автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Оптимизация режимов работы систем электроснабжения по статическим характеристикам потерь мощности и нагрузки

На правах рукописи

ХАБДУЛЛИН АСЕТ БАКИРОВИЧ ' ' ^

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО СТАТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И НАГРУЗКИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005045836

1 4 2012

Москва 2012

005045836

Работа выполнена на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий» Федерального государстветгого бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ»

Научный руководитель:

Кандидат технических наук, доцент Цырук Сергей Александрович Официальные оппоненты:

Заведующий кафедрой «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета, доктор технических наук, профессор, Ляхомский Александр Валентинович

Начальник отдела стратегического и среднесрочного планирования московского представительства «Лукойл Оверз Сервис ЛТД» кандидат технических наук, Сокольников Александр Васильевич

Ведущее предприятие: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина».

Защита диссертации состоится « 29 » июня 2012 г. в аудитории М-611 в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.157.02 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: Москва, ул. Красноказарменная, д. 13.

Отзыв на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью организации) просим направлять по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

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

Автореферат разослан «» мая 2012 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.02 кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Эффективность функционирования любого промышленного предприятия определяется в значительной мере экономичностью работы системы электроснабжения, что особенно актуально при значительных удельных расходах электроэнергии и высокой энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. В этой связи необходимо решать задачу оптимизации режимов работы систем электроснабжения (СЭС) с целью минимизации потерь на передачу энергии от энергосистемы потребителям.

Статические характеристики мощности узлов нагрузок в установившемся режиме, представляющие собой зависимости активной Р(Ц) и реактивной 0(и) мощностей нагрузки от напряжения в узле нагрузки, нашли широкое применение при решении задач электроснабжения, в частности: при расчетах установившихся режимов; при выборе компенсирующих устройств и управлении ими; при регулировании напряжения в узлах нагрузки. Повышение надежности и экономичности функционирования СЭС остается актуальной задачей и в настоящее время.

Проектирование и эксплуатация схем электроснабжения требуют решения разнообразных задач, характеризующихся повышением надежности электроснабжения потребителей и множеством параметров, определяющих состояние взаимосвязанных и взаимодействующих процессов в синхронных и асинхронных двигателях, отдельных элементах системы электроснабжения и энергосистемы. Проблемы анализа, расчета и оптимизации режимов работы решаются на основе применения специальных методов и средств вычислительной техники. Наибольшее распространение получили методы математического моделироваггая.

В числе мероприятий по оптимизации режимов работы систем электроснабжения необходимо:

- проводить анализ схем электроснабжения предприятий при изменении статических характеристик нагрузок и потерь мощности;

- оптимизировать цеховые СЭС, т.к. сечения токопроводящих жил проводников в цеховых сетях выбираются не по экономической плотности тока, а по допустимому току нагрузки или по допустимой потере напряжения и в режимах максимальной нагрузки следует ожидать повышенных значений суммарных потерь мощности в элементах электрической сети.

Большой вклад в решение различных аспектов задач оптимизации режимов работы СЭС путем использования статических характеристик нагрузки и потерь мощности, обеспечения статической устойчивости работы двигательной нагрузки систем электроснабжения предприятий внесли ученые: П.С. Жданов, В.А. Веников, И.А. Сыромятников, И.М. Постников, Б.Г. Меньшов, С.И. Гамазин и др.

Несмотря на значительное число работ в этой области, методы моделирования и оптимизации цеховых систем электроснабжения, алгоритмов расчета характеристик АДК и СД, статических характеристик нагрузок и потерь мощности применительно к расчету нормальных режимов работы

крупных СЭС и их практическая реализация еще не получили должного развития. Большинство существующих алгоритмов упрощенно представляют сложную по структуре и конфигурации схему цеховых сетей, эквивалентируют большую часть нагрузки на напряжении 380 В, не в полной мере учитывают изменения параметров схемы замещения АДК и СД.

