автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Обоснование применения электромагнитного тормоза для обеспечения динамической устойчивости генерирующих агрегатов электростанций

На правах рукописи

Панин Алексей Владимирович

ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ТОРМОЗА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ГЕНЕРИРУЮЩИХ АГРЕГАТОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Специальность 05.14.02 — электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 3 НОЯ 2014

Москва-2014

005554793

005554793

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» на кафедре Электроэнергетических систем

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Кузнецов Олег Николаевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

заведующий отделением перспектив развития электроэнергетики ОАО «Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского»

Баринов Валентин Александрович

кандидат технических наук, начальник инженерного управления ОАО «Мосэнерго» Голов Павел Валерьевич

Ведущая организация: ОАО «Институт

«ЭНЕРГОСЕТЬ ПРОЕКТ»

Защита состоится 19 декабря 2014 года в 16 часов 30 минут в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д212.157.03 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.14, Учёный совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разо слан <.<30 » ОКрдбрХ 2014 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д212.157.03 к.т.н.

О.В. Дичина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В условиях развития мощных объединённых энергосистем возникает ряд проблем, связанных с передачей электрической энергии и устойчивостью энергосистем. При появлении в системе больших возмущений, таких как короткие замыкания с отключением элементов электрической сети, ложное срабатывание релейной защиты с отключением силового элемента, скачкообразные аварийные небалансы активной мощности с отключением генератора или блока генераторов с общим выключателем, крупной подстанции, вставки постоянного тока или крупного потребителя и др. необходимо рассматривать задачу динамической устойчивости.

Наиболее остро стоит проблема нарушения устойчивости газотурбинных установок (ГТУ) небольшой мощности, с малыми значениями постоянной времени инерции (несколько секунд), из-за чего возникают трудности их дальнейшего применения. Поскольку у ГТУ небольшое значение механической постоянной инерции, то даже при небольших возмущениях в электроэнергетической системе (ЭЭС) происходит нарушение устойчивости их параллельной работы.

В настоящее время существует ряд различных методов и технических средств улучшения условий динамической устойчивости. Большинство из них либо имеют низкое быстродействие, либо влияют на баланс моментов на валу генерирующего агрегата не непосредственно, а на параметры режима системы, что снижает эффективность мероприятий.

В качестве нового технического средства обеспечения баланса между крутящим моментом турбины и электромагнитным моментом генератора возможно применение электромагнитного тормоза (ЭМТ). ЭМТ в режиме торможения создаёт нагрузочный (тормозной) момент на валу генерирующего агрегата и тем самым оказывает непосредственное влияние на баланс моментов на валу генерирующего агрегата. При этом, тормозной момент ЭМТ не зависит от параметров режима ЭЭС.

Поскольку до настоящего времени ЭМТ на объектах электроэнергетики не устанавливался, то, чтобы обеспечить применение ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости ЭЭС, необходима разработка математической модели ЭМТ для выполнения расчётов электромеханических переходных процессов и устойчивости энергосистемы. ЭМТ механически соединяется с валом генерирующего агрегата посредством муфт. Для оценки возможности включения ЭМТ в состав генерирующих агрегатов и его влияния на условия динамической устойчивости ЭЭС необходимо

определить его механические характеристики и массогабаритные показателей.

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследование характеристик ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости, оценка его конструктивных параметров, при которых обеспечивается максимальный тормозной момент при минимальных массогабаритных показателях (минимальной стоимости устройства), а также разработка наиболее эффективных законов регулирования ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

- исследовать существующие подходы к расчёту мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров;

выявить факторы, влияющие на мощность ЭМТ, для их учёта при разработке методики расчёта мощности ЭМТ;

- разработать новые подходы к расчёту мощности ЭМТ;

проанализировать ограничения по конструктивным параметрам

ЭМТ для предложения конструкций ЭМТ различной мощности с учётом этих ограничений;

- провести экспериментальные исследования характеристик ЭМТ для определения достоверности разработанной модели;

