автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Моделирование и анализ устойчивости электротехнических систем нефтегазовых производств при возмущениях в электрических сетях

На правах рукописи

Петриченко Виктор Евгеньевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕФТЕГАЗОВЫХ ПРОИЗВОДСТВ ПРИ ВОЗМУЩЕНИЯХ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□0317460Э

Москва 2007

003174609

Работа выполнена в Российском государственном университете нефти и газа им И М Губкина

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент

Егоров Андрей Валентинович Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Алексеев Виталий Васильевич,

кандидат технических наук, доцент Цырук Сергей Александрович.

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт природных газов и газовых технологий (ООО «ВНИИГАЗ»)

Защита состоится «06» ноября 2007 г в 17 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212 200 14 при Российском государственном университете нефти и газа им И М Губкина Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, ауд 308

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа им И М Губкина

Автореферат разослан «04» октября 2007 г

И о ученого секретаря

диссертационного совета д пед н , проф

Шатуновский

Актуальность темы. Электротехнические системы промышленных комплексов, включающие системы внутреннего электроснабжения, а также электродвигательную и прочую нагрузку, являются сложными динамическими системами, в которых постоянно происходят изменения, меняются режимы питающей электроэнергетической системы, осуществляются коммутации элементов электрической сети и потребителей электроэнергии; меняются технологические режимы механизмов и установок, а, следовательно, и режимы работы соответствующих приемников электрической электроэнергии В общем случае возможны события, сопровождающиеся переходными процессами, которые могут приводить к изменениям режимов работы электротехнической системы, называемые возмущающими воздействиями или возмущениями.

Преобладающую долю возмущений в промышленных электротехнических системах составляют микровозмущения, приводящие к несущественным изменениям режима Режим при этом можно рассматривать как установившийся Значительно меньшую долю составляют макровозмущения, сопровождающиеся существенными изменениями режима Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к нарушению нормального электроснабжения потребителей электроэнергии

Переходные процессы в системах электроснабжения нефтегазовых производств при электродвигательной нагрузке имеют особую значимость, что обусловлено большим объемом электродвигательной нагрузки данных объектов (до 90 % от общей мощности нагрузки, при общем числе электродвигателей, достигающем тысяч единиц) Большая электродвигательная нагрузка предприятия, объединенная посредством электрических сетей в единую электротехническую систему, обусловливает сложность процессов, возникающих не только при авариях, но и при пусковых режимах электроприводов При сильных возмущениях в таких системах восстановление работы электродвигателей в ряде случаев невозможно, что связано с нарушением устойчивости узлов электрической нагрузки промышленного комплекса

Анализ переходных процессов в электротехнических системах с большим объемом электродвигательной нагрузки сложен, что обусловлено не только необходимостью отслеживания процессов в большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и асинхронных машин, различающихся по расчетным схемам, параметрам и характеристикам Рядом авторов были разработаны математические модели вполне удовлетворительно и достаточно просто описывающие поведение электрических машин в послеаварийных режимах Анализ процессов в промышленных электротехнических системах существенно отличается от соответствующих задач анализа процессов в электрических системах электроэнергетического комплекса Для промышленных электротехнических систем главными являются процессы в электродвигательной нагрузке, а питающая электрическая система в большинстве случаев может быть представлена идеальным источником ЭДС, находящимся за эквивалентным сопротивлением, параметры которых изменяются при возмущениях Все выше перечисленное обусловливает необходимость разработки специальных методов и средств исследования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения

Для анализа переходных процессов в электротехнической системе могут использоваться экспериментальные или расчетные данные, отражающие изменение электрических и механических величин во времени Возможности получения экспериментальных данных на действующих предприятиях, в особенности на предприятиях с непрерывными технологическими процессами, характерными для газовой и нефтяной промышленности, ограничены Обычно возможен только пассивный эксперимент, данные которого используются для подтверждения расчетных данных для наиболее характерных процессов Основными данными для анализа процессов, протекающих в электротехнических системах, являются результаты расчетов режимов работы ЭТС

Для сравнительно простых задач расчетные данные могут быть получены в результате ручного счета Для большинства реальных задач требуется соответствующее программное обеспечение Программы реализуют математические модели физических процессов в электротехнических системах и их элементах

Расчетная модель электротехнической системы должна удовлетворять противоречивым требованиям С одной стороны, большое число электродвигателей делает невозможным подробный учет реальных процессов во всех потребителях электрической энергии даже при использовании современных вычислительных средств Кроме того, непростой проблемой является информационное обеспечение расчетов С другой стороны, необходимо достаточно полно учитывать основные характеристики и особенности применяемых электродвигателей, иначе результаты расчетов будут неадекватны реальным процессам Кроме этого силовые трансформаторы, как правило, оснащаются устройствами регулирования напряжения, например, устройствами РПН (регулирование под нагрузкой) или ПБВ (переключение без возбуждения), которые могут оказывать значительное влияние на результаты моделирования Не все математические модели элементов ЭТС проработаны и пригодны для включения их в единый расчетный алгоритм Актуальность работы заключается во включении всех элементов электротехнической системы в единый расчетный алгоритм, в том числе устройств управления режимами ЭТС, например устройства регулирования напряжения трансформаторов. А также в оценке влияния на устойчивость ЭТС некоторых ее параметров

Цель работы заключается в развитии средств расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий и в поиске общих закономерностей поведения электротехнических систем при внутренних и внешних возмущениях

Реализация сформулированных целей требует решения следующих основных задач исследования

1 Развитие математического, алгоритмического, программного, методического и информационного обеспечения расчетов электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий

2 Выполнение вычислительных экспериментов с целью моделирования поведения электротехнической системы при различного рода возмущениях и анализ результатов этих экспериментов

3. Исследование влияния параметров и структуры электротехнической системы на показатели, характеризующие ее устойчивость.

Объекты исследования. Объектами исследования в представленной работе являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности Данные электротехнические системы обладают рядом особенностей, существенных для рассматриваемой проблематики Необходимо отметить следующие из них большая установленная мощность электрооборудования, преобладание

электродвигательной, причем, преимущественно асинхронной, нагрузки, большая единичная мощность электропотребителей, непрерывность технологического процесса, высокие требования к бесперебойности электроснабжения Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС

Методы исследования. В работе использовались положения и методы следующих областей знания теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических объектов, линейного и нелинейного программирования, теории катастроф

Научная новизна полученных результатов.

1 Разработаны математические модели устройств регулирования напряжения для двух- и трехобмоточных

2 Разработаны модифицированные алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с разомкнутой и замкнутой структурой электрических сетей, имеющих как внешние, так и внутренние источники электроснабжения, учитывающие влияние, оказываемое устройствами регулирования напряжения трансформаторов, и процессы, протекающие в пусковых устройствах электроприводов переменного тока Методы и алгоритмы ориентированы на итерационные процедуры определения параметров устойчивости систем при симметричных внешних и внутренних возмущениях в единой расчетной схеме

3 Исследовано поведение ряда параметров асинхронной ЭТС в пространстве переменных состояния Установлено существование линий стягивания, по которым стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжений электроприводов

4 Исследовано влияние устройств РПН трансформаторов ГПП (главная понизительная подстанция) на устойчивость электротехнических систем. Показана невозможность обеспечения заданного количественного уровня устойчивости к внешним возмущениям только за счет регулирования напряжения на шинах ГПП

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем.

