автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методика исследования и расчета судового конденсаторного источника реактивной мощности

Введение.

1. Реактивная мощность и её влияние на эксплуатационные показатели судовых электрических станций.

1.1. Анализ статических режимов работы судовых электрических станций и использования генераторных агрегатов на современных морских судах.

1.2. Причины снижения коэффициента мощности судовых синхронных генераторов.

1.3. Влияние снижения коэффициента мощности СГ на эксплуатационные характеристики СЭЭУ.

2. Методика расчета статических реактивных нагрузок СЭС.

2.1. Обоснование необходимости разработки методики и основные требования, предъявляемые к ней.

2.2. Анализ существующих методик.

2.3. Применение метода Монте-Карло к расчету реактивных нагрузок СЭС.

2.4. Разработка алгоритма расчета.

3. Варианты ИРМ и математическое описание переходного процесса в СЭЭС с конденсаторным компенсирующим устройством.

3.1. Анализ конкурирующих вариантов ИРМ.

3.2. Рекомендации по выбору варианта ИРМ.

3.3. Характеристика переходного цроцесса цри коммутации секций КБ в автономной СЭЭС.

3.4. Математическое описание переходного цроцесса

3.5. Порядок расчета переходного процесса.

4. Анализ влияния неисцравностей бесконтактного конденсаторного ИРМ на искажение симметрии напряжений судовой сети . III

4.1. Обоснование необходимости цроведения анализа . III

4.2. Несимметричные режимы работы бесконтактного ИРМ со ступенчатым регулированием.

4.3. Влияние несимметричных режимов бесконтактного ИРМ на его элементы и судовое электрооборудование.

4.4. Определение степени несимметрии в СЭЭС при неисцрав-ностях бесконтактных коммутаторов конденсаторного

4.5. Построение практической номограммы для определения зависимости Еис= для судовых СГ

Увеличение общего тоннажа морского транспортного, рыбодобы-ващего и рыбообрабатывающего флота неразрывно связано с необходимостью дальнейшего увеличения производства электрической энергии на судах. Это требует выполнения комплекса мероприятий по ее рациональному использованию и уменьшению относительно высокой се

• бестоимости. Одним из непременных условий успешного решения поставленной задачи является эффективное использование установленной мощности судовых генерирующих агрегатов, эксплуатация которых во многом определяет режим экономии топливно-энергетических ресурсов на флоте.

Вместе с тем, проведенные исследования свидетельствуют о качественных изменениях в характере нагрузки электростанций современных судов в сторону увеличения потребления реактивной мощности (РМ). Указанная тенденция характерна для большинства типов судов, в то время как проблеме компенсации РМ в судовых электроэнергетических системах (СЭЭС) до настоящего времени еще не уделяется должного внимания. С другой стороны некоторые современные СЭЭС приближаются по уровню потребления электрической энергии к отдельным береговым предприятиям, потребление РМ которых регламентировано. В токе время, возросший уровень потребления РМ в СЭЭС приводит к тем же отрицательным последствиям, что и в береговых электроустановках, а также к чисто специфическим, обусловленным автономностью источников судовой электрической энергии. Прежце всего это касается необходимости параллельной работы дополнительного количества источников электроэнергии даже в тех случаях, когда по условиям активной нагрузки этого не требуется. При этом загрузка первичных двигателей снижается, а удельный расход топлива увеличивается. Чрезмерная загрузка реактивными токами источников электроэнергии ухудшает ряд их эксплуатационных характеристик, о чем подробно будет сказано в основном тексте.

Поэтому экономические соображения, а также требования эксплуатационного характера все чаще вынуждает обращаться к проблеме компенсации РМ, что приводит к включению в состав отдельных СЭЭС дополнительных источников реактивной мощности (ИРМ). Решением этих вопросов занимаются некоторые научно-исследовательские и проектные организации и высшие учебные заведения страны. Проблема компенсации РМ явилась предметом обсуждения Второй Всесоюзной НТК "Автоматизация и пути развития СЭЭС", состоявшейся в 1976 году в г. Севастополе, на Третьей Всесоюзной НТК "Совершенствование проектирования судовых ЭЭС и технологии электромонтажных работ" и на Четвертой Всесоюзной НТК "Проблемы создания мощных электроэнергетических систем и систем электродвижения для судов ледового плавания и технических средств освоения шельфа", состоявшихся соответственно в 1979 и 1983 гг. в г. Ленинграде /44, 45, 80/. В рекомендациях конференций в частности отмечается /14/: "Провести комплекс работ по определению областей применения компенсации реактивной мощности и видов ее, разработке расчетно-проектных рекомендаций, разработке и созданию номенклатуры необходимого оборудования".