разработать алгоритмы управления ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости и проверить эффективность предложенных алгоритмов управления на простейшей ЭЭС;

- определить наиболее эффективные значения параметров алгоритмов управления ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости ЭЭС.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались существующие подходы к описанию электромагнитного поля в металлическом пространстве, вихревых токов и существующие подходы технической электродинамики для описания вышеуказанных процессов при движении рассматриваемой среды относительно вектора магнитной иццукции. Моделирование ЭЭС проводилось с помощью системы дифференциальных и алгебраических уравнений. Решение этой подсистемы производилось с помощью методов линейного интегрирования и решения системы линейных уравнений. Для написания программы расчёта установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в

простейшей ЭЭС и анализа системы регулирования ЭМТ использовался объектно-ориентированный язык программирования С#.

Научная новизна. В работе проведены следующие новые научные исследования:

1. Разработано алгоритмическое и методическое обеспечение расчёта мощности ЭМТ более 1 МВт с учётом его конструктивных параметров;

2. Впервые разработана математическая модель ЭМТ для использования в расчётах электромеханических переходных процессов электроэнергетической системы;

3. Предложена новая конструкция диска ЭМТ, позволяющая увеличить номинальную мощность ЭМТ при незначительном увеличении массогабаритных показателей диска. В предлагаемой конструкции диск набирается шихтовкой из листового электропроводного материала с межлистовой изоляцией;

4. Синтезированы алгоритмы управления ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости генерирующего агрегата электростанции на основе уравнения движения его ротора.

Достоверность разработанной методики расчёта мощности ЭМТ проверена путём сопоставления результатов математического моделирования и экспериментальных данных, полученных в ходе испытаний на лабораторной установке кафедры «Электромеханика» НИУ «МЭИ». Адекватность расчётов написанной на С# программы расчёта электромеханических переходных процессов простейшей ЭЭС для рассмотрения динамической устойчивости генерирующих агрегатов доказана путём сопоставления с результатами аналогичных расчётов без учёта ЭМТ в программном вычислительном комплексе DIgSILENTPower Factory 15.0.

На защиту выносятся:

1.' Алгоритмическое и методическое обеспечение расчёта мощности

ЭМТ;

2. Математическая модель ЭМТ для учёта устройства в расчётах электромеханических переходных процессов ЭЭС;

3. Законы регулирования ЭМТ, полученные на базе уравнения движения ротора генерирующего агрегата, для улучшения условий динамической устойчивости.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Разработано алгоритмическое и методическое обеспечение расчёта мощности ЭМТ более 1 МВт с учётом его конструктивных параметров;

2. Разработана математическая модель ЭМТ для его учёта в расчётах электромеханических переходных процессов и устойчивости ЭЭС;

3. Создана теоретическая база и подходы для дальнейшего изучения ЭМТ и возможности проведения технико-экономического обоснования целесообразности его применения в электроэнергетической системе, а также в его установки и применении на генерирующих агрегатах различной мощности.

4. Разработаны алгоритмы управления ЭМТ в простейшей ЭЭС.

Апробация диссертационной работы. Основные результаты работы

докладывались на девятнадцатой ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» и заседании кафедры «Электроэнергетические системы» НИУ «МЭИ».

Личный вклад соискателя. Разработано алгоритмическое и методического обеспечения расчёта мощности ЭМТ дисковой конструкции с установкой электромагнитов постоянного тока в аксиальном направлении к диску. В методическом обеспечении учтены конструктивные параметры ЭМТ, кривизна электромагнитного поля, поверхностный эффект и другие факторы, влияющие на мощность ЭМТ. Предложена новая конструкция диска ЭМТ, позволяющий увеличить номинальную мощность ЭМТ при незначительном увеличении массогабаритных показателей диска. Диск набирается шихтовкой из листового электропроводного материала с межлистовой изоляцией. Синтезированы алгоритмы управления ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости.