Целью диссертационной работы является разработка универсальной математической модели систем электроснабжения и узлов промышленной нагрузки, позволяющей на основе детального учета характера зависимостей потерь мощности от уровней напряжения для каждого элемента выполнить комплексную оценку потерь мощности во всей системе одновременно. На основе полученной универсальной модели следует разработать комплекс программ, предназначенных для выполнения расчетно-экспериментальных исследований с целью получения статических характеристик потерь мощности и нагрузок в СЭС и установления закономерностей изменения этих характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Разработка методики и алгоритмов расчета параметров схем замещения АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

2. Исследование влияния отклонения реальных данных, нормируемых стандартами, двигателей от каталожных на разброс значений параметров схем замещения;

3. Доработка программного комплекса для расчета установившихся режимов СЭС с элекгродвигательной нагрузкой на основе разработанных алгоритмов применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

4. Получение статических характеристик нагрузок и потерь мощности для реальных промышленных объектов и исследование возможности их использования при разработке энергосберегающих мероприятий.

Научная повизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика и алгоритмы расчета параметров схем замещения низковольтных и высоковольтных АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

2. Выполнена оценка отклонений параметров схем замещения двигателей по критерию минимизации разброса вычисляемых значений при нормированным отклонений каталожных данных;

3. Предложена универсальная математическая модель системы электроснабжения с электрическими нагрузками, реализующая учет статических характеристик потерь мощности и нагрузок от параметров режима и загрузки электрических двигателей;

4. Для систем электроснабжения двух предприятий выполнены исследования статических характеристик потерь мощности и нагрузок, и установлены закономерности их изменения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методики, алгоритмы и программы расчета параметров схем замещения и пусковых характеристик высоковольтных и низковольтных асинхронных двигателей применительно к задаче определения статических характеристик потерь мощности;

2. Методики, алгоритмы и программы расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик СД с шихтованными полюсами и массивным гладким ротором применительно к задаче определения статических характеристик потерь мощности;

3. Результаты расчетно-экспериментальных исследований статических характеристик потерь мощности в асинхронных, синхронных двигателях и системы электроснабжения в целом;

4. Закономерности статических характеристик потерь мощности для предприятий различных отраслей и состава электрических нагрузок.

Обоснованность и достоверность результатов исследований подтверждается использованием апробированных методов моделирования электротехнических систем, корректностью исходных положений и допущений, хорошей сходимостью результатов расчетных исследований с теоретически прогнозируемыми результатами.

Практическая ценность и реализация результатов работы

На основе полученных в диссертации математических моделей и алгоритмов в соответствии с задачами исследования модернизирован программный комплекс для расчета установившихся режимов СЭС, предназначенный для выполнения комплексной оценки эффекта регулирования напряжения на шинах подстанций на уровень общих потерь мощности во всех элементах системы электроснабжения для предприятий любых отраслей промышленности.

Программный комплекс использован при выполнении работ по разработке энергосберегающих мероприятий для АО «ССГТЮ» (республика Казахстан) посредством определения оптимальных уровней напряжения с целью минимизации потерь мощности.

Апробация работы. Основные положения работы и ее результаты докладывались на научно-технических конференциях Тольяттинского технического университета, Астраханского государственного университета, Казанского государственного энергетического университета, Рудненского индустриального института (Республика Казахстан), на научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий НИУ «МЭИ».

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 5 научных трудах, в том числе одна статья в изданиях, входящих в перечень ВАК РФ по направлению «Энергетика».

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 85 наименований.

Работа изложена на 131 страницах машинописного текста, содержит 55 рисунков и 21 таблицу.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель работы и научные задачи, отражается научная новизна и практическая ценность работы, кратко изложено содержание материалов, рассмотренных в диссертационной работе. Приводятся сведения о реализации результатов работы, апробации и публикациях по теме диссертации, а также структура и объем работы.

