автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Быстродействующий автоматический ввод резерва для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СХЕМ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА РЕЗЕРВА ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЬЮОКОВОЛЬТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

1.1. Назначение АВР.

1.2. Основные требования к схемам АВР.

1.3. Краткая характеристика существующих разновидностей АВР.

1.4. Выводы.

2. ФОРМИРОВАНИЕ УРАВНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЬЮОКОВОЛЬТ-НЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

2.1. Общие положения.

2.2. Математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат.

2.3. Формирование уравнений состояния для электрической системы в фазной системе координат.

2.4. Выводы.

3. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ СОСТОЯНИЯ ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

3.1. Введение.

3.2. Неявные формулы для жестких систем.

3.3. Линейно-неявные формулы для жестких систем

3.4. Жесткие системы в более общей форме.

3.5. Явные методы для нежестких систем.

3.6. Особенности реализации метода.

3.7. Выбор рационального метода.

3.8. Выводы.

4. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ БЫСТР0ДЕЙСТВУЮ1ЦЕ-ГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА РЕЗЕРВА ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.

4.1. Введение.

4.2. Характеристика напряжений на шинах и токов двигателей при работе АВР.

4.3. Структура быстродействующего АВР.

4.4. Орган контроля режима системы.

4.5. Выводы.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СХЕМЫ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВВОДА РЕЗЕРВА ДЛЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ВЬГСО-КОВОЛЬТНЫМИ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

5.1. Орган контроля режима системы.

5.2. Орган контроля снижения напряжения.

5.3. Обгцая работа устройства быстродействуюп],его АВР

5.4. Выводы.

В настоящее время вопросы повышения надежности и качества электроснабжения являются одними из важнейших направлений в развитии электроэнергетики. Для успешного решения этих задач особое внимание необходимо уделить проблемам разработки и создания высоконадежных многомашинных систем промышленного электроснабжения с крупными асинхронными двигателями.

В работе систем электроснабжения производств газовой и нефтеперерабатывающей отраслей промышленности возможны сбросы нагрузки, отключения и расстройство технологических процессов при коротких замыканиях и ошибочных отключениях. Даже кратковременные снижения напряжения указанных производств, как правило, приводят к глубокому расстройству технологического процесса, значительному материальному ущербу.

Статистические данные по ООО «Астраханьгазпром» показывают, что только за год из-за аварийных ситуаций в системе внешнего электроснабжения произошла остановка основных производств серы, газа и конденсата в течение длительного времени. Анализ аварийности показал, что остановка производства произошла по причинам, удельный вес которых по времени простоя следующий:

1. Необеспечение массового «самозапуска» мощных асинхронных электродвигателей из-за снижения питающего напряжения -59%

2. Несвоевременное срабатывание устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики - 19%

3. Нерациональные действия оперативного персонала - 3%

4. Метеоусловия, вызвавшие повреждения электрооборудования —

5. Неправильные действия ремонтного персонала, некачественное выполнение профилактических осмотров и ремонтов - 6%

6. Выход из строя оборудования по вине заводов-изготовителей, повреждения системы электроснабжения строительными организациями - 8%.

Таким образом, удельная аварийность по причинам кратковременных снижений напряжения в системе электроснабжения на предприятии ООО «Астраханьгазпром» достаточно высока, что приводит к значительному материальному ущербу.

Разработка общей теории переходных процессов в машинах переменного тока /1/- /5/, в создание и развитие которой внесли большой вклад ученые Горев A.A., Парк Р., Важнов А.И., Копылов И.П., Трещев И.И. и др. позволила практически подойти к обоснованию аварийных режимов работы.

Однако, в современной теории переходных процессов рассматриваются идеализированные асинхронные двигатели без вытеснения тока в роторе, моделирование осуществляется в системе координат d-q, что вызывает появление больших погрешностей при расчетах аварийных режимов работы.

Большое значение для повышения надежности работы систем электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности в переходных режимах имеет совершенствование устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики, что представляет собой сложную задачу вследствие сложности переходных электромагнитных и электромеханических процессов. Это затрудняет выбор информационных признаков, позволяющих распознавать режимы. Кроме того, для более точного моделирования работы устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики необходимо рассматривать их работу совместно с силовой частью систем электроснабжения.