Публикации. Основные материалы изложены в трёх публикациях, в том числе в двух статьях в журналах по списку ВАК: «Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ».

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы включает в себя 106 страниц печатного текста, 21 таблицы и 59 рисунков. Приложения содержат 31 страницу.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования и раскрыта структура диссертации.

В 1 главе рассмотрены существующие конструкции электромагнитных тормозов, которые применяются в России и за рубежом. Проанализирована возможность применения ЭМТ для улучшения условий динамической устойчивости, сопоставлены основные характеристики ЭМТ с

характеристиками других мероприятий по улучшению условий динамической устойчивости. Показаны немногочисленные заводы-изготовители ЭМТ, а также невозможность применения существующих конструкций ЭМТ в электроэнергетике ввиду их низкой номинальной мощности и несоответствия их частоты вращения частоте вращения турбоагрегатов. Проанализированы существующие математические модели ЭМТ.

Принцип действия ЭМТ основан на законе электромагнитной индукции Фарадея, который описывает процесс появления вихревых токов в массивном металлическом диске при получении переменного электромагнитного поля в ЭМТ. С помощью электромагнитов постоянного тока (обмоток возбуждения) создаётся электромагнитное поле возбуждения, которое охватывает магнитную систему ЭМТ. За счёт вращения диска ЭМТ поле в нём становится переменным, и создаются вихревые токи. В результате взаимодействия магнитного потока и вихревых токов возникает тормозной момент на валу генерирующего агрегата. При увеличении амплитуды вихревых токов возрастают тепловые потери (Джоулевы потери) в металлическом диске. Таким образом, происходит трансформация энергии вращательного движения металлического диска ЭМТ в его тепловую энергию.

С помощью ЭМТ осуществляется непосредственное воздействие на баланс моментов на валу генерирующего агрегата путём создания дополнительного нагрузочного момента, что препятствует увеличению угловой скорости вращения вала и угла нагрузки генератора. Важным параметром, определяющим эффективность применения ЭМТ, является его быстродействие, которое зависит от параметров его системы возбуждения.

В данной работе рассматривалась конструкция ЭМТ, показанная на рис.1. Для улучшения тормозных характеристик и увеличения мощности ЭМТ предложен вариант конструкции с установкой двух дисков ЭМТ, между которыми установлены электромагниты постоянного тока в аксиальном направлении к диску ЭМТ.

Стальные

Рис. 1 - Общий вид рассматриваемой конструкции ЭМТ

В настоящее время особенно остро стоит проблема нарушения условий динамической устойчивости газотурбинных установок по причине малого значения постоянной инерции из-за чего возникают трудности их дальнейшего применения. Применение ЭМТ на газотурбинных установках и разработка систем регулирования ЭМТ позволит решить данную проблему, а также ряд вопросов, связанных с устойчивостью и демпфированием электромеханических колебаний.

Во 2 главе проанализированы факторы, влияющие на мощность ЭМТ для возможности наиболее подробного описания протекающих в ЭМТ электромагнитных процессов и их учёта в расчётах. Показано существующее представление о поверхностном эффекте, а также его влияние на распределение электромагнитного поля в металлическом полупространстве. Показана разработанная методика расчёта мощности ЭМТ в режиме торможения с учётом его конструктивных параметров. При этом, в расчётах поверхностного эффекта учтено движение рассматриваемой среды, в связи с чем формулы отличаются от общепринятых. Также проведён анализ влияния конструктивных параметров ЭМТ на его мощность.

Рис. 2 - Общий вид ЭМТ

На рис.2 представлен общий вид рассматриваемого ЭМТ. Последовательность расчёта мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров следующая:

1. Описание поля возбуждения при неподвижном вале генерирующего агрегата (1):

=НШ ■е"а'г -вта-х ^ ^

ног =Н0т-е~аг -соза-х где Н0х, Н02 - зависимость напряжённости поля возбуждения от

пространственных координат; Н0т - амплитуда поля возбуждения; а = —; х -

т

полюсное деление.

