определение небаланса нагрузочной диаграммы и тахограммы мощностей согласно п. 1 табл. ТП с ЗПТ Расчет мощности АД или СД с учетом ПГУ Определение небаланса нагрузочной диаграммы и тахограммы мощностей согласно п. 1, 2 табл. ГУБТ СД Расчет мощности с учетом Определение небаланса нагрузочной диаграммы мощностей согласно п. 6 табл. ДСП Расчет мощности в соответствии с Расчет вынужденной ЭДС действия АРВ графиком нагрузки Определение параметров схемы Обобщенная Расчет мощности в соответствии замещения – переходных ЭДС и углов с графиком нагрузки роторов синхронных машин Расчет нового установившегося режима Да Автономный режим Нет Определение Вывод результатов B частоты A Конец Рис. 1. Блок-схема расчета ЭПР момент времени и метода последовательных интервалов для определения приращения параметров режима, что позволяет учесть действие АРВ и АРС СГ и резкопеременной нагрузки. Данный подход дает возможность свести расчет к взаимодействию одномашинной системы с эквивалентными харак теристиками остальной части системы, полученными при расчете устано вившегося режима, взамен решения сложной системы уравнений.

Начало C B D Ввод исходных данных Увеличение мощности КУ:

Расчет переходного режима при QКУ ( n) QКУ ( n1) QПОТР / работе резкопеременной нагрузки Применение регулируемых КУ Изменение загрузки Устойчи- Нет Нет QКУ QПОТР / Автономный по Q или вость генераторов режим настройки сохранилась АРВ Да Расчет нового переходного режима Да Изменение Определение колебаний настройки АРВ Ut,% напряжения:

Нет Устойчивость Изменение загрузки СД сохранилась Нет E СД по Q или Ut,% Ut ДОП,% настройки АРВ Да Да Нет U t ( n) U t ( n1) Нет Устойчивость Схемные решения АД сохранилась Да Нет QКУ QПОТР Да Да Изменение Допустимый Увеличение мощности КУ:

Нет положения устройств уровень отклонений QКУ ( n) QКУ ( n1) QПОТР / РПН и ПБВ, напряжения применение КУ F Да F A Применение Допустимый Нет Применение E регулируемых КУ уровень колебаний нерегулируемых КУ Нет напряжения Допустимый Нет Автономный QКУ QПОТР / Да уровень колебаний режим частоты Да Расчет нового переходного режима Да Пересмотр состава Нет A Автономный режим нагрузки, Определение колебаний Ut,% выходящей на напряжения: Да раздельную работу Нет Допустимый Нет Дополнительное Ut,% Ut ДОП,% уровень отклонений отключение частоты Да нагрузки Нет Да U t ( n) U t ( n1) Да Режим устойчивый, параметры Нет QКУ QПОТР в допустимых пределах Да Конец B C D E Рис. 2. Алгоритм управления ЭПР при работе резкопеременной нагрузки В полученной методике на каждом шаге расчета работа электроприем ников с резкопеременной нагрузкой учитывается изменением потребляемых активных и реактивных мощностей в соответствии с графиками нагрузки. Из менение мощностей электроприемников, тип первичного двигателя и работа АРС учитывается в расчете небаланса мощностей на валу СГ, оказывая влия ние на устойчивость системы и показатели качества напряжения.

Предложенная методика расчета ЭПР позволяет производить анализ режимов сложнозамкнутой системы электроснабжения крупного промыш ленного предприятия, имеющего собственные разнородные источники элек троэнергии и энергоемкую резкопеременную нагрузку при параллельной ра боте и выходе на раздельную работу с энергосистемой.

Использование разработанной методики, положенной в основу соот ветствующего программного комплекса «КАТРАН 6.0», дает возможность усовершенствовать процессы управления ЭПР. На рис. 2 показан полученный алгоритм управления режимами СЭПП, предусматривающий расчет иссле дуемого переходного режима с последующей проверкой показателей устой чивости и качества напряжения. Алгоритм позволяет повысить эффектив ность управления ЭПР за счет разработки мероприятий по снижению кача ний машин переменного тока и повышению качества электроэнергии, преду сматривающих адаптивную реконфигурацию сети.

В четвертой главе исследована динамическая устойчивость при ко ротком замыкании СГ, входящих в состав объектов малой энергетики с уче том типа первичного двигателя, выполнен статистический анализ графиков нагрузки дуговой сталеплавильной печи ОАО «ММК», произведен расчет и анализ ЭПР в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК», подробно рассмотренный на примере ЛПЦ-4.

