автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование элементов системы электроснабжения промышленных предприятий (включая статические тиристорные компенсаторы) с целью оптимизации установившихся режимов

На правах рукописи

РОДИН ВАЛЕРИЙ ВАДИМОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ (ВКЛЮЧАЯ СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ) С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидат юхиичоских наук

Моокна 1998

г

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки и техники РФ,

доктор технических наук, профессор В.В.ШЕВЧЕНКО

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Т.Б. ЛЕЩИНСКАЯ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник И.И.КАРТАШЕВ. Ведущее предприятие - ОАО «Электропроект»

филиал «Центральный»

Защита диссертации состоится ¿^ноября 1998 г. в аудитории М-214 в ■{}£ час. (?Л мин. на заседании диссертационного Совета К053.16.06. Московского Энергетического Института (Технического Университета) по адресу: ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим присылать по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, 14, Ученый Совет МЭИ (ТУ).

С диссирIациой можно ознакомился в библиоюке МЭИ (ТУ). Автореферат разослан « 8 » 1998 г.

Ученый секретарь

диссертационно! о Соиео К 053.16.06.

кандидат технических наук, доцент Анчарова Т В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ. ПРОБЛЕМЫ. Для современных систем электроснабжения промышленных предприятий характерно наличие крупных потребителей активной и реактивной мощности с резкопеременным характером нагрузки, а также потребителей различных типов, включая потребителей постоянного тока.

Для исследования установившихся режимов систем электроснабжения переменно-постоянного тока необходима разработка на единой методологической основе математических моделей их структурных элементов, которые позволяли бы учитывать основные функциональные особенности.

Кроме того, одним из возможных способов решения задачи компенсации реактивной мощности может являться установка на промышленных предприятиях статических тиристорных компенсаторов (СТК), которые широко применяются в мировой практике, однако в России внедрение таких СТК находится на начальной стадии. Разработка математической модели СТК, которая позволяет вводить этот элемент при расчете установившихся режимов систем электроснабжения в расчетную схему замещения также является актуальной задачей.

ЦЕЛЬЮ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ является:

- разработка математических моделей основных элементов систем электроснабжения, включая элементы постоянного тока;

математическое моделирование статических тиристорных компенсаторов;

- вероятностное моделирование характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей, как основных потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях, при наличии СТК;

- обоснование необходимости установки СТК на промышленных предприятиях при резкопеременных нагрузках.

МЕТОДИКА__ПРОВЕДЕНИЯ_______ИССЛЕДОВАНИЙ. Исследования,

проведенные в диссертационной работе, основываются на использовании методов математического моделирования, теории вероятностей, теории расчета электрических сетей. Программы расчета составлены для ПЭВМ.

ОБОСНОВАНИЕ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ.....И

ВЫВОДОВ определяется корректным применением математических методов, сравнением полученных результатов с апробированными моделями, согласованностью результатов, полученных разными способами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- разработаны на единой методологической основе для расчета установившихся режимов математические модели основных элементов системы промышленного электроснабжения, включая СТК;

- разработаны вероятностные модели характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей при установке СТК в узле их подключения;

- предложен коэффициент, который в работе назван "Выгода производителя", позволяющий оценить эффективность установки СТК на промышленных предприятиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Математические модели элементов систем электроснабжения и методики, разработанные в диссертационной работе, могут быть использованы в проектной практике и при расчете установившихся режимов действующих промышленных предприятий. С помощью предложенного коэффициента «Выгода производителя» владельцы промышленных предприятий могут оценить эффективность компенсации ре активной мощности СТК.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции по управлению в электрических системах (Братислава, май 1996 г.), на совещании в АО "Тулэнерго" (май 1998 г.), на заседаниях кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ. ПУБЛИКАЦИИ - по результатам исследований опубликовано шесть печатных работ.

ОБЩИЙ_ОБЪЕМ - диссертация изложена на 153 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (67 наименований), содержит 40 рисунков и 14 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава посвящена моделированию элементов системы электроснабжения, включая СТК. Во введении дан краткий обзор истории развития передач постоянного и переменного тока, а шкже проведен анализ методов расчета установившихся режимов систем электроснабжения, содержащих звенья постоянного тока. Подробно рассмотрены основные уравнения режима вентильного преобразователя и предложена математическая модель, причем основными энергетическими характеристиками работы преобразователя являются значения мощностей на его входе со стороны переменного тока. Затем рассмотрены существующие типы статических тиристорных компенсаторов.