2. Нахождение амплитуды поля возбуждения Н0т с учётом конструктивных особенностей диска (2):

и / • ту • ц0 • я • ^ов пл

0т~~л о , (о V '

4 ■ ц ■ ид • 5 • А ■ \Дэмт ~ гэмт)

где ЛЭмт, '"эмг _ внешний и внутренний радиусы диска ЭМТ; к - толщина

диска ЭМТ; й?0в - диаметр катушек возбуждения; у\> - число витков обмотки

возбуждения; I - номинальный ток обмотки возбуждения; р, - абсолютная

магнитная проницаемость материала диска; пд - число дисков ЭМТ; 5 -

воздушный зазор между диском ЭМТ и электромагнитом.

3. Описание поля реакции якоря при вращении вала генерирующего агрегата (3):

Нх = /[ (z) • sin (а ■ jc + а> • í)+ /2 (z) ■ cos (а • х + со ■ f)

■ Ну = 0 • (3)

Нг - /30)-sin(a-jc+aw)+ /4(г) • cos (а • х + со -t)

4. Нахождение функций зависимости амплитуды напряжённости магнитного поля от глубины z (f\{z),fi(z),fs(z),f4(z)).

5. Расчёт плотности вихревых токов J для дальнейшей оценки тепловых потерь в ЭМТ вычисляется по формуле (4):

7 = (р-С] ~Х-С2 + a• С3)• e_^'zsin(a- * + í — p-z)+ + -p■ C2 + a• C4)■ e"x'zcos(a■ л + со■ í-P• z), (4)

где a, X, P, С], C2, C3, C4 - численные коэффициенты.

6. Расчёт мощности ЭМТ по формуле (5).

г-К1

Р = пл-р'—^--{{Кэмт-гэмт) + к), (5)

X • Y

где Къ - амплитуда плотности вихревых токов; р - число пар полюсов электромагнитов.

Основными характеристиками ЭМТ являются зависимости электромагнитной мощности от МДС обмотки возбуждения электромагнитов, от частоты электромагнитного поля (рис.3), а также от характеристик материала диска ЭМТ, т.е. от абсолютной магнитной проницаемости и удельной проводимости (рис.4).

/Ъмт. кВт

120

Рис. 3 - Зависимость мощности ЭМТ от МДС обмотки возбуждения и от частоты электромагнитного поля

Лмт, кВт

1000 ■

900 ■ 800 700 600 500 400 300 200 100 о

проводимости материала

Необходимо отметить, что зависимость мощности ЭМТ от тока возбуждения имеет параболический характер и построена при постоянстве магнитной проницаемости материала. При дальнейшем увеличении тока возбуждения усилится процесс насыщения стали, что приведёт к линейной зависимости мощности ЭМТ от тока возбуждения.

Магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию и напряжённость магнитного поля, а от последней в свою очередь зависит амплитуда вихревых токов и, соответственно, мощность ЭМТ. Таким образом, при увеличении магнитной проницаемости увеличивается и мощность ЭМТ.

Поскольку удельное электрическое сопротивление обуславливает тепловые потери в металле, то увеличение удельного электрического сопротивления способствует линейному увеличению тепловых потерь.

Результаты анализа методики расчёта мощности ЭМТ показали, что наибольшее влияние на мощность ЭМТ оказывает МДС обмоток возбуждения, а изменение конструктивных параметров непосредственное влияние оказывает слабо. Увеличение габаритов машины необходимо для того, чтобы в режиме торможения температура ЭМТ не превысила допустимой, а величина магнитной индукции поддерживалась в заданных пределах.

В 3 главе показаны результаты экспериментальных исследований, проведённых на кафедре «Электромеханика» НИУ «МЭИ». Проведён анализ полученных экспериментальных исследований и их сопоставление с теоретическими характеристиками ЭМТ. Отмечено, что характер полученных экспериментально зависимостей совпадает с теоретическими расчётами.