Особо важная роль для уменьшения материального ущерба, связанного с короткими замыканиями и снижениями питающего напряжения в системах электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности, отводится быстродействующему автоматическому вводу резерва (БАВР) с применением современной элементной базы.

Выполнение предъявляемых требований при создании более совершенных устройств БАВР с применением современной элементной базы вызывает необходимость разработки новых алгоритмов и принципов построения таких устройств, которые обеспечивали бы повышение надежности работы систем электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности.

Целью работы является разработка устройства быстродействующего автоматического ввода резерва (БАВР) в системах электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели, методов и алгоритмов анализа динамических режимов работы многомашинных систем электроснабжения совместно с системой БАВР.

В связи с этим решены следующие задачи:

• проведен анализ существующих схем автоматического ввода резерва и принципов их работы;

• разработана математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат для анализа режимов, вызванных различными видами коротких замыканий;

• получены уравнения состояния глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат в матричной форме;

• получены уравнения состояния для электрической системы в фазной системе координат;

• проведен анализ существующих численных методов решения систем обыкновенных дифференциальных уравнений, описывающих многомашинные системы электроснабжения;

• разработана методика решения уравнений состояния для многомашинной системы электроснабжения в переходных режимах с учетом жесткости системы уравнений;

• разработана схема БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями;

• выполнено исследование работы предложенной схемы БАВР.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовались теория переходных процессов электрических машин переменного тока и методы их математического моделирования на ЭВМ, теория решения систем дифференциальных уравнений с периодическими коэффициентами, теория электрических цепей и систем.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя с применением фазной системы координат для моделирования различных динамических режимов;

2. Получены аналитические выражения в матричной форме в виде уравнений состояния для анализа режимов работы асинхронных двигателей в фазной системе координат.

3. Получены уравнения состояния в матричной форме для электрической системы в фазной системе координат.

4. Разработана методика решения уравнения состояния, содержащего матрицы с периодическими коэффициентами для систем электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели.

5. Разработана схема БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями.

Автор выносит на защиту.

1. Математическую модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат.

2. Математическую модель системы электроснабжения, содержащей асинхронные двигатели, в фазной системе координат.

3. Теоретические основы формирования и решения уравнений состояния для системы электроснабжения с асинхронными двигателями.

4. Структуру устройства БАВР для систем электроснабжения, содержащих высоковольтные асинхронные двигатели.

5. Результаты исследований работы системы электроснабжения с глубокопазными асинхронными двигателями совместно с предложенным устройством БАВР в переходных режимах.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

1. Разработана методика и алгоритмы формирования математических моделей глубокопазных асинхронных двигателей и систем электроснабжения с такими двигателями в фазной системе координат.

2. Разработана методика анализа режимов работы многомашинных систем промышленного электроснабжения, содержащих асинхронные двигатели.

3. Предложена структура устройства БАВР для систем электроснабжения с высоковольтными асинхронными двигателями.

Исследования по теме диссертации проводились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета, ОАО «Кубаньэнерго», а также Норвежского университета науки и технологии (МТНи, Тронхейм, Норвегия). Результаты диссертационной работы внедрены в ОАО «Кубаньэнерго» и в учебном процессе кафедры ЭПП КубГТУ по курсам «Переходные процессы в системах электроснабжения» и «Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях научных семинаров кафедр «Электроснабжение промышленных предприятий», «Электротехника» Кубанского государственного технологического университета и кафедры «Электроэнергетика» Норвежского университета науки и технологии, на научно-практической конференции «Повышение эффективности работы систем электроснабжения и электрооборудования Кубани» (г. Краснодар, 1995 г.), на научно-практической конференции «Улучшение характеристик электротехнических комплексов, энергетических систем и систем промышленного электроснабжения» (г. Краснодар, 1996 г.), на V научно-технической конференции ракетных войск (Краснодар, 1997 г.), на региональной научно-практической конференции «Повышение эффективности электро

12 технических комплексов и энергетических систем» (Краснодар, 1998 г.), на European ЕМТР-АТР Conference (Бристоль, Англия, 2001 г.).

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка использованной литературы. Работа содержит 199 страниц, 35 рисунков. Библиография состоит из 78 наименований источников.