В первой главе выбран способ моделирования системы электроснабжения, основанный на представлении системы промышленного электроснабжения (СПЭ) трехуровневой иерархической структурой и позволяющий отобразить СПЭ произвольной конфигурации структуры и состояния в виде компактных матриц обобщенных параметров Ъ в со тлЪу

Рассмотрены способы оптимизации расчетов режима СПЭ, заключающиеся в разрешении уравнений узловых напряжений относительно доминирующих параметров, использовании для расчетов метода Гаусса-Зейделя и в расчете оптимальных значений начального приближения для узловых напряжений.

Проведена модернизация комплекса 8Е2АМ для возможности расчета суммарных потерь активной и реактивной мощностей в СПЭ, просмотра и вьюода пусковых характеристик СД или АД. Модернизация заключалась:

- в переработке программы расчета параметров схем замещения, высоковольтных и низковольтных асинхронных двигателей;

- в переработке программы расчета параметров схем замещения, высоковольтных и низковольтных синхронных двигателей различных типов;

- разработке алгоритма расчета потерь мощности в двигателях с учетом эффекта вытеснения тока в демпферных обмотках СД и АД;

- разработке программы определения статических характеристик потерь мощности, как в отдельных электродвигателях, так и во всей системе электроснабжения;

изменении интерфейса программного комплекса под задачи исследования статических характеристик потерь мощности.

Во второй главе разработаны методика, алгоритм и программа расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик, высоковольтных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором (АДК) применительно к определению статических характеристик потерь мощности.

АДК может быть представлен двухконтурной схемой замещения (рисунок 1), которая характеризуется следующими параметрами: ^ и Х„1 -активное и индуктивное сопротивления рассеяния статорной обмотки; Яп и Х12 - активное и индуктивное сопротивления ветви намагничивания, характеризующие потери мощности в стали магнитной системы; И^) и Х^б) — активное сопротивление и индуктивное сопротивление рассеяния роторной обмотки, приведенные к обмотке статора.

P+jQ ¡1

Ха2(з)

Рисунок 1 - Схема замещения АДК

В АДК необходимо учитывать явление поверхностного эффекта, т.е. вытеснение тока в роторной обмотке. Степень этого вытеснения зависит в основном от частоты наводимых в обмотке ротора токов, т.е. в конечном итоге от скольжения двигателя. Эффект вытеснения тока приводит к изменению активного сопротивления и индуктивного сопротивления рассеяния роторной обмотки в зависимости от скольжения двигателя б, что достаточно точно описывается следующими зависимостями:

к2(8) = я2е + (а2п-к2в)^,

ХО2(8) = -

Ха2сДа2п

Хс2п +(Ха2с ~Ха2п)\/з

где Я2с(Ха2с) — сопротивления, соответствующие синхронному режиму (5=0); К2п(Х<гёп) — сопротивления, соответствующие режиму пуска (5=1).

Наряду с зависимостями (1) для описания закономерностей вытеснения тока в роторе АДК предлагаются также следующие выражения

Хо2(з) =

(1)

Ха2сХ02п

(2)

7Х<,2В +(ХО2С _Х2п)з, Исходными данными для расчета параметров схемы замещения АДК являются:

а) номинальные данные

Рм - номинальная активная мощность на валу АДК; им - номинальное напряжение статорной обмотки; соБфм — коэффициент мощности в номинальном режиме; г\н - коэффициент полезного действия в номинальном режиме АДК; Бк - скольжение АДК в номинальном режиме;

б) данные режима пуска

1П - кратность пускового тока в долях от номинального; Мя - кратность пускового момента в долях от номинального;

в) данные критического режима АДК •

Йпах - максимальный электромагнитный момент в долях от номинального.

Параметры схемы замещения и режима АДК определяются в относительных единицах.