С целью анализа влияния рода первичного двигателя и соответствую щего ему АРС на динамическую устойчивость промышленных СГ был про изведен расчет режима трехфазного короткого замыкания различной элек трической удаленности и длительности. Определено, что наибольшей дина мической устойчивостью обладает СГ, приводимый газовой турбиной.

Исследование ЭПР СЭПП проводилось на примере Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) (рис. 3). МЭУ является одним из наиболее сложных объектов промышленной энергетики и имеет сложнозамкнутую конфигурацию.

В его состав входят 11 линий связи с энергосистемой, центральная (ЦЭС), паро воздуходувная (ПВЭС) электростанции и теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) ОАО «ММК», а также большое число энергоемких электроприемников с резко переменной нагрузкой (технологическое оборудование ЛПЦ №№ 4, 5, 8, 9, 10, и электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) ОАО «ММК»). К объектам малой энер гетики относятся ПТУ турбинного участка паросилового цеха (ТУ ПСЦ) ОАО «ММК», ПТУ мини-ТЭЦ ЗАО «Механоремонтный комплекс» и ГПУ, установ ПС «Бекетово» Ириклинская ГРЭС ПС «Шагол» ПС «Смеловская» ПС «Магнитогорская» Троицкая ГРЭС ПС ПС 30 ПС 60 ПС 90 ПС ЛПЦ- ПС 94, Р ФКУ ПС ГПЭС ПС 31 ПС 29 ПС 8 ПС ПС 63 ПС 18 МВт Мвар ЛПЦ- ЛПЦ ПСЦ ПС 87 ЭСПЦ ЛПЦ ЛПЦ 14 МВт 10 ПС ПВЭС- ЛПЦ- ПВЭС- ПС ПС 23 ПС 91 МВт 10 МВт ПС мини Н ФКУ ЦЭС ТЭЦ -ТЭЦ 32 Мвар 191 МВт 330 МВт 4 МВт Рис. 3. Упрощенная схема Магнитогорского энергетического узла ленные на ГПЭС ООО «Магнитогорская энергетическая компания».

С помощью разработанного ПО проведены расчеты ЭПР МЭУ при па раллельной работе с энергосистемой и выходе ТЭЦ с нагрузкой на раздель ную работу. Согласно исследованиям, показатели качества напряжения на ряде подстанций превышают допустимые нормы, например на шинах ПС (колебания напряжения Ut – 2,52%, кратковременная доза фликера Pst – 0,89), ПС 88 (Ut – 3,33%, Pst – 0,63), ПС 94 (Ut – 3,62%, Pst – 0,42) и ПС (рис. 4, табл.3), на примере которой велись детальные исследования. Ниже приведен график изменения напряжения на шинах 10 кВ ПС 22 с резкопере менной нагрузкой (рис. 5) при работе стана 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК».

Рис. 4. Схема электроснабжения ПС 22 ЛПЦ-4 ОАО «ММК» Колебания частоты при работе прокатного стана ЛПЦ-4 на шинах кВ ПС 22 составили 0,08 Гц, что не превышает допустимую величину 0,2 Гц.

На примере ПС 22 исследовано влияние способа представления пи тающей сети на параметры ЭПР. На рис. 5 и 6 приведены графики изменения Таблица Исследуемые показатели качества напряжения на шинах ПС 22 ЛПЦ- До включения КУ При включенных КУ Номер Ut, % Мощность FUt, секции мин-1 норматив КУ, МВАр Pst, о.е. Ut, % Pst, о.е. Ut, % 1 сек 10 кВ 41 1.24 1,29 8,09 1,12 7,24 12, 2 сек 10 кВ 36 1.28 0,71 5,33 0,69 5,05 12, 1а,5а сек 10 кВ 41 1.24 0,65 4,28 0,64 4,09 2а,3а сек 10 кВ 36 1.28 0,61 4,00 0,6 3,90 напряжения на шинах 10 кВ 1 секции ПС 22 при подключении потребителей к эквивалентной системе бесконечной мощности (Pst – 1,29, Ut – 8,09%) и к реальной системе электроснабжения с источниками конечной и бесконечной мощности (Pst – 1,16, Ut – 6,67%) соответственно. Как показали расчеты, представление источника питания шинами неизменного напряжения за со противлением связи дает большую погрешность при расчетах ЭПР, чем представление в виде сложнозамкнутой СЭПП.