Статические компенсаторы реактивной мощности созданы в различных вариантах. Однако, контролируемые элементы, используемые в большинстве СТК, в принципе схожи. Широко используемые типы СТК следующие:

• тиристорно-управляемый реактор (ТУР)

• тиристорно-переключаемый конденсатор (ТПК)

• тиристорно-переключаемый реактор (ТПР)

• механически переключаемый конденсатор (МПК). В работе проанализированы достоинства и недостатки перечисленных типов СТК.

Типичная зависимость напряжения на зажимах от тока на выходе статического компенсатора показана на рис. 1. В большинстве случаев СТК не используется как совершенный регулятор напряжения на зажимах, чаще всего допускается небольшое изменение напряжения на зажимах при изменении компенсирующего тока. Статизм регулирования определяется как

тах / ^с тах ~ тах / Ь тах (1)

Это позволяет расширить линейную область работы компенсатора, улучшить устойчивость регулирования напряжения, обеспечить заданное распределение реактивной нафузки между СТК и другими устройствами регулирования напряжения.

4

\ ! \ 1 1 1 Уш. / | / / ^ / ! 1 / | А С мм

! 1 / 1 » / 1 / 1 / —►

Тик

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика СТК Напряжение, при котором СТК не потребляет и не генерирует реактивную мощность, называется базовым (1)ном).

В работе рассмотрен пример применения СТК для оптимизации работы дуговых сталеплавильных печей. СТК представляет собой цепь

фильтров и реактор с тиристорным управлением (ТУР). Показано, что на сталелитейном заводе при установке СТК 35 МВар для двух ДСП, каждая номинальной мощностью 10 МВт, получили уменьшение времени расплавления на 30 мин.

Опыт эксплуатации СТК в России и странах СНГ довольно небольшой. 8 диссертации приведены данные по 15 промышленным предприятиям, где установлены СТК. Анализ режимов работы СТК показал, что на значительном количестве предприятий используются в основном фильтры, тиристорно-реакторная часть по ряду причин используется реже.

За рубежом СТК на промышленных предприятиях используются с начала 70-х годов. По данным только фирмы АББ, в настоящее время эксплуатируется более 200 СТК на промпредприятиях, что улучшает работу этих заводов по многим показателям.

Вторая глава посвящена вероятностному моделированию характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей при наличии СТК в узле их подключения. Реактивную мощность АД необходимо рассматривать как функцию двух переменных: активной мощности АД и напряжения на его зажимах. Однако, при установке СТК в узле напряжение можно считать практически постоянным. Тогда можно представить

ц = АК2З + В (2),

где Кз - коэффициент загрузки по активной мощности, А и В - числовые коэффициенты, зависящие от номинальной мощности и числа пар полюсов АД. Проанализированы законы распределения реактивной мощности АД при известных законах распределения активной мощности на валу АД. Подробно рассмотрены нормальный и равномерный законы распределения активной мощности. Получены числовые характеристики реактивной мощности и построен ряд зависимостей, одна из которых приведена на рис. 2.

Рис. 2. Зависимости математического ожидания реактивной мощности АД от номинальной мощности, числа пар полюсов, коэффициента использования активной

мощности при нормальном законе распределения К3.

В качестве исходных данных для определения математического ожидания и дисперсии реактивной мощности индивидуального АД необходимо знать:

1. Номинальные параметры АД (Рн, А, В).

2. Числовые характеристики индивидуального графика активной нагрузки АД.

3. Общие характеристики технологического режима (вероятность нахождения двигателя под напряжением, включая холостой ход, т.е.

. коэффициент включения по реактивной мощности, вероятность нахождения двигателя в рабочем режиме, т.е. коэффициент включения по активной мощности, примерный вид закона распределения активной нагрузки).

Электрическая нагрузка узла системы электроснабжения для каждого момента времени зависит от числа работающих электроприемников (ЭП), степени их загрузки и имеет поэюму переменные, вероятностные характеристики.

Для получения наиболее достоверных данных, например о реактивной мощности, необходима регистрация нагрузки в течение достаточно длительных промежутков времени, обычно осуществляемая с помощью самопишущих приборов.

Характер и форма индивидуальных графиков электрической нагрузки электроприемников определяются технологическим процессом. Групповой график есть результат суммирования графиков отдельных электроприемников, входящих в группу. Однако даже при одинаковых электроприемниках их групповой график может принимать различные очертания в зависимости от ряда случайных факторов, обусловливающих сдвиги во время работы отдельных

электроприемников. Несколько моментов включения одного электроприемника, следующих друг за другом, образуют элементарный поток его включений, а несколько моментов выключения элементарный поток выключений.