Также отмечено, что при насыщении материала диска ЭМТ зависимость мощности ЭМТ от тока возбуждения приобретает линейный характер.

Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей момента ЭМТ от тока возбуждения показано на рис.5.

Рис. 5 - Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей А/эмт(/эмт)

Как и предполагалось, зависимость мощности ЭМТ от тока возбуждения при учёте насыщения металла носит линейный характер.

Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей мощности ЭМТ от частоты электромагнитного поля показано на рис.6.

Рэмт, кВт

12,0 12,5 13,0 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5

-♦-эксперимент =И>расчёт * Гц

Рис. б - Сопоставление экспериментальных и теоретических зависимостей Рэмт(/)

Результаты экспериментальных исследований зависимости мощности ЭМТ от частоты электромагнитного поля, показанные на рис. 6 показали линейную зависимость мощности ЭМТ от частоты. Аналогичные выводы были сделаны в главе 2 при рассмотрении алгоритма расчёта мощности ЭМТ, что в свою очередь подтверждает достоверность полученных результатов.

В 4 главе рассмотрены ограничения конструктивных параметров ЭМТ, неучёт которых может привести к некорректной работе ЭМТ в номинальном режиме, а также к возникновению аварийной ситуации. Рассмотрен тепловой расчёт и определены задачи, которые необходимо решать с его учётом. Предложена новая конструкция ЭМТ, позволяющая не учитывать зависимость температуры диска ЭМТ от его пространственных координат. Предложены параметры конструкции ЭМТ различной мощности.

Поскольку диск ЭМТ вращается вместе с валом, то на него будет действовать центробежная сила. При высоких скоростях вращения центробежная сила может достигать очень высоких значений, что в свою очередь может привести к аварийной ситуации. Для учёта ограничений по прочности необходимо выбирать диаметр ЭМТ таким образом, чтобы напряжения на краях диска не достигали предела по прочности.

Помимо центробежной силы на диск ЭМТ также действуют касательные напряжения. При их превышении допустимой величины также происходит разрушение диска ЭМТ, поэтому при выборе диаметра диска необходимо определить минимальный диаметр диска исходя из условия прочности.

Также для исключения поломки необходимо производить тепловой расчёт. Кратковременность работы ЭМТ и сравнительно невысокая теплопроводность несущих конструкций позволяют считать, что вся энергия концентрируется в диске ЭМТ без теплообмена с окружающей средой, т.е. процесс нагрева можно считать адиабатическим. Таким образом, количество теплоты, выделившаяся в диске ЭМТ за период её работы вычисляется по формуле (6):

Q=c•m■&Г, (6)

где Q — количество теплоты, выделившаяся в устройстве за период её работы.

Анализ формулы (5) показывает, что мощность ЭМТ можно увеличить только за счёт его габаритов, т.к. при увеличении МДС усиливается процесс насыщения и влияние МДС на мощность ЭМТ ослабевает.

Для решения этой проблемы предложена конструкция с шихтованным диском ЭМТ. При частоте электромагнитного поля в 50 Гц глубина его проникновения в металл порядка 1-2 мм, поэтому при изготовлении

электрических машин магнитопровод собирают из тонких листов электротехнической стали толщиной 0,4-0,5 мм . Таким образом, из-за того, что толщина листов электротехнической стали гораздо меньше поверхностного эффекта потери в магнитопроводе на вихревые токи сильно уменьшаются и электромагнитное поле распределено более равномерно

внутри сердечника.

Поскольку шихтовка используется для уменьшения потерь в стали на вихревые токи, то толщину шихтованных листов стали необходимо выбирать таким образом, чтобы эффект от вихревых токов был максимальным, т.е. толщина листов должна гораздо больше глубины проникновения поля.

При формировании конструктивных параметров ЭМТ необходимой мощности в первую очередь ставилась задача минимизации габаритных показателей. Предлагаемые конструкции ЭМТ мощностью 10, 25, 50 и 100 МВт представлены в табл. 1.