Рис. 5. Изменение напряжения при Рис. 6. Изменение напряжения при пита питании от сложнозамкнутой сети нии от системы бесконечной мощности Проанализировано взаимное влияние электроприемников с резкопере менной нагрузкой, питающихся от электрически удаленных друг от друга подстанций, на уровень колебаний напряжения на их шинах. На рис. 7 при веден график изменения напряжения, полученный при представлении в рас четной схеме в виде резкопеременной нагрузки только потребителей ЛПЦ- (Pst– 0,21, Ut – 1,57%), тогда как остальные потребители отнесены к спокой ной, а на рис. 8 – при учете всей резкопеременной нагрузки МЭУ, за исклю чением нагрузки исследуемой подстанции, которая принята за спокойную (Pst – 0,31, Ut – 1,71%). Очевидно, что работа электрически удаленной резкопе ременной нагрузки приводит к росту колебаний напряжения даже на 110 кВ.

Рис. 7. Изменение напряжения при Рис. 8. Изменение напряжения при учете работе только ЛПЦ-4 ЛПЦ-4 в виде «спокойной» нагрузки С помощью разработанного ПО проведено исследование ЭПР ПС 22 в перспективной схеме, предполагающей подключение объектов малой энерге тики. Результаты расчетов показали, что при работе резкопеременной на грузки предложенные к установке ГТУ менее устойчивы по сравнению с ПТУ в силу большей инерционностью последних.

При параллельной работе с энергосистемой в ЭПР устойчивость соб ственных СГ ОАО «ММК» сохраняется. Это объясняется большим числом линий связи МЭУ с энергосистемой. Однако в режимах ограниченной связи с энергосистемой при аварийных отключениях питающих линий действие рез копеременной нагрузки приводит к небольшим качаниям роторов СГ (рис. 9).

Рис. 9. Качания собственных углов роторов синхронных генераторов Исследование режима выхода на раздельную работу производилось на примере ТЭЦ ОАО «ММК» совместно с ЛПЦ-9, электроприемники которого представляют собой резкопеременную нагрузку суммарной мощностью 26 МВт.

Устойчивость СГ сохраняется (рис. 10), так как рассматриваемый узел является избыточным по активной (34 МВт) и реактивной (19 Мвар) мощности. Возраста ние взаимных углов роторов генераторов составляет 3 эл. град. по сравнению Рис. 10. Взаимные углы роторов СГ Рис. 11. Качания углов роторов при работе резкопеременной нагрузки СГ относительно СД ПЭН-7 ТЭЦ с расчетом, произведенным без учета резкопеременных свойств потребите лей. Динамическая устойчивость синхронных двигателей снижается в боль шей степени (рис. 11), что объясняется их меньшей инерционностью.

По результатам расчетов ЭПР системы электроснабжения ОАО «ММК» сделаны выводы об устойчивости собственных СГ и снижении качества электроэнергии, связанным с возникновением колебаний напряже ния при работе резкопеременной нагрузки. Данные колебания приводят к возникновению дополнительных потерь мощности. Для снижения их уровня на примере системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК» предлагается включение существующих компенсирующих устройств ПС 22 (рис. 4), к ко торым относятся 2 синхронных компенсатора по 7,7 Мвар и 4 фильтроком пенсирующих устройства суммарной мощностью 9,6 Мвар. Их использова ние позволит снизить колебания напряжения (табл. 3) и изменит потокорас пределение в сети, что в свою очередь уменьшит потери электроэнергии.

Расчетный экономический эффект от реализации предлагаемых мероприятий составляет 1,7 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности управления ЭПР сложнозамкнутых СЭПП при наличии объектов малой энергетики и резкопере менной 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, имею щих 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 электро энергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

2. С целью разработки мероприятий, предусматривающих адаптивную ре конфигурацию сети и направленных на повышение качества электроэнергии и устойчивости СЭПП, получен алгоритм управления ЭПР, позволяющий учесть изменение параметров режима при работе энергоемкой резкоперемен ной 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», позволяю щий проводить расчет и анализ ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объек ты малой энергетики, при параллельной и раздельной работе с энергосисте мой 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 ком плекс «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 раз работанных 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 ана лиз динамической устойчивости синхронных машин при параллельной рабо те с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

6. Разработаны и переданы для внедрения мероприятия по повышению эффек тивности управления ЭПР системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК».

Расчетный экономический эффект составляет 1,7 млн. руб. в год за счет сокра щения потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятия.