1 Разработаны программные средства, реализующие принципы объектно-ориентированного программирования, и методическое обеспечение компьютерного моделирования и анализа устойчивости электротехнических систем к внешним и внутренним возмущениям

2 Выполнен анализ влияния устройств регулирования напряжения трансформаторов на устойчивость ЭТС. Показана необходимость учета устройств регулирования напряжения при выполнении расчетов устойчивости электротехнических систем

3 Предложен подход к сохранению устойчивости технологического процесса, путем выделения главных элементов и сохранения устойчивости ответственных фрагментов ЭТС за счет схемных решений

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения представляемой работы

1 Модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов и пуска электроприводов переменного тока

2 Общие закономерности влияния структуры и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости ЭТС

3 Некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях.

Обоснованность н достоверность основных выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, строгостью математических выкладок, совпадением результатов численного моделирования и теоретического анализа основных зависимостей, хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований, успешной реализацией ряда основных положений работы на практике

Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях

• Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им И М Губкина, Москва, 2004 г.

• Шестой и седьмой Всероссийской конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2005,2007 г.

• Шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России Москва, 2003

• Пятой международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке н разработке месторождений полезных ископаемых», Москва, 2006 г

• Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им ИМ Губкина, Москва, 2004 - 2007 годы

Публикации. По теме диссертации опубликовано девять печатных работ, в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК РФ, получено одно свидетельство об официальной регистрации программы, выпущено одно учебно-методическое пособие

Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений Работа изложена на 142 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и 5 таблиц, библиография включает 64 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, а также основные научные положения, выносимые на защиту, отмечена их научная новизна и практическая ценность

В первой главе рассматриваются модели элементов электротехнических систем промышленных предприятий, используемые для расчета переходных и установившихся режимов систем электроснабжения

Для достаточно полного описания элементов ЭТС необходимо построить их математические модели К основным элементам относятся асинхронные и синхронные двигатели, синхронные генераторы с первичными двигателями, трансформаторы с устройствами регулирования напряжения, рабочие механизмы электроприводов, пусковые устройства двигателей переменного тока

Математические модели асинхронного двигателя широко известны В данной работе использована электромеханическая модель асинхронного двигателя основанная на его Т-образной схеме замещения с дополнениями, учитывающими изменение параметров роторной цепи при изменении скольжения двигателя и магнитные потери в роторе двигателя

Математическая модель синхронного двигателя, использованная в работе, предполагает упрощенное представление электромеханических переходных процессов, достаточное для большинства анализируемых промышленных электротехнических систем

В качестве общей электромагнитной модели синхронных машин использована известная модель Парка-Горева, а первичный двигатель синхронных генераторов моделируется механической характеристикой представленной полиномом высокой степени

Рабочие механизмы традиционно моделируются полиноминальной зависимостью, но в ряде случаев такое представление требует модификации для учета переменного момента, например для установок штанговых глубинных насосов (так называемых станков-качалок)

В работе рассматриваются математические модели для описания электромеханических переходных процессов, возникающих в устройствах пуска

приводов переменного тока, и выполнена адаптация данных моделей для включения в единый расчетный алгоритм

В качестве модели двухобмоточного трансформатора широко применяется Г-образная схема замещения, однако эта модель требует дополнения, так как она не позволяет учитывать изменение параметров, обусловленное применением устройств регулирования напряжения Г-образная схема замещения выбрана в связи с тем, что при достаточной адекватности и точности модели позволяет уменьшить количество узлов и ветвей, необходимых для описания схемы замещения системы внутреннего электроснабжения ЭТС

** Хк

Рис 1 Упрощенная Г-образная схема замещения двух обмоточного трансформатора

Необходимо учитывать, что при использовании таких устройств происходит изменение коэффициента трансформации и сопротивления обмоток трансформатора Изменение коэффициента трансформации приводит к изменению приведенных параметров тех или иных фрагментов ЭТС В комплексе данная задача ранее не рассматривалась, ее решение приведено ниже

Все расчеты режимов для системы электроснабжения, независимо от ее состава, проводят для эквивалентной схемы замещения приведенной к базисному напряжению Приведение схемы к базисному напряжению выполняется посредством коэффициентов трансформации трансформаторов, поэтому изменение коэффициента трансформации какого-нибудь из трансформаторов приведет к изменению параметров части эквивалентной схемы замещения подключенной через данный трансформатор и сопротивления самого трансформатора, что потребует пересчета схемы замещения с учетом новых коэффициентов трансформации

В случае трансформатора с РПН изменяется число витков в обмотке высшего напряжения Для анализа влияния этого изменения на сопротивление схемы замещения трансформатора воспользуемся формулами определения сопротивления короткого замыкания трансформатора через его конструктивные параметры Известна формула для определения индуктивного сопротивления короткого замыкания

^ (1)

где Хкшш ~ индуктивное сопротивление короткого замыкания трансформатора, приведенное к обмотке высшего напряжения, ¿(¡„ом ~ индуктивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, Х'2*ш ~ индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора,

приведенное к обмотке высшего напряжения, Цо - магнитная проницаемость воздуха, /- частота питающей сети, ы/ - число витков первичной обмотки,

йср - средний диаметр двух обмоток, кя - коэффициент Роговского, / - высота обмоток трансформатора,

_ приведенная величина зазора между обмотками

Ряд параметров входящих в формулу не зависит от числа витков первичной обмотки м>/ и, следовательно, их можно заменить некой постоянной величиной которую обозначим С;

С = (2)

тогда выполнив подстановку (2) в (1) получим следующее выражение.

Из соотношения ХКн0М при нулевом положении РПН и Хк этого же трансформатора при некотором другом положении РПН, отличным от нулевого, выведем формулу зависимости Хк от параметров изменяющихся при изменении положения РПН

где IV/ - текущее число витков первичной обмотки трансформатора,

"/«■ш - номинальное число витков первичной обмотки трансформатора,

I - текущая высота обмоток трансформатора,

1Н0М - номинальная высота обмоток трансформатора

Формула для определения Хк запишется в следующем виде.

х.-х^+Г?1- (3)

И'!—/

Величина Iт является среднеарифметической суммы высот обеих обмоток, можно принять /;««=/следовательно

(4)

Далее определим изменение высоты обмоток при изменении числа витков обмотки высшего напряжения:

^мам Амим ^2иим

Подставив выражение (4) в (5) и выразив /, получим' -{_=21 ^) 2

Кит ^щш V "^^тш )

(5)

(6)

(7)

подставив (6) в (3) и выполнив упрощение, получим.

Л ¡Ьу,

у _ у . у у {

V 2н>|ш11( ) ^ 2)Л>1ш1м )

Заменив абсолютное значение н>/ в формуле (7) относительным, получим

у - у Л Х'~Лк-"(1+0 5 А,,.)*

где. = - относительное изменение числа витков обмотки высшего

^«аи

напряжения

Определим изменение Як при изменении числа витков обмотки высшего напряжения

Принято считать, что в приведенном двухобмоточном трансформаторе активные сопротивления обмоток примерно равны (ЛгЯ'г) Примем, что Л;=Л2=Лк/2 Сопротивление Л/ будет определяться:

в = в _5!!|_= —^_

и^+Л»-, 2 и^+Ас,

Активное сопротивление трансформатора при изменении и>/ будет определяться

Заменив абсолютное и'1 в (8) относительным, получим.

Кц = (1+0 5<Лу,.).