Таблица 1. Предлагаемые конструкции ЭМТ мощностью 10,25, 50 и 100 МВт

№

•Рэмт, МВт 10 25 50 100

Материал

Сталь Сталь Сталь Сталь

1000 2500 6000 8000

0,6 0,6 0,6 0,6

г, и

0,3 0,3 0,3 0,3

й, м

0,03 0,04 0,05 0,07

/II, м

0,001 0,001 0,001 0,001

./, кг-м2

26,8 35,7 44,6 62,5

Т„ с

0,26 0,14 0,09 0,06

Предлагаемая конструкция ЭМТ с шихтованным диском представлена

Рис. 7 - Конструкция электромагнитного тормоза с шихтованным диском

При вышеуказанных параметрах ЭМТ согласно проведённым расчётам величина магнитной индукции не будет превышать 1,4-1,6 Тл. Диаметр диска ЭМТ выбран таким, чтобы удовлетворять условиям прочности, так как

линейная скорость точек диска ЭМТ не должна превышать 170-190 м/с. Выбор размеров диска определился в том числе допустимой температурой нагрева при его работе.

В 5 главе сформированы законы регулирования ЭМТ, выбран наиболее эффективный и определены его настроечные параметры. Описаны основные подходы к выбору закона регулирования, а также рассмотрены непосредственно законы регулирования для их дальнейшего анализа и сравнения. Выбраны оптимальные значения настроечных параметров по критерию интегрального минимума квадрата отклонений от уравнения состояния.

Мощность ЭМТ регулируется посредством изменения тока возбуждения. Поскольку электромагниты по сути являются катушками индуктивности, то и переходные процессы, проходящие в них при изменении тока возбуждения, можно рассматривать как изменение тока в Л£-цепи. Как известно, в таких цепях ток не меняется скачком из-за наличия индуктивности катушки, поэтому процессы в них протекают апериодически, т.е. экспоненциально изменяясь до установившего значения. Соответственно, в расчётах электромеханических переходных процессов ЭМТ можно представлять апериодическим звеном (рис. 8) (7) с постоянной времени Тэш, которая соответствует постоянной времени обмотки возбуждения ЭМТ, поскольку переходный процесс изменения вихревых токов происходит с большей скоростью.

сигнал ¿ягт

1+р-Тзш

Рис. 8 - Представление ЭМТ в расчётах ЭМПП

—= ~--{РЭМТ треб ~~ -^ЭМТ )• (7)

о» •'ЭМТ

где Рэмттреб - требуемая величина мощности; Рэш - мгновенное значение мощности ЭМТ.

Для анализа эффективности автоматической системы регулирования ЭМТ предложены следующие законы регулирования:

1. Включение ЭМТ на номинальную мощность (с учётом переходного процесса) при увеличении величины скольжения

генерирующего агрегата выше нуля (л > 0) и отключение ЭМТ при изменении знака скольжения (я < 0) (8).

0 ^ ^ЭМТфакт - ^ЭМТ ном

Го, при 5 > 0 ; (8)

•Рэмт треб = 1 р ^ п

(.'ЭМТ ном > ПРИ 5 < и

2. Для исключения перетормаживания необходимо ввести зону нечувствительности. Таким образом, предлагается к рассмотрению второй закон регулирования для выбора оптимальной уставки по скольжению для включения ЭМТ. Включение ЭМТ на номинальную мощность при увеличении скольжения выше заданной величины (.г > ^ВКл) и отключение ЭМТ при изменении знака скольжения (л < 0) (9).

0 ^ ^ЭМТ факт ^ Лэмтном

_ Го, при 5 > 5ВКЛ ; (9)

"змт треб - р п

3. Используя выбранную уставку включения ЭМТ по скольжению для исключения перетормаживания необходимо также выбрать уставку по скольжению для отключения ЭМТ. Включение ЭМТ на номинальную мощность производится при увеличении скольжения выше заданной величины 5ВКЛ С? > «вкл) и отключение ЭМТ при снижении скольжения ниже

^выкл ^выкл) (Ю).