В системе ММФ и МРХ СССР уже эксплуатируется ряд судов с введенными в состав электроэнергетических систем дополнительными ИРМ, что продиктовано определенной потребностью в них. Примером судов с применением конденсаторных установок (КУ) в качестве ИРМ являются находящиеся в эксплуатации в Дальневосточном бассейне шгавбазы типа "Спасск", "Советская Россия", "Владивосток" и "Дальний Восток", рыбомучные базы типа "Пятидесятилетие СССР", транспортно-рефрижераторные суда типа т/х "Пролив Лаперуза", сухогрузные суда т/х "Константин Заньков"-и т/х "Пионер Славянки", нефтеналивное судно т/к "Ахтуба" (типа т/х "София") и др. Известны случаи применения в качестве дополнительных ИРМ судовых синхронных двигателей (гребной электродвигатель на БМРТ типа "Октябрьск" /15/). В /46/ сообщено о разработке и внедрении автоматического дополнительного ИРМ на базе конденсаторная батарея (КБ) - управляемый дроссель.

Однако, в большинстве случаев применения на перечисленных судах дополнительных ИРМ с использованием в качестве последних КБ подключение их к шинам ГНЦ осуществляется вручную и с помощью автоматических воздушных выключателей (ABB), контакторов и даже рубильников в блоке с предохранителями.

Не останавливаясь подробно на недостатках контактной коммутации, достаточно отметить, что такой способ не может быть оправдан во всех без исключения случаях и требует дополнительных исследований.

Отсутствие автоматического управления работой ИРМ может приводить в отдельные моменты времени к режиму перекомпенсации. Из этого вытекает необходимость постоянного вахтенного обслуживания КУ, особенно в режимах быстрого изменения нагрузки судовой электростанции (СЭС) /48/. Это обстоятельство находится в прямой цроти-воположности с общей тенденцией автоматизации флота и в частности безвахтенным обслуживанием машинного отделения на автоматизированных судах.

Необходимо отметить, что даже применение автоматического управления с использованием контактных коммутационных аппаратов, широко используемое в береговых КУ, не устраняет недостатков первой группы, 'являвдихся особенно существенными для автономных СЭЭС.

К указанным недостаткам необходимо добавить, что задача прогнозировашш реактивных нагрузок СЭС для определения требуемой мощности компенсирующего устройства, а также вопросы выбора его варианта решаются однозначно по аналогии с подобными береговыми установками.

Учитывая сказанное, постановка вопроса о необходимости введения в состав СЭЭС дополнительных ИРМ предопределяет на первом этапе осуществить решение следующих основных задач.

Независимо от предполагаемого к установке варианта ИРМ, необходимо решить вопрос более точного определения реактивных нагрузок СЭС. Существующие способы расчета ИРМ для береговых электроустановок не пригодны для судовой практики, так как цели и задачи компенсации РМ в СЭЭС и береговых не всегда совпадают. Кроме того, в практике проектирования береговых электроустановок до настоящего времени нет пока общепризнанной методики.

Учитывая многообразие существующих вариантов ИРМ, необходимо охарактеризовать каждый с целью определения приемлемых для проектируемых и модернизируемых СЭЭС.

Анализ технико-экономических показателей существующих типов ИРМ, эксплуатационных требований к ним и характера реактивных нагрузок СЭС дает основания одним из приемлемых вариантов считать в настоящее время компенсирующее устройство в виде КБ с автоматическим ступенчатым регулированием мощности. Вместе с тем, решение вопроса о способе коммутации (контактный или бесконтактный) отдельных секций КБ требует создания методик исследования, пригодных для автономных СЭЭС.

При включении в состав СЭЭС дополнительных ИРМ неизбежно возникают вопросы их взаимодействия со штатным оборудованием, причем не только в рабочих, но и в ненормальных и аварийных ситуациях. Некоторые из этих воцросов, принципиально важных при проектировании

ИРМ, должны быть рассмотрены в первую очередь. Наиболее вероятным ненормальным режимом конденсаторного ИРМ с бесконтактной коммутацией следует считать выход из строя полупроводниковых приборов отдельных фаз коммутаторов, или исчезновение их управляющих сигналов. Возникакщие вслед за этим несимметричные режимы ступеней ИРМ приводят к несимметрии напряжений СЭС, допустимая величина которой для электрооборудования нормирована.

В соответствии с этим научная задача, решаемая в диссертационной работе, может быть сформулирована следующим образом: разработка методик определения статических реактивных нагрузок СЭС и взаимодействия конденсаторного ИРМ со штатным судовым электрооборудованием.

На защиту выносятся:

- методика и алгоритм расчета реактивной нагрузки СЭС;

- математическая модель для исследования переходных процессов при коммутации ступеней конденсаторного ИРМ в автономной СЭЭС;

- методика и номограмма оцределения несимметрии напряжений СЭС цри неисправностях бесконтактного конденсаторного ИРМ.

I. РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ И ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