Таким образом, мы получили формулу сопротивления трансформатора при изменении числа витков обмотки высшего напряжения:

г, о**) - (ио 5«л»,,)+

Для трансформатора с ПБВ приведенные выше выкладки справедливы и формула для определения сопротивления трансформатора будет иметь вид*

Можно показать, что изменение сопротивления одинаково не зависимо от того, в какой обмотке происходит изменение витков и определяться только относительным изменением числа витков

(1+¿¡»г V

Наряду с изменением собственного сопротивления трансформатора происходит изменение коэффициента трансформации Определим это изменение, для чего воспользуемся формулой определения коэффициента трансформации Кхк(ш.

(9)

^гним

Далее запишем формулу для определения Кт при изменении числа витков обмотки трансформатора с РПН

Кт = или = ■ (10)

Подставив (9) в (10) и заменив абсолютное изменение числа витков относительным, получим

, или КГ = КГ=КГ^(1+^.) (11)

ЛГ«а. Л1

Формула для определения Кт при изменении числа витков обмотки трансформатора с ПБВ, будет отличаться формулы для РПН:

= И'17. или м>|ии = Кт(^ +Л»-2) (12)

Иг«™ + """г

Подставив формулу (9) в (12) и выполнив аналогичную замену, получим:

+ или =г%". (13)

Используя полученные формулы можно определить изменение эквивалентного сопротивления трансформатора и его коэффициента трансформации при изменении числа витков одной из обмоток для трансформатора с РПН

для трансформатора с ПБВ

кт.

Кт{<Ь»г) =

1 + «Лс2.

Необходимо определить, как будут изменяться эквивалентные параметры элементов подключенных к трансформатору

Рассмотрим изменение параметров элементов подключенных к обмоткам трансформатора со стороны напряжения по величине больше базисного Приведение сопротивлений выполняется по формуле.

= ~ 5" (14)

КТ_

Формула для определения сопротивления, приведенного к базисному напряжению при некотором, отличным от нуля, положении регулятора

05)

г

Разделив (15) на (14) и выразив получим.

К 1

т

Далее подставляя (И) в (16) для трансформатора с РПН и (13) в (16) для трансформатора с ПБВ получим

для трансформатора с РПН

Кт»а* I

или = , (17)

' (1 + </и>,.)

для трансформатора с ПБВ ( V

или - 2&>|11<и, (1+<Л*2.)2 (18)

Определим изменение сопротивления элемента подключенного к обмоткам трансформатора со стороны напряжения по величине меньше базисного Приведение сопротивлений выполняется по формуле

• (19)

Формула для определения сопротивления, приведенного к базисному напряжению при некотором, отличным от нуля, положении регулятора

(20)

Разделив (20) на (19) и выразив получим

Далее подставляя (11) в (21) для трансформатора с РПН и в (21) для трансформатора с ПБВ получим для трансформатора с РПН

или г^-г^иа*.?.

(22)

для трансформатора с ПБВ.

к

. Г-и 1 + <Луг.

или 2.. = -. (23)

(1+Л^)'

С помощью формул (17) и (22) можно определить изменение приведенных сопротивлений элементов подключенных к трансформатору с РПН, а с помощью формул (18) и (23) для трансформатора с ПБВ

Определим, как будет изменяться эквивалентные ЭДС элементов подключенных к трансформатору со стороны напряжения большего или меньшего базисного напряжения

Формула определения приведенной ЭДС элемента подключенного к обмоткам трансформатора со стороны напряжения по величине больше базисного.

(24)

Тшш

Формула для определения ЭДС, приведенной к базисному напряжению при некотором, отличным от нуля, положении регулятора.

^ -ф: (25)

г

Разделив (27) на (26) и выразив получим

^ (26)

г

Далее подставляя (11) в (26) для трансформатора с РПН и (13) в (26) для трансформатора с ПБВ получим

для трансформатора с РПН

«°> К^О+А-,.) "" (1 + )'

для трансформатора с ПБВ.

или Е^ =£ь,1^(1+<Лу2») (28)

1 + Л*2.

Формула для определения приведенной ЭДС элемента подключенного к обмоткам трансфЬрматора со стороны напряжения по величине меньше базисного

Формула для определения ЭДС, приведенной к базисному напряжению при некотором, отличным от нуля, положении регулятора.

Разделив (25) на (24) и выразив получим

Ей, (29)

Далее подставляя (И) в (29) для трансформатора с РПН и (13) в (29) для трансформатора с ПБВ получим' для трансформатора с РПН*

Е*. -ЕШшт „л„ = £<_(30)

"■Тыам

для трансформатора с ПБВ*

Е* = или Еь. (31)

С помощью формул (27) и (30) можно определить изменение приведенных ЭДС элементов подключенных к трансформатору с РПН, а с помощью формул (28) и (31) для -трансформатора с ПБВ

Параметры схемы замещения трехобмоточного трансформатора можно определить из следующих соотношений.

~ХК 21 ГК1] ~ГК2)

2 >1 2 |

хт + хкр ~ХК13 ГК12 +гп> ~гкп

2 •Г2 2

+ *кр ~ХК\2 + г№ ~гкп

2 • 'з 2

где активные и реактивные сопротивления обмоток

трансформатора при опытах короткого замыкания для трехобмоточного трансформатора, приведенные к обмотке высокого напряжения

Это сопротивления можно определить через параметры трехобмоточного трансформатора, воспользовавшись формулами для определения сопротивления обмоток двухобмоточного трансформатора Так как при проведении опытов короткого замыкания для определения параметров схемы замещения одна из обмоток находится в разомкнутом состоянии, трансформатор можно рассматривать как двух обмоточный и применить ранее полученные модели для устройств регулирования напряжения Таким образом, формулы для определения сопротивлений обмоток трехобмоточного трансформатора при изменении числа витков в обмотке высокого напряжения будет выглядеть следующим образом

(I+ <**-,.)' (1 + <ЛУ,-)'

(1 + О 5^,.) + (1 + О ) " --*-1--—5-1-

, ч гкх1шш (1 + 0 5<АУ|.) + г,,,., (1 + 0 ) - гКЮшш '¡См- 2

(1 + ^..)' (!+</*>,.)' (1 + 0 56*,.) + ~ *«'3~ (1 + 05^,.) ха(и'|)= 2

0 + 0 ) + *>».». -'Ь.-О + ОЗ'М

^ ^ 1'--2

(1+^,.)2 _ (1 + ^,.)' (1+0 5«Ч)

*3(и>,) =-5-'----5-

., (1 + О ) + - гки~ш (1 + 0 )

'эОп) ~ ;

Для определения изменения коэффициента трансформации примем следующее допущение, что коэффициент трансформации в обмотке, где установлено устройство регулирования напряжения равно единице, это допустимо, так как трехобмоточный трансформатор можно представить тремя двухобмоточными трансформаторами, с коэффициентами трансформации равными единице и коэффициентам трансформации обмоток среднего и низкого напряжения Тогда при изменении числа витков будет меняться только коэффициент трансформации обмотки высокого напряжения Тогда как изменение коэффициента трансформации будет определяться по формулам (11) и (13) для двухобмоточного трансформатора

Для определения изменения сопротивлений элементов подключенных к обмоткам трансформатора используются формулы, полученные выше для двухобмоточного трансформатора

Модели, описанные в первой главе, использованы в программном комплексе для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах внутреннего электроснабжения промышленных предприятий и описанном в четвертой главе диссертационной работы

Во второй главе приведены результаты исследования общих закономерностей устойчивости электротехнической системы при нарушениях режима работы