5.4. Выводы

1. На основании предложенной методики расчета динамических режимов систем электроснабжения, содержащих асипхро1П1ыс двигатели произведено численное моделирование работы системы быстродействующего АВР.

2. Получены результаты расчетов функционирования органа контроля режима системы в переходных режимах и приведены результаты расчетов для режима перерыва питания и трехфазного короткого замыкания.

3. Выполнены расчеты работы органа контроля снижения напря

Рисунок 5.17 — Временная диаграмма работы тиристорного коммутатора системы быстродействующего АВР при двухфазном коротком замыкании на землю жения в переходных режимах и приведены результаты расчетов для режима перерыва питания и трехфазного короткого замыкания.

4. Произведено численное моделирование работы системы быстродействующего АВР в целом для режима перерыва питания.

5. Выполнены расчеты работы системы быстродействующего АВР в целом для трехфазного короткого замыкания.

6. Получены результаты расчетов работы системы быстродействующего АВР в целом для несимметричных видов короткого замыкания (однофазного, двухфазного и двухфазного на землю).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы получены следующие основные ре-зультатьк

1. Существующие схемы АВР не обладают достаточным быстродействием, необходимым для бесперебойной работы предприятий нефтяной и газовой промышленности.

2. Получена математическая модель глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат в матричной форме в виде уравнения состояния.

3. Разработан алгоритм формирования уравнений состояния для систем электроснабжения с глубокопазными асинхронными двигателями, позволяющий формализованно подойти к решению задач моделирования динамических режимов.

4. Разработана эффективная методика решения уравнений состояния для системы электроснабжения в переходных режимах с учетом жесткости системы уравнений;

5. Разработана структура быстродействующего АВР, включающая в себя тиристорный коммутатор и систему управления и произведено математическое моделирование работы системы электроснабжения совместно с устройством БАВР в симметричных и несимметричных режимах.

1. Горев А. А. Переходные процессы синхронной машины. Л.: ГЭИ, 1950. - 551с.

2. Важное А. И. Электрические машины. Л.: Энергия, 1968. -768 с.

3. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. М.: Энергия, 1973. - 400 с.

4. Копылов И. П. Электрические машиньг М.: Энергоатомиз-дат, 1986. 360 с.

5. Трещев И. И. Электромеханические переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980. - 344 с.

6. Paul Gabba А., Hill J. В. Make Autonaatic Power Source Transfers a Success for Your Plant, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol.37, No. 2, March/August 2001, pp. 423-433.

7. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. — М.: Госэнергоиздат, 1963. — 744 с.

8. Сыромятников И. А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 240 с.

9. Важное А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980. - 256 с.

10. Казоеский Е. Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.: Из-во АН СССР, 1962. - 560 с. 16.

11. Страхов С. В. Переходные процессы в электрических цепях, содержа-щих машины переменного тока. М.: ГЭИ, 1960. - 247 с.

12. Беркович М. А., Семенов В. А. Основы автоматики энергосистем. — М.: Энергия, 1968, 432 с, ил.

13. Барзам А. Б. Системная автоматика. — М.: Энергоатомиздат, 1989 г., 446 с. ил.

14. The Effects of Reclosing on Industrial Plants. Proceedings at the American Power Conference, 1961, Vol. 28, pp. 768-778

15. Motor Bus Transfer A Report Prepared by the Motor Bus Transfer Working Group of the Power System Relaying

16. Committee, IEEE Transactions On Power Delivery, Vol. 8, No. 4, October 1993

17. Brereton D. S., Lewis D. G. and Young G. G. Representation of Induction-Motor Loads During Power-System Stability Studies, AIEE Transactions, Vol.76, Part III, August 1957, pp. 451-461.

18. Averill E. L. Fast Transfer Test of Power Station Auxiliaries, IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. 96, no. 3, May/June 1977, pp. 1004-1008.

19. Чебан В. М., Терентьев G. В., Иванов В. В. Методы комплексного противоаварийного управления режимами синхронной нагрузки электрических систем. //В кн.: Задачи и методы управления энергетическими системами. Новосиб. Электротехн. ин-т./ Новосибирск, 1982

20. Овчаренко Н. И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем: Учебник для вузов / Под ред. А.Ф. Дьякова. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2000 -504 с: ил.