0 - "РЭМТ факт ^ -^ЭМТ ном

_ Го, при 5 > 5ВКП ; (Ю)

'ЭМТ треб - } р

[■ГЭМТ ном > ПРИ 5 < 5выкл

4. С учётом выбранных уставок по скольжению для включения и отключения ЭМТ в следующем законе регулирования необходимо учесть первый канал регулирования по величине небаланса мощности на валу генерирующего агрегата (11).

р _ ¡^АР ' (рт ~ Рэп )' > Рэп

■ ~\о,Р7<Рэя ; (11)

0 ^ РЭМТ факт - ^ЭМТ ном

5. С учётом выбранных уставок включения и отключения ЭМТ по скольжению в следующем законе регулирования необходимо учесть второй канал регулирования по величине отклонения частоты вращения вала генерирующего агрегата (12).

_ -(ш-ШоХсохоо /эМТтреб -|o,«D<ffl0 ; (12)

О й Рэмт факт 5 -Рэмт ном

6. С учётом выбранных уставок включения и отключения ЭМТ по скольжению в следующем законе регулирования необходимо учесть первый и второй каналы регулирования (комбинированный закон) (13).

' _/*д» •(со-со0)+^д/> -(Рт -Рэл).и>ш0

/эмгтрСб -|0)(В<СОо , (13)

О S Рэмт фщд < ¿ЭМТ ном где кАР - коэффициент усиления по небалансу мощности на валу, кАа — коэффициент усиления по отклонению частоты вращения вала.

В качестве критерия оптимальности для выбора значений коэффициентов принят критерий (14).

J = Т"Г Ч • (s0F- 8(0 } ■ di = ks • (5oF- S«)2 • д' => min , (14)

о о

где ks - эмпирический коэффициент, At - шаг интегрирования при расчёте электромеханических переходных процессов (с), 80f ~ установившееся значение угла 8 в послеаварийном режиме, 8^ — значение угла 8 на г-м шаге интегрирования.

Также в качестве критерия при анализе эффективности применения законов управления для каждого отдельно взятого возмущения необходимо учитывать максимальный угол выбега ротора (8mirt) (15).

5max=>min- (15)

В качестве дополнительного критерия, а также для предотвращения перегрева диска ЭМТ, и предполагаемого времени работы ЭМТ возможен учёт температуры диска ЭМТ или энергии, выделившейся в диске ЭМТ (16).

Яэмт = 1^ЭМТ =>"»'"> (1Ь->

о

где £эмт - энергия, выделившаяся в ЭМТ в виде тепла.

Дополнительно возможен мониторинг энергии ЭМТ и ограничение его мощности при превышении заданного значения.

Влияние ЭМТ на условия динамической устойчивости генерирующих агрегатов рассматривалось на примере системы: станция - шины бесконечной (рис. 9). На станции установлено 4 турбогенератора мощностью 75 МВт каждый. Передаётся мощность 300 МВт по двухцепной линии 220 кВ длиной 170 км в систему (Uc=110 кВ).

Параметры генераторов указаны в таблице 2. Параметры элементов рассматриваемой схемы сети указаны в таблице 3. На генераторах установлены автоматические регуляторы сильного действия со следующими показателями: ¿оу= 100, кщ=\, ку=\, Ту= 0,05с, Гф = 0,05с,

TD = 0,02 с, Т}= 0,05 с, Т= 1,5 с, Те = 0,04 с. Время интегрирования Г„ = 4с, шаг интегрирования At = 0,002 с.