Возмущения, приводящие к изменению режима работы ЭТС, можно условно разделить на внешние и внутренние возмущения Внешними возмущениями принято назвать различные изменения, происходящие в питающей энергосистеме (например, короткие замыкания в энергосистеме, коммутации и провалы напряжения, вызванные авариями и их ликвидацией в распределительных линиях и тя), которые выражаются в изменении эквивалентной ЭДС и/или эквивалентного импеданса питающей энергосистемы Параметрами, характеризующими запас устойчивости электротехнической системы при внешних возмущениях, с достаточной полнотой можно считать величины ЭДС статической устойчивости (£су) и время динамической устойчивости (го) ЭДС статической устойчивости - это значение эквивалентной ЭДС энергосистемы, при котором ЭТС сохранит свою работоспособность без принятия каких-либо дополнительных действий Время динамической устойчивости - это максимально возможное время существования

провала напряжения до нуля, по истечению которого ЭТС не сможет вернуться к исходному режиму без принятия специальных мер

Основной причиной нарушения устойчивости ЭТС является потеря устойчивости одного электропривода, как следствие воздействия возмущения в энергосистеме или ЭТС. Признаком потери устойчивости асинхронного привода является увеличение скольжения больше некоторого порогового значения, после чего двигатель выбегает и останавливается, либо вращается со скольжением большим критического, что вызывает его перегрев и отключение системами защиты Представляется возможным рассматривать изменение параметров ЭТС в зависимости от скольжений электроприводов Для уменьшения влияния на эксперимент дополнительных факторов будем использовать однородную систему двигателей, а для удобства представления рассмотрим две группы приводов Введем пространство переменных состояния электротехнической системы {31,32} В качестве переменных состояния будем использовать скольжения двух групп электроприводов Для проведения экспериментов ограничимся использованием двух групп асинхронных двигателей мощность 4 МВт с одинаковыми рабочими механизмами с вентиляторной характеристикой, которые можно рассматривать как два эквивалентных асинхронных двигателя мощностью по 20 МВт

Ранее было установлено, что изменение собственной энергии ЭТС при внешних возмущениях в устойчивых точках равно нулю В ситуации с внутренними возмущениями имеются линии, с равенством изменения собственной энергии нулю В нашем случае, при данных параметрах ЭТС, имеются четыре устойчивые точки, расположенные на линиях с равенством <ПУ/Л нулю Равенство нулю изменения собственной энергии является необходимым, но не достаточным условием для определения устойчивой точки Таким образом, использовать только признак <№/(Ь= 0 для определения устойчивого режима не представляется возможным

Интерес представляет, как располагаются области, соответствующие различным режимам ЭТС и как проходят границы раздела на области соответствующие различным устойчивым режимам ЭТС В процессе выделения областей устойчивости и их границ было установлено, что электроприводы стремятся к определенным траекториям движения - линиям стягивания При более подробном исследовании установлено, что эти линии в рабочей и промежуточных областях переходят друг в друга Траекторию прохождения линии стягивания задает двигатель (фулпа двигателей), который находится на рабочем участке механической характеристики двигателя Эти линии представляют собой движение рабочей точки привода по механической характеристике при её искажении, те данная траектория соответствует рабочей точке на механической характеристике при текущих параметрах напряжения на входе двигателя и эквивалентного импеданса для данного двигателя

На рис 2 представлены границы разделения на области устойчивости и траектории линий стягивания На данном рисунке можно выделить несколько особенных точек, это точки в которых пересекаются линии стягивания, линия нулевого уровня изменения собственной энергии и граница раздела на области устойчивости Эти точки являются точками неустойчивого равновесия Более подробные исследования, в окрестностях этих точек, не позволили выделить какие-либо особенности данных точек

Установлено, что при некотором значении эквивалентного реактанса питающей системы промежуточные устойчивые точки исчезают Это значение реактанса определяется величиной мощности, необходимой для разгона заторможенной части двигателей и величиной мощности необходимой для поддержания нормальной работы остальных двигателей Стоит отметить, что исчезновение промежуточных режимов происходит скачком, те при незначительном изменении хэкв промежуточный режим переходит в один из основных Подобное разрывное поведение характерно для показателя времени динамической устойчивости электротехнической системы при изменении

мощности питающей энергосистемы при внешних возмущениях. При внутренних возмущениях данная закономерность сохраняется, и связано с еще большим многообразием возможных промежуточных режимов ЭТС при внутренних возмущениях.

0.0001 0.001 0.01 0.1 81 1

1

52

0.1

0.01

0.001

0.0001

Рис. 2. Раздел поля {$1;52} на области различной устойчивости:

1. - Устойчивая рабочая точка;

2. - Устойчивая точка на пусковом участке механической характеристики

асинхронного двигателя;

3. и 4. - Устойчивы точки промежуточных режимов;

5. - Линия раздела рабочей области и областей промежуточных режимов;

6. - Линия раздела пусковой области и областей промежуточных режимов;

7. - Линия стягивания внутри устойчивой области;

8. и 9.-Линии стягивания в областях промежуточных режимов.

10. - линии нулевого значения изменения собственной энергии ЭТС.

Далее в главе рассматриваются результаты исследований связи входных электрических величин и величин, характеризующих их изменение, и областей устойчивости. Исследования проводились в поле переменных состояния ЭТС (¿/.¿г). Поверхности входных величин монотонные, не содержат разрывов или перегибов. Поверхности изменения входных величин во времени (производные по

времени) более интересны и содержат перегибы. Исследование линий, соответствующих этим перегибам, не позволило выявить их взаимосвязь с границами раздела и линиями стягивания.

0.0001 0.001 0.01 0.1 51 1

1

$2

0.1

0.01

0.001

0.0001

Рис. 3. Наложение линии равенства нулю изменения входного тока на линии раздела на области устойчивости, линии равенства нулю изменения собственной энергии и линии стягивания

Так как исследование линии экстремумов не позволило выявить их взаимосвязь с границами раздела или линиями стягивания были исследованы линии, с нулевыми значениями изменения входных величин.

Наиболее интересной является линии для входного тока ЭТС. В промежуточной области эти линии проходят по границе раздела на области устойчивости и линии стягивания. В рабочей области эти линии проходят по линиям стягивания и, в какой-то момент, достаточно резко отклоняются к осям. Кроме этого в рабочей и пусковой областях эти линии проходят по линиям соответствующим равенству нулю изменения собственной энергии ЭТС.

В третьей главе приведены результаты исследования влияния средств регулирования напряжения трансформаторов и топологии ЭТС на показатели ее устойчивости.

При изменении значения напряжения на входе трансформаторов ГПП основным инструментом для поддержания нормального уровня напряжения на

шинах ГПП является РПН При этом анализ влияния оказываемого РПН на устойчивость ЭТС ранее не проводился. Было высказано предположение, что РПН оказывает существенное влияние на устойчивость ЭТС При регулировании напряжения с помощью РПН происходит изменение не только уровня выходного напряжения, но и значений собственного сопротивления трансформатора, что в свою очередь может приводить к изменению параметров устойчивости ЭТС.