21. Рубашов Г. М. Бесконтактная аппаратура в системах электроснабжения. ~ Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. — 76 с, ил.

22. Коробейников Б. А., Ищенко А. И., Беседин Е. А. Устройство для автоматического включения резервного питания потребителей. А.С. № 1688349 от 01.07.91

23. Коробейников Б. А., Ищенко А. И., Беседин Е. А. Устройство быстродействующего автоматического включения резерва. — А.С. 1709462 от 01.10.91

24. Коробейников Б. А., Иил,енко А. И., Беседин Е. А. Быстродействующее автоматическое включение резерва. — А.С. № 1721708 от 23.03.92

25. Schwarizenberg J. W., De Donker R. W. A 15kV Medium Voltage Transfer Switch, Proceedings of the IEEE IAS Annual Meeting 1995, pp. 2515-2520.

26. Hornak D. L., Zipse D. W. Automated Bus Transfer Control for Critical Industrial Processes, IEEE Rural Electric Power Conference, April/May 1995, pp. C5-1-C5-18

27. Mokhtari H., Dew an S. В., Reza Iravani M. Performance Evaluation of Thyristor Based Static Transfer Switch, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 15, No. 3, July 2000, pp. 960-966

28. Takeda М., et al. Development of a Novel Hybrid Switch Device and Apphcation to a Solid-State Transfer Switch, Power Engineering Society Winter Meeting, IEEE , 1999, pp. 1151 -1156 vol.2

29. Чуа Л. О., Лин Пен-Мин. Машинный анализ электронных схем: Алгоритмы и вычислительные методы. — М.: Энергия, 1980. 640 с, ил.

30. Калахан Д. Методы машинного расчета электронных схем. — М.: Мир, 1970. 344 с.

31. Влах И., Сингхал К. Машинные методы анализа и проектирования электронных схем. — М.: Радио и связь. 1988. 560 с.

32. Сипайлов Г. А., Лоос А. В. Математическое моделирование электрических машин. М.: Высш. шк., 1980. - 176 с.

33. Андерсон П., Фауд А. Управление энергосистемами и устойчивость. М.: Энергия, 1980. - 586 с.

34. Целемецкий В. А. Матричные математические модели электрических машин переменного тока в фазных координатах // Изв. АН СССР «Энергетика и транспорт», 1978. КЛ 2. - с. 113-122.

35. Коробейников Б.А., Ищенко А.И., Ищенко Д.А. Режим выбега асинхронного двигателя // Сборник тезисов научных работ студентов, отмеченных наградами и поощрениями на конкурсах. Вьш. 1 / Кубанский госуд. технологич. ун-т, 1996. — с. 79-81

36. Jones С. V. The unified theory of electrical machines. London. 1963. - 563 c.

37. Коробейников Б.А., Ищенко Д.А., Шамкий П.Н. Математическая модель явнополюсного синхронного двигателя в фазной системе координат // Научный журнал «Труды КубГ-ТУ», Т.З. Сер.Энергетика, 1999. Вып. 1. - с. 215-218.

38. Коробейников Б.А., Ищенко Д.А., Ищенко A.A. Формирование уравнений состояния для системы промышленного электроснабжения, содержаш,ей асинхронные двигатели. Б. ук. ВИНИТИ «Деп. научн. работы», 1997. №2849-В97 от 16.09.97.

39. Shampine L. F. Numerical Solution of Ordinary Differential Equations, Chapman к Hall, New York, 1994.

40. Ковалев Ю. 3. Методы решения динамических задач электромеханики на ЭЦВМ. — Омск: Омский полит, ин-т, 1984. — 84 с.

41. Иванов В. В. Методы вычислений на ЭВМ. Справочное пособие.— Киев: Наукова думка, 1986. — 584 с.

42. Демирчан К. С, Бутырин П. А. Моделирование и расчет электрических цепей.— М.: Высш. школа, 1988. — 335 с.

43. Деккер К., Вервер Я. Устойчивость методов Рунге-Кутты для жестких нелинейных дифференциальных уравнений.— М.: Мир, 1988. 334 с.

44. Холл Дж., Уатт Дж. Современные численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. — М.: Мир, 1979. 312 с.