Необходимо отметить, что потоки включений электроприемников примерно стационарны, так как здесь действуют достаточно большое число автоматических установок, которые включаются и отключаются по случайному закону, т.е. невозможно точно предсказать, сколько будет включений того или иного электроприемника. Тем не менее, средние числа включений электроприемников за указанные интервалы стабильно устойчивы.

Задача заключается в разработке методики, позволяющей определить среднесменную реактивную мощность групповой нагрузки за наиболее загруженную смену при условии, что общее число электроприемников и коэффициенты включения последних известны.

Математическое ожидание групповой нагрузки M[Q], i.e. матожидание суммы случайного числа случайных слагаемых определяйся как сумма произведений условных матмшичоских ожиданий на вероятность включения соответствующих электроприемников:

мс>]=1л. !>[</,] (3)

К, I I

где М faj] - математическое ожидание индивидуального графика нагрузки j-ro электроприемника за время включения; fBk- вероятность

включения того или иного набора ЭП из общего числа Н; gk - набор конкретных электроприемников.

На практике при определении среднесменной реактивной нагрузки группы электроприемников встречаются следующие варианты:

1. Электроприемники имеют разные числовые характеристики и коэффициенты включения М (qj) = var; D Ц) = var; kj = var; Hj = var.

2. Электроприемники имеют одинаковые коэффициенты включения Xj = X = const; jij = ji = const и разные числовые характеристики М (qj) = var; D (qj) = var;

3. Электроприемники имеют одинаковые числовые характеристики M(qj)=M (q); D (qj) = D (q) и разные коэффициенты включения.

4. Электроприемники имеют одинаковые числовые характеристики и коэффициенты включения М (q^ = М (q); D (qj) = D (q); \ = X; Hj = ц.

Случайная величина реактивной групповой нагрузки представляет собой сумму Q =Sqj, где случайные величины q( независимы с математическим ожиданием M(qp и дисперсией D(qj); число слагаемых Н есть целочисленная случайная величина, не зависящая от слагаемых q^ имеющая математическое ожидание М(Н) и дисперсию 0(H). Используя теоремы теории вероятностей, находим выражения

математического ожидания суммы случайного числа случайных слагаемых для всех указанных вариантов.

В табл. 1 приведены выражения математического ожидания случайной величины реактивной мощности групповой нагрузки для указанных выше вариантов совокупностей ЭП.

Таблица 1

Математическое ожидание реактивной мощности групповой нагрузки

Вариант совокупности М(Я))=уаг г М(^)=уаг М(ц,)=М(Ч) \=Х

М[0] 11 11 ншио

Были проведены расчеты среднесменной групповой реактивной нагрузки на ПЭВМ для трех совокупностей асинхронных двигателей с М(^) = уаг; ^ = уаг и Н = 15, 30 и 90 АД.

В таблице 2 приведены результаты расчета.

Как видно из таблицы 2, при расчете групповой нагрузки по усредненным значениям X и ЛУ(</) погрешность становится том меньше, чем больше число злектроприемников; так, при Н = 15 погрешность в расчете М [О] составляет примерно 18% и при Н = 90 погрешность уменьшается до 0,5%.

Таблица 2.

Матожидание групповой реактивной нагрузки при нормальном законе

распределения Кз

ХМ(Ч) Н Погрешность, %

М[0],кВар, при первой совокупности Н = 15 242 204 18

М[0],кВар, при второй совокупности Н = 30 429,8 424,7 1,2

М[(3],кВар, при третьей совокупности Н = 90 1276.5 1270 0,5

В заключение главы приведен пример расчета реактивной мощности по общепринятой и предложенной в диссертации методике для группы АД (всего 300 штук). Показано, что для расчета установленной мощности СТК в узле с АД рекомендуется использовать разработанные вроятностныо характеристики реактивной мощности, неучег коюрых приводи! к занижению значении номинальной мощное г и СТК.

Третья глава посвящена обоснованию необходимости установки СТК при резкоЛеременных нагрузках. Проанализированы потребители реактивной мощности с резкопеременным характером нагрузки и рассмотрена компенсация реактивной мощности резкопероменных нагрузок в России. Показаны достоинства и недосотки существующих устройств компенсации реактивной мощности и сформулированы основные требования, которым должно удовлетворять устройство компенсации реактивной мощности: /

1. Достаточная величина располагаемой реактивной мощности, обеспечивающая диапазон возможного регулирования. /

2. Высокое быстродействие.

3. Возможность пофазного регулирования.

4. Возможность комплексного использования (для снижения потерь, повышения коэффициента мощности, регулирования напряжения и улучшения его качества).

Всем этйм условиям удовлетворяют СТК. Кроме того, по данным зарубежных компаний СТК требуется более простая и дешевая эксплуатация.