Для проведения экспериментов был выбран узел нагрузки одного из предприятий нефтяной отрасли Для данного узла нагрузки уровень входного напряжения составляет 35 кВ, базисным уровнем напряжения выбран уровень 10 кВ

С помощью комплекса SAD32, в котором реализованы модели устройств РПН и ПБВ, проведены расчеты устойчивости данного узла при различных условиях

Первоначально определялись параметры устойчивости для условно-номинального режима, который соответствует нулевому положению регулятора РПН вводного трансформатора и условно-номинальным параметрам питающей энергосистемы Далее, при измененном значении реактанса энергосистемы (Хс), в пределах 0,75+2 от начального значения, подбиралось значение ЭДС энергосистемы таким образом, что бы время динамической устойчивости (ц) электротехнической системы оставалась неизменной относительно своего начального значения (так называемая линия равного уровня то) Определялось значение ЭДС статической устойчивости (Есу) и рассчитывался коэффициент устойчивости электротехнической системы Коэффициентом устойчивости называется интегральный коэффициент, определяющийся по параметрам устойчивости к внешним возмущениям, выражающий в численном виде устойчивость ЭТС. На следующем шаге для значений Хс полученных в предыдущем эксперименте подбиралось значение ЭДС питающей энергосистемы таким образом, чтобы напряжение на шинах ГПП оставалось неизменным и определялись параметры Есу и То-

Таким образом, получены данные, соответствующие отсутствию влияния устройства РПН трансформатора на показатели устойчивости ЭТС

Далее с помощью изменения положения регулятора РПН подбирались те же значения напряжения на шинах ГПП, которые были получены в двух предыдущих случаях, но при этом значение ЭДС энергосистемы оставалось неизменным, и соответствовало значению для условно-номинального режима

Последним проводился эксперимент выделения линии равного уровня, но регулирование величины напряжения на шинах ГПП осуществлялось с помощью РПН Получить значения параметров для То равного условно-номинальному значению при значениях Хс большего некоторого значения, не представляется возможным без изменения Ех или принятия дополнительных мер по повышению устойчивости

На рис 4 приведены графики изменения коэффициента устойчивости (Ку) при изменении входного реактанса энергосистемы (Хс), согласно описанным выше вычислительным экспериментам

Целью данных экспериментов является сравнение результатов расчетов устойчивости ЭТС при пренебрежении и учете влияния, оказываемого устройствами регулирования напряжения, и оценки погрешности, вносимой при не учете таких устройств Проанализируем результаты На рис. 4 линия 1 соответствует изменению коэффициента устойчивости ЭТС при регулировании напряжения по линии равного уровня с помощью изменения уровня ЭДС питающей энергосистемы.

Хс.Ом

Рис. 4. Зависимость коэффициента устойчивости электротехнической системы (КУ) от входного реактанса питающей энергосистемы (ХС):

1 - линия равного уровня для условно номинального режима без учета РПН.

2 - линия сохранения номинального напряжения на шинах ГПП без учета РПН.

3 - линия сохранения номинального напряжения на шинах ГПП с учетом РПН.

4- коэффициент устойчивости при неизменной ЭДС и напряжении на шинах ГПП

соответствующих линии 1. 5 - линия равного уровня при неизменной ЭДС с учетом РПН.

В действительности ЭДС энергосистемы это некоторая эквивалентная величина и повлиять на ее значение невозможно и регулирование напряжения выполняться с помощью устройств РПН трансформаторов ГПП. Вследствие этого реальное изменение коэффициента устойчивости будет проходить по линии 4 и, как видно из графика, данная линия существенно отличается от линии 1. Из этого следует, что отсутствие учета влияния РПН приводит к погрешности при оценке параметров устойчивости ЭТС при выполнении регулирования напряжения при изменении параметров питающей энергосистемы.

Линия 5 соответствует регулированию устойчивости ЭТС по линии равного уровня с помощью устройства РПН трансформатора ГПП, но при этом регулирование ограничено значением Хс при неизменном уровне ЭДС питающей энергосистемы, так как после некоторого значения Хс получить заданное значение параметра г0, без применения дополнительных мер, например применения устройств компенсации реактивной мощности, не представляется возможным.

Установленный факт объясняется тем, что изменение положения регулятора РПН приводит к тому, что приведенное значение ЭДС растет прямо пропорционально коэффициенту трансформации, а Хс квадратично и в какой-то момент рост ЭДС не способен компенсировать рост Хс и условно номинальное то не может быть достигнуто.

Проведенные исследования показывают необходимость учета влияния устройств регулирования напряжения трансформаторов, так как при их работе происходит изменения сопротивления трансформатора и эквивалентного сопротивления ЭТС, что оказывает существенное влияние на устойчивость электротехнической системы

Устройства регулирования напряжения трансформаторов влияют на устойчивость электротехнической системы, но это не единственный фактор Можно предположить, что на устойчивость электротехнической системы оказывает влияние топология системы внутреннего электроснабжения Для того чтобы исключить влияние неоднородности и других факторов на результаты при проведении эксперимента использовалась однородная двигательная нагрузка (высоковольтные асинхронные двигатели мощность 4МВт) Для исследования были выбраны 4 схемы, с равными эквивалентными мощностями питающей энергосистемы и суммарной нагрузкой, а также с равной эквивалентной суммарной мощностью трансформаторов ГТ1П Для каждой схемы определялись параметры устойчивости к внешним возмущения (ЕСу и т0) и параметр устойчивости к внутренним коротким замыканиям 1а (длительность короткого замыкания, после самоликвидации которого ЭТС сохраняла устойчивость)

Исследования влияния топологии на устойчивость ЭТС показали, что в зависимости от выбранной схемы и способа распределения нагрузки топология оказывать различное влияние на показатели характеризующие устойчивость электротехнических систем Например, неравномерное распределение нагрузки по питающим трансформаторам приводит к увеличению значения параметра ЭДС статической устойчивости (тек ухудшению данного параметра), но это влияние относительно невелико При этом возможна ситуация увеличения времени динамической устойчивости (улучшения данного параметра), но как правило на незначительную величину, и скорее приводит к ухудшению показателя динамической устойчивости электротехнической системы

Так как сохранение устойчивости электротехнической системы в целом не всегда является необходимым условием для сохранения непрерывности технологического процесса, то имеет смысл собирать мало ответственную нагрузку на отдельные секции шин, а узлы с ответственной нагрузкой разгружать, таким образом, повышая устойчивость и надежность технологического процесса

В четвертой главе рассмотрены алгоритмы расчета режимов систем электроснабжения и переходных процессов, предложены алгоритмы, реализующие устройства регулирования напряжения трансформаторов и пусковые устройства электродвигателей переменного тока, и алгоритмы автоматического определения параметров устойчивости ЭТС к внешним возмущениям Также в главе приведено краткое описание программного комплекса 8Аб32, предназначенного для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в системах внутреннего электроснабжения промышленных предприятий с асинхронными, синхронными электроприводами, статической нагрузкой и автономными генераторами и рассмотрены примеры его применения

Программный комплекс построен с использованием электромеханических математических' моделей, что обеспечивает его достаточно высокое быстродействие даже при очень большом количестве двигателей переменного тока и применение для большинства расчетных задач с достаточной точностью Программный комплекс выполнен в виде единого расчетного модуля со встроенным редактором схем электроснабжения промышленных предприятий, также в его состав входят файлы данных по двигателям и генераторам и программа подбора параметров асинхронных двигателей

Алгоритм, реализующий устройства регулирования напряжения трансформаторов, построен на основании моделей описанных в первой главе Для каждого элемента хранится значение коэффициента приведения, однако при

регулировании напряжения устройством регулирования напряжения трансформатора происходит изменение коэффициента трансформации, и соответственно коэффициентов приведения всех элементов подключенных к нему

В каждой ветви ЭТО хранится информация о номере трансформатора, к которому подключен данный элемент напрямую или через другие элементы В описании каждого трансформатора хранятся список номеров трансформаторов, через которые он подключен к питающей энергосистеме При изменении коэффициента трансформации выполняется изменение собственного сопротивления трансформатора, на основе соответствующей модели, и вычисление нового коэффициента приведения для данного трансформатора

Далее для всех ветвей выполняется пересчет коэффициентов приведения, с учетом произошедших изменений на основании номера трансформатора, к которому подключена текущая ветвь Для этого организуется цикл по возрастанию номеров ветвей, внутри цикла организуется второй цикл по списку номеров трансформаторов, через которые подключен основной трансформатор для данный ветви Для получения нового коэффициента приведения выполняется умножение номинального коэффициента приведения ветви на отношение номинального и текущего коэффициента трансформации всех трансформаторов, через которые подключен основной трансформатор

к = АГ Ктиои. т

/фммским ) щрш*0*инд мам */* »

КТ,

где Г - вектор номеров трансформаторов, через который подключен основной трансформатор дляу-й ветви,

соответственно текущий и номинальный коэффициенты приведения7-й ветви.