7. Разработанные методика, алгоритм и программный комплекс использова ны при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетиче ских системах», «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электро снабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова» и могут быть рекомендованы для расчета и анализа ЭПР в службах диспет черского управления крупных промышленных предприятий, имеющих соб ственные электростанции, независимо от отрасли промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих периодических изданиях из перечня ВАК РФ 1. Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Тарасов В.М. Оценка регулирующего эффекта выпрямительной нагрузки для определе ния параметров установившихся режимов систем электроснабжения промыш ленных предприятий // Изв. вузов Электромеханика. – 2011. – №4. – С. 115-118.

2. Буланова О.В., Малафеев А.В., Ротанова Ю.Н., Тарасов В.М. Анализ пере ходных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энергетики // Промышленная энерге тика. – 2010. – №4. – С. 22-28.

3. Газизова О.В., Малафеев А.В., В.М. Тарасов, Прудников Е.В. Исследование переходных режимов промышленных систем электроснабжения при наличии значительных электрических резкопеременных нагрузок // Главный энергетик. – 2011.– №12. – С. 39-46.

Публикации в прочих изданиях 4. Тарасов В.М. Исследование устойчивости синхронных генераторов, приво димых газопоршневыми двигателями // Энергоэффективность и энергобезопас ность производственных процессов: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. студен тов, магистрантов, аспирантов – Тольятти: ТГУ, 2009. – С. 182–184.

5. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование синхронных генераторов с газовыми турбинами в расчетах переходных электро механических процессов // Вести высших учебных заведений Черноземья: науч но-технический и производственный журнал. – 2008. – №4. – С. 47-49.

6. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М. Моделирование генераторов, приводимых ГУБТ, в расчете переходных электромеханических процессов // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 10-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов – Магнито горск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 67–70.

7. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование синхронных генераторов газопоршневых электростанций в расчете электромеха нических переходных процессов // Проблемы электротехники, электроэнергети ки и электротехнологии: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Ч.2 – Тольятти:

ТГУ, 2009. – С. 288–291.

8. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Моделирование синхронных генераторов в дефицитных по активной мощности энергоузлах с учетом рода первичного двигателя // Тинчуринские чтения: Материалы докл. 4 Междунар.

молодежной науч. конф. Т.1 – Казань: КГЭУ, 2009. – С. 169-170.

9. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М. Моделирование регуляторов первичных двигателей генераторов при анализе устойчивости систем электро снабжения промышленных предприятий // Материалы 67-й науч.-техн. конф.

по итогам научно-исследовательских работ за 2007-2008 гг.: Сб. докл. Т.2. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С.97-100.

10. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М., Ахметханов А.М. Математиче ское моделирование резкопеременных нагрузок для расчета эксплуатационных режимов систем электроснабжения // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.18: Сб. тр. восьмой Междунар. науч. практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – С.103-104.

11. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Исследование влияния рез копеременной нагрузки на устойчивость синхронных генераторов // Акту альные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68 й межрегиональной науч.-техн. конф. Т.2. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – С.106-109.

12. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Исследование влияния пара метров питающей сети на работу частотных преобразователей с непосредст венной связью // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сб. науч. тр. 3-ей Всерос. науч.-техн. конф. (с междунар. уча стием) – Уфа: УГНТУ, 2011. – С.181–183.

13. Буланова О.В., Тарасов В.М. Исследование влияния параметров питающей сети на работу двигателей постоянного тока, питающихся от выпрямителей, в условиях систем электроснабжения промышленных предприятий // Энерго сбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: Сб. статей 2-ой Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза: Приволж ский Дом знаний, 2011. – С.107–109.

14. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Моделирование регуляторов скорости паровых и газовых турбин в расчете переходных электромеханиче ских процессов // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб.

науч. тр. Вып. 16. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С.128-131.

15. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование двигателей переменного тока, питающихся от автономных инвертеров напряже ния, с целью расчета переходных процессов и разработки мероприятий по по вышению качества электроэнергии // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: Материалы Междунар.

науч.-практ. конф. 10 июня 2011 г. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – С. 66–68.

16. Тарасов В.М., Волков А.А., Газизова О.В., Малафеев А.В., Кондрашова Ю.Н.

Исследование эксплуатационных режимов при работе резкопеременных нагру зок в условиях ЛПЦ-4 ОАО «ММК» // Актуальные проблемы современной нау ки, техники и образования: Материалы 69-й межрегиональной науч.-техн. конф.

Т.2. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. – С.69-72.

17. Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Панова Е.А., Хламова А.В., Тарасов В.М., Ягольникова Е.Б., Николаев Н.А., Зиновьев В.В. А.с. № 20126122069 «Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 6.0» // ОБПБТ. – 2012. - №2. – С. 500-501.



 



Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.