Детально проанализирована компенсация реактивной мощности резкопеременных нагрузок с помощью СТК за рубежом. Особо выделены сталелитейные заводы.

Проведенный анализ позволяет сделать вывод: СТК оказывает влияние на показатели, выгодные непосредственно производителю:

- увеличение мощности плавления, что ведет к сокращению времени плавления и более высокой производительности.

- снижение износа электродов вследствие более короткого времени плавления и более стабильной дуги.

- уменьшение потребляемой энергии, благодаря снижению потерь.

В диссертации предлагается введение дополнительного показателя. Назовем его коэффициент "Выгода производителя" от установки СТК на металлургических заводах (\/Р). Цель введения такого показателя - доказать непосредственно владельцу завода, который, как правило, далек от электроэнергетики, что при установке СТК на его предприятии будет выгода в деньгах производителю. В этом случае собственник предприятия будет рассматривать установку СТК в качестве КУ не как печальную необходимость для сохранения абстрактного для него понятия "качество электроэнергии", но как инвестиции в производство, которые быстро окупаются.

Предлагается рассчитывать "Выгоду производителя" по следующей формуле:

ур =______!5стк--(4)

К,ДП + П£(К2Л Э +К3Л Э Э)

где Кстк - стоимость СТК, включая строительно-монтажные работы (РУб),

ДП - увеличение производительности печи при установке СТК (тонн/год),

Пе - суммарная производительность печи с СТК (тонн/год),

АЭ - экономия электродов (как правило, 0,5 кг/тонну при установке СТК

в течение года),

ДЭЭ - экономия электроэнергии при установке СТК (кВтч/тонн) К, - стоимость выплавки металла, руб/тонн, К2 - стоимость электродов, руб/кг, К3 - стоимость потерь электроэнергии, руб/кВтч.

Поскольку при предлагаемых единицах измерения коэффициент \/Р будет измеряться в единицах "год", то при величине УР меньше единицы затраты на установку СТК окупаются меньше, чем за год. Однако проведенный анализ показал, что, как правило, установка СТК окупается за срок приблизительно два года.

Большая часть выгоды от установки СТК (более 60%) составляется от дополнительного выпуска продукции. Как правило, после установки СТК за счет сокращения времени плавки можно осуществить дополнительную плавку в день. Следующие две составляющие (от экономии электродов и экономии электроэнергии) влияют на УР приблизительно в равных долях. Однако для условий России эти соотношения могут меняться, и в каждом конкретном случае, если не

известны точные количественные характеристики, можно прибегнуть к экспертным оценкам.

Четвертая глава носвнщена разработке математических миделей звена постоянного тока и СТК для анализа установившихся режимов.

При анализе установившихся режимов СЭС определенные трудности в процессе расчета вносят элементы постоянного тока и СТК. Модели носюннною и переменного токов отличаются дру1 01 дру<а но структуре, что усложняет процесс автоматического формирования уравнений состояния СЭС переменно-постоянного тока в целом.

Анализ установившихся режимов таких СЭС в зависимости от требований, предъявляемых к решению задачи, можно разделить на два вида:

расчет режимов при фиксированных значениях параметров регуляторов звена постоянного тока (учитывается лишь влияние звена постоянного тока на режим в целом);

- параметры регуляторов звена постоянного тока в общем случае входят в вектор независимых переменных.

Математическая модель звена постоянного тока представлена в форме активной и реактивной мощности. С помощью этой модели можно определить угол коммутации выпрямителей и инвертора и величину угла опережения инвертора.

Модель СТК разработана для компенсатора, состоящего из параллельно включенных батарей конденсаторов (БК) и тиристорно-управляемых реакторов (ТУР). Это наиболее часто встречающийся тип СТК.

Математическая модель СТК, которая позволяет учитывать его регулировочные свойства, может быть представлена в виде двухполюсника со значениями мощностей на входе РСТ1( и ОСТ1<:

г.к

(5)

(6)

|дв и - напряжение на шинах подключении С1К, а - акшшши проводимость реактора, А Рьк - потери активной мощности в БК, <3БК -реактивная мощность батареи конденсаторов, определяемая ее реактивной проводимостью Ьвк и напряжением и.

Отур " реактивная мощность тиристорно управляемых реакторов по основной гармонике, зависящая от угла управления а тиристоров преобразователя. Оуур определяется функцией управления (Ь^р -проводимость реактора):

Выражение (8) справедливо при отсчете угла а от момента максимума напряжения. При отсчете угла управления от прохождения мгновенного значения напряжения через ноль мощность равна:

Разработанные в диссертации модели ориентированы на использование в программе «Режим» кафедры Электроэнергетических систем МЭИ, поскольку она позволяет учитывать узлы системы электроснабжения практически всех типов.