кт, и ктнии,~ соответственно текущий и номинальный коэффициенты трансформации 1-го трансформатора

Программный комплекс использован для расчета режимов и устойчивости электротехнической системы ООО «Тольяттикаучук» и используется в учебном процессе для студентов специальности 140604 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» и магистрантов направления 551300 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии», изучающих курс «Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности» И может быть использованы в рамках АРМ энергетика при реализации инновационного образовательного проекта подготовки специалистов в новой образовательной среде обучения - виртуальной среде профессиональной деятельности

Заключение

В представляемой работе получены следующие основные результаты

1 Разработаны модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных промышленных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов и средств пуска электроприводов переменного тока Предложенные модели и алгоритмы реализованы в программном комплексе, позволяющем выполнять многовариантные итерационные расчеты в единой расчетной схеме

2 Разработан программный комплекс позволяющий моделировать электротехническую систему промышленного предприятия с любой степенью подробности, обладающий широкими возможностями моделирования различного рода внешних и внутренних возмущений в электротехнических системах, управления процессами расчетов и моделирования, позволяющий получать практически всю необходимую информацию с любой степенью подробности

3 Исследованы общие закономерности влияния структуры ЭТС и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на

показатели устойчивости ЭТС Показана ограниченность применения средств регулирования напряжения трансформаторов для поддержания заданного уровня устойчивости электротехнической системы Предложен подход к сохранению устойчивости технологического процесса, путем выделения ответственных потребителей и определения параметров сохранения устойчивости данных потребителей, а не электротехнической системы в целом.

4 Исследованиями установлен факт существования характерных траекторий изменения скольжений электроприводов при возмущениях в ЭТС -линий стягивания По данным линиям стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжений электроприводов Предложено обоснование существования линий стягивания

5 Исследованы некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях Получен общий вид границ устойчивости для однородной асинхронной системы. Показано, что входные электрические величины и величины, характеризующие их изменение, не могут служить признаком текущего режима или положения границ устойчивости

6 Исследовано движение устойчивых точек в поле скольжения электроприводов при изменении мощности питающей энергосистемы Установлено существования критических значений мощности питающей энергосистемы, при которых происходит исчезновение промежуточных режимов при внутренних возмущениях, причем промежуточный режим переходит в один из основных скачком.

7 Приведены примеры применения программного комплекса SAD32 для анализа влияния на ЭТС оказываемого пуском мощного асинхронного двигателя

8 Разработаны алгоритмы автоматического определения параметров статической и динамической устойчивости ЭТС при внешних возмущениях.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Петриченко В Е Модернизация программного комплекса SAD под Windows / Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Москва 2004 г.

2 Петриченко В Е Влияние топологии систем промышленного электроснабжения на устойчивость узлов нагрузки промышленного предприятия / Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» - М РГУ нефти и газа им И М. Губкина, 2005 г.

3. Ершов М С, Егоров А В , Петриченко В Е, Трифонов АЛ Программный комплекс SAD32 для расчета переходных процессов в электротехнических системах Свидетельство об официальной регистрации программы № 2005612406 от 14 09 2005.

4. Петриченко В Б. Устойчивость электротехнической системы при внутренних возмущениях >/ Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России - М . РГУ нефти и газа им. И М Губкина, 2005г.

5 Егоров А В, Петриченко В Е Моделирование устройств регулирования напряжения трансформаторов в задачах устойчивость электротехнических систем промышленных предприятий / Тезисы докладов V международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых» - М.: МГГРУ, 2006 г

6 Ершов М С, Егоров А В, Петриченко В Е. Моделирование устройств регулирования напряжения трансформаторов для расчетов режимов и анализа

устойчивости электротехнических систем. // Промышленная энергетика, 2007г, №4

7. Петриченко В Е Влияние устройств регулирования напряжения двухобмоточных трансформаторов на устойчивость ЭТС / Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России - М . РГУ нефти и газа им И М Губкина, 2007 г.

8 Ершов М С., Егоров А В, Петриченко В Е, Трифонов А А Переходные процессы в электротехнических системах нефтегазовых комплексов // Методические указания по применению программного комплекса 8АЛ32 - М РГУ нефти и газа им ИМ Губкина, 2007г

9. Петриченко В Е Некоторые закономерности поведения асинхронных электротехнических систем при внутренних возмущениях. / Тезисы докладов шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» - М РГУ нефти и газа им И М Губкина, 2007 г

Подписано в печать^/ 090Формат 60x90/16 Объем > Тираж iOO _Заказ-У^З_

119991, Москва, Ленинский просп ,65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им ИМ Губкина

Введение

1. Математическое моделирование элементов промышленных электротехнических систем

1.1. Задачи компьютерного моделирования промышленных ЭТС

1.2. Математическая модель асинхронного двигателя

1.3. Математические модели синхронных машин

1.3.1. Электромеханическая модель синхронного двигателя

1.3.2. Электромагнитная модель синхронного генератора

1.4. Выбор и разработка математических моделей трансформаторов и устройств регулирования напряжения

1.4.1. Моделирование устройств регулирования напряжения двухобмоточных трансформаторов.

1.4.2. Моделирование устройств регулирования напряжения трехобмоточных трансформаторов.

1.5. Моделирование рабочих механизмов

1.6. Моделирование устройств пуска электрических двигателей переменного тока

Актуальность темы. Электротехнические системы промышленных комплексов, включающие системы внутреннего электроснабжения, а также электродвигательную и прочую нагрузку, являются сложными динамическими системами, в которых постоянно происходят изменения: меняются режимы питающей электроэнергетической системы; осуществляются коммутации элементов электрической сети и потребителей электроэнергии; меняются технологические режимы механизмов и установок, а, следовательно, и режимы работы соответствующих приемников электрической электроэнергии. В общем случае возможны события, сопровождающиеся переходными процессами, которые могут приводить к изменениям режимов работы электротехнической системы, называются возмущающими воздействиями или возмущениями [1, 2].

Преобладающую долю возмущений в промышленных электротехнических системах составляют микровозмущения, приводящие к несущественным изменениям режима. Режим при этом можно рассматривать как установившийся. Значительно меньшую долю составляют макровозмущения, сопровождающиеся существенными изменениями режима. Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к нарушению нормального электроснабжения потребителей электроэнергии.