где кци- коэффициент усиления канала регулирования по напряжению, кщ-коэффициент усиления канала регулирования по производной напряжения, ко/- коэффициент усиления канала регулирования по частоте, ку-коэффициент усиления канала регулирования по производной напряжения, Ти- постоянная времени измерительного звена по напряжению, Тф-постоянная времени измерительного элемента по 9, TD - постоянная времени дифференцирующего звена по напряжению, 7}~ постоянная времени дифференцирующего звена по углу 9, Т- постоянная времени звена фильтра постоянной составляющей, Те - постоянная времени обмотки возбуждения возбудителя.

Ро

-Uo = const

Рис. 9 - Схема рассматриваемой электрической сети

Таблица 1. Параметры генераторов

Ртш, МВт coscpH0„ Сытном > кВ ЛГг Xjo.e. Ха о.е. XdO.e. Td0, сек

75 0,85 13,8 4 0,91 0,56 0,33 6,8

Ха - продольное синхронное реактивное сопротивление генератора, Хч -поперечное синхронное реактивное сопротивление генератора, - продольное переходное реактивное сопротивление генератора, 7л, - постоянная времени обмотки возбуждения генератора.

Таблица 2. Параметры элементов рассматриваемой схемы сети

ЛЭП, одна (вто рая) цепь Трансформатор Автотрансформатор

Марка провода Длина, км кВ Тип ЛГТ Тип JVat

АС-400/51 170 220 ТДЦ-125000/220 4 АТДЦТН-200000/220/110 2

В качестве возмущения рассматривается трёхфазное короткое замыкание. При этом время отключения КЗ не должно превышать 0,14 с. В расчетах время отключения КЗ принято равным 0,1 с. КЗ отключается отключением одной цепи ЛЭП.

Шестой закон регулирования эффективнее 4-го и 5-го, поскольку при выборе управляющих воздействий учитываются как отклонения частоты вращения вала, так и величину небаланса активной мощности на валу. При использовании 6-го закона регулирования также увеличение коэффициентов усиления уменьшает критерий оптимальности, однако, при достижении минимума угла выбега ротора генератора с увеличением коэффициентов усиления критерий оптимальности изменяется слабо, поэтому в данной ситуации целесообразно учесть и дополнительный критерий.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты, полученные в диссертационной работе, обозначены направления дальнейших исследований.

Основные выводы и результаты работы.

В диссертации решены следующие задачи:

1. Проведено теоретическое исследование электромагнитных процессов в ЭМТ и разработано методическое обеспечение для расчёта номинальной мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров.

2. Проведены экспериментальные исследования характеристик ЭМТ и проведено их сопоставление с теоретическими. Доказана достоверность полученного методического обеспечения расчёта мощности ЭМТ с учётом его конструктивных параметров.

3. Проанализированы механические ограничения, накладываемые на конструктивные параметры ЭМТ, неучёт которых может негативно сказаться на работе ЭМТ в номинальном режиме. Предложена новая конструкция ЭМТ с шихтованным диском, позволяющая не учитывать зависимость температуры диска ЭМТ от его пространственных координат. С учётом механических ограничений и шихтовки диска ЭМТ предложены параметры конструкции ЭМТ различной мощности.

4.' Проведены расчёты электромеханических переходных процессов простейшей ЭЭС с учётом ЭМТ. Предложено 6 законов регулирования мощности ЭМТ для расчёта электромеханических переходных процессов в простейшей ЭЭС. Показано положительное влияние ЭМТ на условия динамической устойчивости при различных законах регулирования. Выбран оптимальный закон регулирования и значения его настроечных параметров.

Публикации по теме диссертации:

1. Панин А.В, Чумаченко В.В., Кузнецов О.Н. «Сопоставление эффективности законов управления электромагнитного тормоза». -«Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ» №5-6/2014;

2. Панин А.В, Чумаченко В.В., Кузнецов О.Н. «Моделирование электромагнитного тормоза для улучшения условий динамической устойчивости электроэнергетической системы». — «Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ» №9-10/2014;

3. Тезисы доклада на XXI ежегодной международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».

Подписано в печать^1 ®' Заказ Тир.

{00 Печ. л.

Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13.