Математическая модель для анализа установившихся режимов систем электроснабжения переменно-постоянного токов может быть сформирована по структурному принципу моделей отдельных элементов при общем векторе переменных

Обк = Ь5К

(7)

Отур = Ьуур И*{а)= Ьтур И1(\-2а I я-Ы1\2а I л)

(8)

отур = ЬТУР1)г{2-.2а / я + ьт2а / л)

(9)

X = Х^,Хпр,Х=,Хстк.ХсВ

где х_- соответствует элементам переменного тока; ,дг. - то же, но на постоянном токе, хпр, - отражает наличие преобразователей; хСтх -

вектор, отражающий СТК, г,„ - отражает топологическую связь между отдельными структурными моделями.

Предложенная модель СТК позволяет включать их в общую математическую модель для любого узла схемы системы электроснабжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Наличие на промышленных предприятиях потребителей . на постоянном токе требует совместного рассмотрения СЭС постоянно -переменного тока, что требует развития и совершенствования математических моделей и методов расчета установившихся режимов таких систем.

2. П нпсншщгш промя маиГюлоо порсмокшипим исгочииком риаюишюй мощности для крупных промышленных предприятий являются СТК. В работе проанализированы основные типы СТК, применяемые в мировой практике для компенсации реактивной мощности и поддержания уровней напряжения.

3. Предложена вероятностная модель характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей как основных потребителей при наличии СТК в узле их подключения, поскольку выбор мест установки имощности СТК, распределение реактивной мощности между уже существующими источниками невозможно провести без корректного математического моделирования.

4. Разработана методика, позволяющая определить для индивидуального АД и группы АД реактивную нагрузку с учетом вероятностных характеристик, которая компенсируется с помощью СТК, установленного в том же узле.

5. Показано, что неучет вероятностных характеристик реактивной мощности АД приводит к занижению номинальной мощности СТК.

6. Сформулированы основные положения, которым должно удовлетворять устройство компенсации реактивной мощности в современных условиях (достаточный диапазон регулирования, быстродействие, возможность пофазного управления, комплексное использование для улучшения ряда показателей).

7. Предложено внедрение коэффициента "Выгода производителя", обосновывающего установку СТК на промпредприятии и разработана методика определения этого коэффициента.

8. Разработаны математические модели структурных элементов постоянного тока для системы электроснабжения, а также математическая модель СТК, позволяющая учитывать его регулировочные свойства.

Основные положения диссертации опубликованы п следующих работах:

1. Шевченко В.В:, Родин В.В. Применение СТК для оптимизации работы дуговых сталеплавильных печей//Науч.-техн. конф. "Инф. технологии в электротехнике и электроэнергетике"-Тез. докл.- Чебоксары, 1996, с. 18-20.

2. Шевченко В.В., Буре И.Г., Хевсуриани И.М., Гапеенков A.B., Родин В.В. Улучшение показателей надежности пот реби1 елей электроэнергии, содержащих конденсаторы (на англ. яз.)//СоШго1 of power systems' 96, 2nd International Conference, Bratislava, 1996, p. 377-380.

3. Мосичева И.А., Родин B.B. Определение закона распределения реактивной мощности асинхронного двигателя при нормальном законе распределения его активной мощности (на англ. яз.)//2пс! International student's Congress, Vladivostok, 1997, p. 215-216.

4. Родин B.B. Продукция компании "АББ Электроинжиниринг"// Семинар ведущих специалистов ОЭС Северного Кавказа: Тез. докл. -Пятигорск, 1997. - с.45.

5. Конюхова Е.А., Родин В.В. Вероятностное моделирование характеристик реактивной мощности АД при наличии СТК// Электричество, 1998, Ns 4, с. 43-48.

6. Шевчонко В.В., Буре И.Г., Буре А.Б., Хевсуриани М.И., Гапеенков A.B., Родин В.В. Новые комбинированные фильтры для нелинейных потребителей электроэнергии большой мощности (на англ. яз.) // New trends in automation of energetic processes'98, 3rd International Conference, Brno, 1998, p. 408-412.

Ш _Тираж! 0_0____________Заказ ш

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

-у

у / .

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

РОДИН ВАЛЕРИЙ ВАДИМОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ (ВКЛЮЧАЯ СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ) С ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ доктор технических наук профессор В.В.ШЕВЧЕНКО

Москва 1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СЭС, ВКЛЮЧАЯ СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ.........