Переходные процессы в системах электроснабжения нефтегазовых производств при электродвигательной нагрузке имеют особую значимость, что обусловлено большим объемом электродвигательной нагрузки данных комплексов (до 90 % от общей мощности нагрузки, при общем числе электродвигателей, достигающем тысяч единиц). Большая электродвигательная нагрузка предприятия, объединенная посредством электрических сетей в единую электротехническую систему, обусловливает сложность процессов, возникающих не только при авариях, но и при пусковых режимах электроприводов [3,4]. При возмущениях в таких системах восстановление работы электродвигателей в ряде случаев невозможно, что связано с возможностью нарушения устойчивости узлов электрической нагрузки промышленного комплекса [5].

Анализ переходных процессов в электротехнических системах с большим объемом электродвигательной нагрузки сложен, что обусловлено не только необходимостью отслеживания процессов в большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и асинхронных двигателей, различающихся по расчетным схемам, параметрам и характеристикам. Некоторыми авторами были разработаны математические модели вполне удовлетворительно и достаточно просто описывающие поведение электрических машин в послеаварийных режимах [6-13]. Анализ процессов в промышленных электротехнических системах существенно отличается от соответствующих задач анализа процессов в электрических системах электроэнергетического комплекса. Для промышленных электротехнических систем главными являются процессы в электродвигательной нагрузке, а питающая электрическая система в большинстве случаев может быть представлена идеальным источником ЭДС, находящимся за эквивалентным сопротивлением, параметры которых могут изменяться при возмущениях. Все это обусловливает необходимость разработки специальных методов и средств исследования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения.

Для анализа переходных процессов в электротехнической системе могут использоваться экспериментальные или расчетные данные, отражающие изменение электромеханических величин во времени. Возможности получения экспериментальных данных на действующих предприятиях, в особенности на предприятиях с непрерывными технологическими процессами, характерными для газовой и нефтяной промышленности, ограничены. Обычно возможен только пассивный эксперимент, данные которого используются только для подтверждения расчетных данных для наиболее важных процессов. Основными для анализа переходных процессов в электротехнических системах являются результаты расчетов [6,14-16].

Для сравнительно простых задач расчетные данные могут быть получены в результате ручного счета. Для большинства реальных задач требуется соответствующее программное обеспечение. Программы реализуют математические модели физических процессов в электротехнических элементах и системах.

Расчетная модель электротехнической системы должна удовлетворять противоречивым требованиям. С одной стороны, большое число электродвигателей делает невозможным подробный учет реальных процессов во всех потребителях электрической энергии даже при использовании современных вычислительных средств. Кроме того, непростой проблемой является и информационное обеспечение расчетов. С другой стороны, необходимо достаточно полно учитывать основные характеристики и особенности применяемых электродвигателей, иначе результаты расчетов будут неадекватны реальным процессам. Кроме этого силовые трансформаторы, как правило, оснащаются устройствами регулирования напряжения, которые могут оказывать значительное влияние на результаты моделирования. Актуальность работы заключается во включении всех элементов электротехнической системы (ЭТС), в том числе устройств управления режимами ЭТС, например устройства регулирования напряжения трансформаторов, а также в исследовании влияния структуры ЭТС на ее устойчивость.

Цель работы заключается в развитии средств расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий и в поиске общих закономерностей поведения электротехнических систем при внутренних и внешних возмущениях.

Реализация сформулированных целей требует решения следующих основных задач исследования:

1. Развитие математического, алгоритмического, программного, методического и информационного обеспечения расчетов электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий.

2. Выполнение вычислительных экспериментов с целью моделирования поведения электротехнической системы при различного рода возмущениях и анализ результатов этих экспериментов.

3. Исследование влияния параметров и структуры электротехнической системы на показатели, характеризующие ее устойчивость.

Объекты исследования. Объектами исследования в представленной работе являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Данные электротехнические системы обладают рядом особенностей, существенных для рассматриваемой проблематики. Необходимо отметить следующие из них: большая установленная мощность электрооборудования; преобладание электродвигательной, причем, преимущественно асинхронной, нагрузки; непрерывность технологического процесса; высокие требования к бесперебойности электроснабжения. Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС.

Методы исследования. В работе использовались положения и методы следующих областей знания: теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических объектов, линейного и нелинейного программирования, теории катастроф.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработаны математические модели устройств регулирования напряжения для двух- и трех обмоточных трансформаторов и трансформаторов с расщепленной обмоткой.

2. Разработаны модифицированные алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с разомкнутой и замкнутой структурой электрических сетей, имеющих как внешние, так и внутренние источники электроснабжения, учитывающие влияние устройств регулирования напряжения трансформаторов и пусковых устройств электроприводов переменного тока. Методы и алгоритмы ориентированы на итерационные процедуры определения параметров устойчивости систем при симметричных внешних и внутренних возмущениях в единой расчетной схеме.

3. Исследовано поведение входных параметров ЭТС в пространстве переменных состояния. Установлено существование линий стягивания, по которым стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжения электродвигателей.

4. Исследовано влияние устройств РПН (регулирование под нагрузкой) трансформаторов ГПП (главная понизительная подстанция) на устойчивость электротехнических систем. Показана невозможность обеспечения заданного количественного уровня устойчивости к внешним возмущениям только за счет регулирования напряжения на шинах ГПП.

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем:

1. Разработаны программные средства, реализующих принципы объектно-ориентированного программирования, и методическое обеспечение компьютерного моделирования анализа устойчивости электротехнических систем к внешним и внутренним возмущениям

2. Выполнен анализ влияния устройств регулирования напряжения трансформаторов на устойчивость электротехнических систем. Показана необходимость учета устройств регулирования напряжения при выполнении расчетов устойчивости электротехнических систем.

3. Предлагается подход сохранения устойчивости технологического процесса, путем выделения главных элементов и сохранения устойчивости важных фрагментов ЭТС.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения представляемой работы:

1. Модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов, средств пуска электроприводов переменного тока.

2. Общие закономерности влияния структуры и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости ЭТС.

3. Некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях.

Обоснованность и достоверность основных выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, строгостью математических выкладок, совпадением результатов численного моделирования и теоретического анализа основных зависимостей, хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований, успешной реализацией ряда основных положений работы на практике.

Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2004 г.

• Шестой и седьмой Всероссийской конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2005,2007 г.

• Шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. Москва, 2005.

• Пятой международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», Москва, 2006 г.

• Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2004 - 2007 годы

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе одно в издании, рекомендованном ВАК РФ, одно учебно-методическое пособие, получено одно свидетельство об официальной регистрации программы № 2005612406 от 14.09.2005 .

Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и пять таблиц, библиография включает 66 наименований.

Заключение

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных промышленных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов и средств пуска электроприводов переменного тока. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в программном комплексе, позволяющем выполнять многовариантные итерационные расчеты в единой расчетной схеме.

2. Разработан программный комплекс позволяющий моделировать электротехническую систему промышленного предприятия с любой степенью подробности, обладающий широкими возможностями моделирования различного рода внешних и внутренних возмущений в электротехнических системах, управления процессами расчетов и моделирования, позволяющий получать практически всю необходимую информацию с любой степенью подробности.

3. Исследованы общие закономерности влияния структуры ЭТС и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости. Показана ограниченность применения средств регулирования напряжения трансформаторов для поддержания заданного уровня устойчивости электротехнической системы. Предложен подход сохранения устойчивости технологического процесса, путем выделения потребителей влияющих на технологический процесс и определения параметров сохранения устойчивости данных потребителей, а не электротехнической системы как таковой.

4. Исследованиями установлен факт существования характерных траекторий изменения скольжений электроприводов ЭТС - линий стягивания. По данным линиям стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжений электроприводов. Предложено обоснование существования линий стягивая.