45. Brayton R. К., Gustavson F. G., Hatchel D. G. A new efficient algorithm for solving differential-algebraic systems using implicit backward differentiation formulas. — Proc. IEEE, 60, 1972, pp. 98-108

46. Gear G. W. Algorithm 407, DIFSUB for solution of ordinary differential equations. — Communs. Ass. comput. Mach., 14, 1971. 350 c.

47. Klopfenstein R. W. Numerical differentiation formulas for stiff systems of ordinary differential equations, RCA Review, 32 (1971), 628 c.

48. Ракитский Ю. В., Устинов С. М., Черноруцкий И. Р. Численные методы решения жестких систем. — М.: Наука, 1979.- 208 с.

49. Артемъев С. С, Демидов Г. В. Алгоритмы переменного порядка и шага для численного решения жестких систем обыкновенных дифференциальных уравнений. — Новосибирск, препринт 45, ВЦ СО АН СССР, 1978.

50. Kahaner D., Moler С, and Nash S. Numerical Methods and Software. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1989.

51. Brown P.N., Byrne G.D., and Hindmarsh A.C. VODE: a variable-coefficient ODE solver, SI AM J. Sei. Comput., 10, 1989.- 1051 c.

52. Curtis A.R. The FACSIMILE numerical integrator for stiff initial value problems. Computational Techniques for Ordmary Differential Equations, Academic, London, 1980, pp. 47-82.

53. Ортега Дж., Пул У. Введение в численные методы решения дифференциальных уравнений. — М.: Наука, 1986. — 288 с.

54. Steihaug Т., Wolfbrandt А. An attempt to avoid exact Jacobian and nonhnear equations in the numerical solution of stiff differential equations. — Math. Сотр., 33, 1979. — 534 p.

55. Zedan Н. A variable order/variable-stepsize Rosenbrock-type algorithm for solving stiff systems of ODE's. — Tech. Report YCS114, Dept. Сотр. Sci., Univ. of York, York, England, 1989.

56. Bogacki P., Shampine L. P. A 3(2) pair of Runge-Kutta formulas, Appl. Math. Letters, 2, 1989.

57. Dormand J. R., Prince P. J. A family of embedded Runge-Kutta formulae, J. С о тр. Appl. Math., 6, 1980.

58. Dormand J. R., Prince P. J. Runge-Kutta triples, Сотр. & Maths, with Appls., 12A, 1986.

59. Shampine L. P., Gordon M. K., Computer Solution of Ordinary Differential Equations: the Initial Value Problem, W. H. Freeman, San Francisco, 1975.

60. Ishchenko D., Korobeyniov В., Hoidalen H.K. ATP-EMTP Modelling of a Fast Automated Bus Transfer Control // Proc. of European EMTP-ATP Conference. Bristol, UK, 2001. -pp. 70-84.

61. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров математической модели глубокопазных асинхронных двигателей // Изв. вуз. Сер. Электромеханика, 1989. — 8. — с. 33-38.

62. Сивокобыленко В.Ф., Гармаш B.C. Определение параметров схем замещения асинхронных и синхронных двигателей // Изв. АН СССР «Энергетика и транспорт», 1982. — № 5. — с. 154-159.

63. Сивокобыленко В. Ф. Переходные процессы в многомашинных системах электроснабжения электрических станций. — Донецк.: ДПИ, 1984. 116 с.

64. Коробейников Б.А., Ищенко Д.А. Пуск группы синхронных двигателей // Повышение эффективности электротехнических комплексов и энергетических систем. Тезисы докл. региональной научно-практич. конф. / Кубанский госуд. техно-логич. ун-т, 1998. — 8 с.

65. Коробейников Б.А., Ищенко Д.А., Шамкий П.Н. Особенности работы явнополюсных синхронных двигателей при нарушениях симметрии // Научный журнал «Труды КубГТУ», Т.З. Сер. Энергетика, 1999. Вып. 1. - с. 219-223.

66. Коробейников Б. А., Ищенко А.И., Ищенко Д.А. Определение параметров глубокопазного асинхронного двигателя в фазной системе координат. Б. ук. ВИНИТИ «Деп. научн. работы», 1997. KA2848-B97 от 16.09.97.

67. Коробейников Б.А., Ищенко А.И., Ищенко Д.А. Определение параметров трансформаторов в фазной системе координат. Б.168ук. ВИНИТИ «Деп. научн. работы», 1997. №2850-В97 от 16.09.97.