1.1. Характеристика проблемы.....................................................

1.2. Особенности анализа установившихся режимов СЭС, содержащих звенья постоянного тока....................................

1.3. Моделирование структурных элементов СЭС.........................

1.4. Модели элементов сети постоянного тока..............................

1.5. Модель статического тиристорного компенсатора...............

1.6. Применение СТК для оптимизации работы дуговых сталеплавильных печей.........................................................

1.7. Опыт эксплуатации СТК в сетях промышленных предприятий.....

1.8. Выводы по первой главе........................................................

ГЛАВА 2. ВЕРОЯТНОСТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ АД ПРИ НАЛИЧИИ СТК..............................

2.1. Общие положения...........................................................................

2.2. Законы распределения реактивной мощности АД........................

2.3. Числовые характеристики реактивной мощности АД....................

2.4. Реактивная нагрузка группы АД.....................................................

2.5. Выводы по второй главе.................................................................

ГЛАВА 3. ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ УСТАНОВКИ СТК НА ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ ПРИ РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗКАХ.........................................

3.1. Потребители реактивной мощности с резкопеременным характером нагрузки................................................................

3.2. Компенсация реактивной мощности резкопеременных нагрузок в России.....................................................................

3.3. Компенсация реактивной мощности резкопеременных нагрузок с помощью СТК за рубежом.....................................

3.4. Показатели, по которым устанавливаются компенсирующие устройства.................................................................................

3.5. Выводы по третьей главе.......................................................

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕМЕНТОВ СЭС ДЛЯ АНАЛИЗА УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ...........................

4.1. Исходные положения................................................................

4.2. Математическая модель звена постоянного тока...................

4.3. Моделирование СТК для анализа установившихся режимов....................................................................................

4.4. Программа расчета установившегося режима системы электроснабжения.....................................................................

4.5. Выводы по четвертой главе....................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Для современных систем электроснабжения промышленных предприятий характерно наличие крупных потребителей активной и реактивной мощности с резкопеременным характером нагрузки, а также потребителей различных типов, включая потребителей постоянного тока.

Для исследования установившихся режимов систем электроснабжения переменно-постоянного тока необходима разработка на единой методологической основе математических моделей их структурных элементов, которые позволяли бы учитывать основные функциональные особенности.

Кроме того, одним из возможных способов решения задачи компенсации реактивной мощности может являться установка на промышленных предприятиях статических тиристорных компенсаторов (СТК), которые широко применяются в мировой практике, однако в России внедрение таких СТК находится на начальной стадии. Разработка математической модели СТК, позволяющая вводить этот элемент при расчете установившихся режимов систем электроснабжения в расчетную схему замещения также является актуальной задачей.

Учитывая вышесказанное, основной целью работы является: - разработка математических моделей основных элементов систем электроснабжения, включая элементы постоянного тока;

математическое моделирование статических тиристорных компенсаторов;

- вероятностное моделирование характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей, как основных потребителей электроэнергии на промышленных предприятиях, при наличии СТК;

- обоснование необходимости установки СТК на промышленных предприятиях при резкопеременных нагрузках.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ. Исследования, проведенные в диссертационной работе, основываются на использовании методов математического моделирования, теории вероятностей, теории расчета электрических сетей. Программы расчета составлены для ПЭВМ.

ОБОСНОВАНИЕ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И ВЫВОДОВ определяется корректным применением математических методов, сравнением полученных результатов с апробированными моделями, согласованностью результатов, полученных разными способами.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем:

- разработаны на единой методологической основе для расчета установившихся режимов математические модели основных элементов системы промышленного электроснабжения, включая СТК;

- разработаны вероятностные модели характеристик реактивной мощности асинхронных двигателей при установке СТК в узле их подключения;

- предложен коэффициент, который в работе назван "Выгода производителя", позволяющий оценить эффективность установки СТК на промышленных предприятиях.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ. Математические модели элементов систем электроснабжения и методики, разработанные в диссертационной работе, могут быть использованы в проектной практике и при расчете установившихся режимов действующих промышленных предприятий. С помощью предложенного коэффициента "Выгода производителя" владельцы промышленных предприятий могут оценить эффективность компенсации реактивной мощности СТК.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции по управлению в электрических системах (Братислава, май 1996 г.), на совещании в АО "Тулэнерго" (май 1998 г.), на заседаниях кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.

ПУБЛИКАЦИИ - по результатам исследований опубликовано шесть печатных работ.