5. Исследованы некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях. Получен общий вид границ устойчивости для однородной асинхронной системы. Показано, что входные электрические величины и величины, характеризующие их изменение, не могут служить признаком текущего режима или положения границ устойчивости.

6. Исследовано движение устойчивых точек в поле скольжения электроприводов при изменении мощности питающей энергосистемы. Установлено существования критических значений мощности питающей энергосистемы, при которых происходит исчезновение промежуточных режимов при внутренних возмущениях, причем промежуточный режим переходит в один из основных скачком.

7. Приведены примеры применения программного комплекса SAD32 для анализа влияния на ЭТС оказываемого пуском мощного асинхронного двигателя.

8. Разработаны алгоритмы автоматического определения параметров статической и динамической устойчивости ЭТС при внешних возмущениях.

1. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Яризов А.Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности. - М.: Недра, 2000.

2. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем. М.: Энергия, 1979.

3. Белоусенко И.В., Югай В.Ф. Оценка влияния основных параметров систем промышленного электроснабжения на устойчивость узлов электрической нагрузки. // Промышленная энергетика, 2002, № 10. -С.31-33.

4. Страхов С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. -М.: Госэнергоиздат,1960.

5. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Д.: Энергия, 1980.

6. Егоров А.В., Титов Ю.В. Разработка модели асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в стали ротора. / Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов. Секция 6. М.: РГУ нефти и газа, 2001. - С.14.

7. Сивокобыленко В.Ф., Павлюков В.А. Параметры и схемы замещения асинхронных двигателей с вытеснением тока в роторе. // Электрические станции. 1976, № 2. - С.51-54.

8. Копылов И.П., Щедрин О.П. Расчет на ЦВМ характеристик асинхронных машин. -М.: Энергия, 1973.

9. Трещев И.И. Электромеханические процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

10. IEC 61363-1-98 System components and models. Part 1.5.

11. IEEE Guide for AC Generator Protection, IEEE C37.102, 1987.

12. И.Жуков JI.А., Стратан И. П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчётов. -М.: Энергия, 1979г.

13. Идельчик В.И. расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.

14. Ершов М.С., Егоров А.В., Федоров В.А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприемников многомашинного комплекса с непрерывным технологическим процессом при возмущениях в системе электроснабжения. // Промышленная энергетика, 1992, № 7.

15. Ершов М.С., Егоров А.В. Вопросы повышения устойчивости электрической нагрузки промышленных систем электроснабжения. // Промышленная энергетика, 1994, № 3.

16. Трифонов А.А., Новоселова Ю.В. Учет синхронной нагрузки при анализе устойчивости ЭТС газовых комплексов. Тезисы докладов Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности

17. России «Новые технологии в газовой промышленности» сентябрь 2001 г- Москва.

18. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985.

19. Меньшов Б.Г., Доброжанов В.И., Ершов М.С. Теоретические основы управления электропотреблением промышленных предприятий. М.: Нефть и газ, 1995.

20. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Госэнергоиздат, 1950.

21. Ключев В.И. Теория электропривода. М.: Энергоатомиздат, 1985.

22. Ершов М. С., Егоров А. В., Петриченко В.Е. Моделирование устройств регулирования напряжения трансформаторов для расчетов режимов и анализа устойчивость электротехнических систем. // Промышленная энергетика, 2007г, №4.

23. Егоров А.В., Лаееби А.Д. Электромеханические модели устройств пука асинхронных двигателей. // Промышленная энергетика, 2006, № 2.

24. Гамазин С.И., Поноровкин Д.Б., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. М.: Изд-во МЭИ, 1991.

25. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных машин. / Под ред. Л.Г. Мамиконянца. М.: Энергоатомиздат, 1984.

26. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров математической модели глубокопазных асинхронных двигателей. / Известия ВУЗов. Электромеханика, 1989, № 8.

27. Трифонов А.А., Жуков А.Е. Математическая модель электромеханической системы станка-качалки с асинхронным приводом. / Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов. Секция 6. М.: РГУ нефти и газа, 2003.-С.26.

28. Трифонов А.А. Электромеханическая модель асинхронного двигателя с учетом магнитных потерь в роторе. / VII международная конференция «Новые идеи в науках о земле», Издательство «КДУ», 2005.

29. Егоров А.В. Устойчивость промышленных электротехнических систем при возмущениях в системах электроснабжения. Дисс. . докт. техн. наук. М., 2006.

30. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. M.-JL: Госэнергоиздат, 1960.

31. Поршаков Б.П. Газотурбинные установки для транспорта газа и бурения скважин. -М.: Недра, 1982.

32. Гамазин С.И., Ставцев В.А., Цырук С.А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Изд-во МЭИ, 1997.

33. Вольдек А.И. Электрические машины. 2-е изд. доп. и перераб. - Л.: Энергия, 1974.

34. Кулизаде К.Н., Хайкин И.Е. Электроэнергетика насосной нефтедобычи. М.; Недра; 1971.

35. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике газовой промышленности. -М.: Недра, 2002.

36. Ивановский В.Н., Дарищев В.И., Сабиров А.А., Каштанов B.C., Пекин С.С. Скважинные насосные установки для добычи нефти. М.: Нефть и Газ, 2002.

37. Михайлов В. В., Жуков Ю. С., Суд И. И. Энергетика нефтяной и газовой промышленности М.: Недра, 1982.

38. Костенко М.П. Электрические машины. M.-JL: Госэнергоиздат, 1944.

39. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

40. Переходные процессы в системах электроснабжения. / Под ред. В.Н. Винославского Киев: Выща школа, 1989.

41. Ершов М.С., Егоров А.В., Одинец А.С. Энергетические показатели устойчивости асинхронных многомашинных промышленных комплексов. // Промышленная энергетика, 1999, № 2. С.20-23.

42. Ершов М.С., Егоров А.В., Итоги исследования устойчивости промышленных электротехнических систем с асинхронной двигательной нагрузкой. / Территория «Нефтегаз», 2005, №5.

43. Ершов М.С., Егоров А.В., Яценко Д.Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. // Промышленная энергетика, 1997, № 5. -С.26-28.

44. Репина Ю.В. Количественная оценка запаса устойчивости электротехнической системы. Коэффициент устойчивости. // VII Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». Материалы докладов. Т.З. М: КДУ, 2005.

45. Ершов М.С., Егоров А.В., Зарубицкая Ю.В. Анализ некоторых методов повышения устойчивости электротехнических систем при внешних возмущениях. // Промышленная энергетика, 2003, № 10. С. 25-29.

46. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Вопросы управления электротехническими системами нефтегазовых комплексов в аварийных режимах. // Промышленная энергетика, 1995, № 9.

47. Демирчан К.С., Бутырин П.А. Моделирование и машинный расчет электрических цепей. М.: Энергоатомиздат, 1988.

48. Югай В.Ф. Влияние параметров электротехнических систем на расчетные показатели устойчивости узлов нагрузки промышленных комплексов с учетом достоверности исходных данных. Дисс. . канд. техн. наук. М. 2003.

49. Егоров А.В., Ершов М.С., Петриченко В.Е., Трифонов А.А. Свидетельство об официальной регистрации программы № 2005612406 от 14.09.2005.

50. Ершов М.С., Егоров А.В., Петриченко В.Е., Трифонов А.А. Переходные процессы в электротехнических системах нефтегазовыхкомплексов. // Методические указания по применению программного комплекса SAD32 М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2007г.