ОБЩИЙ ОБЪЕМ - диссертация изложена на 154 страницах, состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (67 наименований), содержит 40 рисунков и 14 таблиц.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Методика веротностного моделирования характеристик реактивной мощности асинхронного двигателя и методика определения групповой реактивной нагрузки при наличии СТК приняты в опытно-промышленную эксплуатацию AMO ЗИЛ и ОАО 'Тулэнерго".

1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ СЭС, ВКЛЮЧАЯ СТАТИЧЕСКИЕ ТИРИСТОРНЫЕ КОМПЕНСАТОРЫ

1.1. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ

История передачи электрической энергии на расстояние начинается с 1873 г., когда на выставке в городе Вене Фонтен осуществил первую передачу мощности 1 л.с. по линии длиной 4 км. Почти в это же время Ф.А. Пироцкий провел в Петербурге серию опытов по передаче энергии постоянным током на расстояние порядка 1 км по рельсам Сестрорецкой железной дороги, изолированным от земли с помощью просмоленного брезента. В 1882 г. немецкий инженер Миллер и французский инженер Депре осуществили более крупную электропередачу постоянного тока, г. Мисбах - Мюнхен, на расстояние 57 км. В дальнейшем после изобретения М.О. Доливо Добровольским трансформатора и асинхронного двигателя выработку, передачу и потребление электроэнергии стали осуществлять на переменном токе.

В 1906 г. швейцарец Рене Тюри предложил передавать энергию постоянным током при последовательном включении в линию передачи источников и приемников энергии. Этот способ, названный "системой Тюри", обеспечил развитие электропередач постоянного тока наряду с электропередачами переменного тока. Особенно сильный толчок получили передачи переменного тока после изобретения в 1912 г. в Германии подвесных изоляторов. Стало очевидным, что благодаря возможности трансформировать напряжение передача по линии переменного тока является наиболее удобной и экономичной. В последующие годы развивалась преимущественно система передачи энергии переменным током.

Однако увеличение требуемой длины линии электропередачи и передаваемой мощности заставляло искать новые пути преодоления недостатков, свойственных системе передачи энергии переменным током. Возврата к системе Тюри быть не могло, поскольку это было бы шагом назад, так как синхронные генераторы, вырабатывающие энергию и асинхронные двигатели, потребляющие ее, являлись значительно более экономичными и надежными аппаратами, чем динамомашины.

На транспорте и в промышленности с 30-х годов начала быстро развиваться преобразовательная техника. Первые преобра-зователи выполнялись на низковольтных неуправляемых стеклянных ртутных вентилях. В СССР параллельно велась разработка ртутных и дуговых вентилей, однако практические результаты были достигнуты только в отношении высоковольтных ртутных вентилей. Дуговые вентили были доведены только до стадии лабораторных образцов. За рубежом интерес к передачам постоянного тока и мощным преобразовательным установкам возник уже давно. Так, в США еще в 30-е годы были выполнены преобразовательные установки на ртутных вентилях при напряжении до 15 кВ. В Питтсбурге была построена установка мощностью 10 МВт для связи энергосистем с различной частотой 25 и 60 Гц. Однако в США долгое время не видели перспектив для применения постоянного тока, и работы по развитию мощной высоковольтной преобразовательной техники интенсивно не велись. Только начиная с 1964 г. в США стали проявлять интерес к передаче постоянного тока, который особенно возрос после аварии в Нью-Йорке в ноябре 1965 г., когда стало ясно, что несмотря на наличие больших резервов и сильно развитых районных и местных электрических сетей, в отдельных случаях может быть нарушена

устойчивость линии электропередач переменного тока, что приведет к развалу даже очень крупных энергосистем.

В Швеции работа по созданию высоковольтных ртутных вентилей началась в 1929 г., когда шведская фирма АСЕА получила патент на высоковольтный ртутный вентиль с промежуточными электродами для деления обратного напряжения. В дальнейшем фирма АСЕА стала поставлять высоковольтное оборудование для передач постоянного тока.

В Германии с 1930 по 1945 г. довольно быстрыми темпами велись работы по практическому осуществлению электропередач постоянного тока. Разработка электрооборудования для этих электропередач проводилась в двух направлениях: ртутные одноанодные высоковольтные вентили и высоковольтные многопромежуточные дуговые вентили.

Внедрение постоянного тока в традиционную мировую энергетику происходит с заметным ускорением. Если в 1950 г. была сооружена первая в мире электропередача постоянного тока (ЭППТ) от Каширской ГЭС в Москву, и в период до 1963 г. в разных странах еще 4, то в последние десятилетия по данным СИГРЭ в мире функционирует около 60 ЭППТ и вставок постоянного тока (ВПТ). Из множества проблем, которые приходится решать в процессе разработки и эксплуатации систем электроснабжения, выделим следующие:

- разработка и развитие методов исследования установившихся режимов;

- разработка моделей элементов постоянного тока, а также элементов переменно-постоянного тока в целом;

- исследование и обеспечение баланса активной и реактивной мощности на предприятиях;

разработка математического обеспечения для систем автоматического регулирования и защиты и т.д.

Исследование системы электроснабжения (СЭС) переменно-постоянного тока представляет собой важную актуальную задачу. Целью настоящей главы является разработка на единой методологической основе математических моделей структурных элементов СЭС переменно-постоянного тока, учитывающие их основные функциональные особенности. На основе разработанных моделей предполагается провести расчеты установившихся режимов СЭС и выявить условия, при которых режим будет оптимальный.

С точки зрения анализа установившихся режимов СЭС, содержащие элементы постоянно-переменного тока, рассматриваются как существенно нелинейные, управляемые, взаимно связывающие в общем случае множество состояний равновесия. Такие системы обладают тремя характерными свойствами - нелинейностью, управляемостью и высокой размерностью.

Развитие методов анализа установившихся режимов систем электроснабжения можно условно разделить на два этапа - до и после появления ЭВМ. На первом этапе анализ установившихся режима выполнялся на основе физического и аналогового моделирования (например, расчет с помощью столов переменного и постоянного токов).

С появлением ЦВМ разработка методов расчетов установившихся режимов набирает высокие темпы. Большой вклад в развитие методов анализа установившихся режимов систем переменного тока внесли советские ученые И.М. Маркович [1], A.A. Глазунов[2], В.А.Веников [3], и другие, а также ряд зарубежных авторов.

Анализ установившихся режимов систем электроснабжения может производиться с помощью математических моделей установившихся режимов, которые формируются либо на основе контурных токов, либо на основе узловых напряжений [4-8]. Однако метод контурных токов широкого применения для расчетов установившихся режимов не получил из-за сложности и неоднозначности выделения независимых контуров, а также из-за трудности учета фактических значений коэффициентов трансформации трансформаторов, режимных ограничений, элементов постоянного тока и необходимости дополнительных вычислений напряжений узлов сети для учеты их ограничений и статических характеристик нагрузок. Поэтому математические модели анализа установившихся режимов СЭС целесообразно формировать на основе метода узловых напряжений или в форме баланса токов, или баланса мощностей [4, 9]. В этом случае уравнения состояния электрической сети представляют собой нелинейную систему уравнений с комплексными коэффициентами и переменными и решаются численными методами.

1.2. ОСОБЕННОСТИ АНАЛИЗА УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, СОДЕРЖАЩИХ ЗВЕНЬЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Первая работа по анализу установившихся режимов СЭС, содержащих звенья постоянного тока, были проведены в СССР еще в 1955-57

годах [10] и за рубежом начиная с 1960-х годов [11-12]. Методика формирования математических моделей заключалась в итерационном вычислении на основе аналитических методов режима системы электроснабжения переменного тока и звеньев постоянного тока, представляющих собой процесс вычисления коэффициентов мощности со стороны переменного тока выпрямителей инвентора. В дальнейшем для решения уравнений установившихся режимов были применены численные методы расчета электрических сетей переменного тока с согласованием режимов самой ЭППТ. Звено постоянного тока представляется двухполюсником, значение мощностей которого вычисляется предварительно и вводится в уравнения сети переменного тока [13]. В работе [14] звенья постоянного тока представляются в виде системы аналитических уравнений. При этом неясной является процедура учета угла коммутации преобразователей. Если он принимается постоянным, то это приводит к неточным результатам. Если же он изменяется, то процесс решения становится невозможным, так как система уравнений является неопределенной.

Подход одновременного решения подсистем переменного и постоянного тока, который базируется на декомпозиции уравнений, записанных в методе узловых напряжений, предусматривает возможности учета систем регулирования ЭППТ [15].

Применение метода Ньютона для автономного решения подсистем переменного и постоянного токов показано в [16]. Для установления взаимной связи между этими подсистемами вводятся дополнительные уравнения, решение которых осуществляется также с использованием метода Ньютона. В работе [17] анализ режимов сетей переменного и постоянного токов осуществляется на основе решения общей системы уравнений, состоящей из подсистем переменного и постоянного токов

и связующей подсистемы между ними. При расчетах используются эмпирические коэффициенты, которые усредненно учитывают угол коммутации в зависимости от остальных параметров режима. Расчет осуществляется в 3 этапа:

- подсистема переменного тока решается с помощью итерации по методу Ньютона;

- подсистема постоянного тока - с помощью итерации Гаусса -Зейд