Для определения параметров схемы замещения АДК (1^, ХоЬ Я12, Х12, с> Х<ЙП> Кгп, АРмех) необходимо составить систему из девяти независимых уравнений и разрешить эту систему относительно параметров схемы замещения. В качестве уравнений можно использовать нелинейные, соответствующие каталожным данным АДК. Поскольку число каталожных данных меньше числа параметров схемы замещения, то эту систему уравнений необходимо дополнить еще двумя уравнениями, вытекающими из устойчивых соотношений между параметрами АДК. Для каждого из уравнений полученной системы необходимо: выделить доминирующий в этом уравнении параметр схемы замещения; преобразовать каждое уравнение к оптимальному виду, удобному для организации расчетов по методу последовательных приближений с быстрой сходимостью; определить начальное приближение — для доминирующего параметра схемы замещения в уравнении.

В качестве доминирующего параметра уравнения можно принять сопротивление Я], а само уравнение представить к следующему виду:

К,=11<0)

я® м

шах шах

(3)

у

где и Я«», — последующее и предыдущее приближенное сопротивления И^; ЛМтах = Мгсах — Мтах1 - разность между каталожным и расчетным значениями максимального электромагнитного момента АДК. За начальное приближение сопротивления Я) при расчетах по формуле (3) можно принять следующие значение:

г

1-4

М X" М^У я"х'^ 1-вм )

К(0)=-V-' "" \ (4)

ТЬ,СОЗфм

АТАшах л

При расчете сопротивления Х^ в качестве критического скольжения МОЖНО принять Бкр = Мшах вц.

Следует заметить, что в соответствии с выражением (4) значение сопротивления существенно зависит от значения максимального

электромагнитного момента Мтах и сверхпереходного сопротивления При изменении М^ на ±10 % значение И.) изменяется на ±20 %. При изменении Х^, на ±10 % значение ^ также изменяется на ± 10 %. Стандарты на

асинхронные двигатели общего назначения допускают отличие реальных значений параметров от указанных в каталожных данных на: по пусковому моменту - 15%; по пусковому току - 20%; по максимальному электромагнитному моменту - 10%. При таких нормах допустимого разброса каталожных данных разброс в значениях сопротивления ^ составляет ± 40 %. Поэтому наряду по способом расчета сопротивления Иь основанном на выражениях (3), (4), целесообразно использовать способ расчета сопротивления

Я]. Суть этого способа основана на закономерностях изменения массогабаритных размеров и составляющих потерь электрической энергии в серии АДК. При постоянстве плотности тока в статорной обмотке и максимальной электромагнитной индукции для АДК потери мощности в статорной обмотке, отнесенные к полной номинальной мощности двигателя Бном (а следовательно, и активное сопротивление статорной обмотки изменяются по степенной зависимости от 8НОм с показателем степени (-0,25). Анализ совокупности двигателей серии 4А основного исполнения показал, что сопротивление Ил с хорошим среднеквадратичным отклонением (Я = 0,8279) может быть определено по формуле

Я, = 0,0802-8^2405). (5)

Отличие формулы (5) от теоретической (с показателем степени (-0,25)) объясняется тем, что ни плотность тока, ни максимальная индукция в сериях АДК не остается постоянной.

Таким образом, необходимо проанализировать методики расчета сопротивления Яь основанную на формулах (3), (4) и основанную на формуле (5) - и выбрать из них наиболее подходящую к целям расчета статических характеристик потерь мощности в цеховых СЭС.

Для окончательного выбора алгоритма расчета параметров схемы замещения АДК необходимо:

1. Выбрать из выражений (1) или (2) закономерности учета вытеснения тока в роторе наиболее подходящие для низковольтных АДК.

2. Исследовать методики расчета сопротивления Ль одна из которых основана на выражениях (3), (4), а другая использует (5), и выбрать подходящую к целям расчета статических характеристик потерь мощности в цеховых СЭС.

Для расчетных исследований были составлены четыре программы для персональных ЭВМ, реализующих все четыре модификации алгоритмов:

- программа РАБ1 (параметры асинхронных двигателей) реализует алгоритм, в котором вытеснение тока в роторе учитывается по выражениям (1), а расчет активного сопротивления статорной обмотки осуществляется по выражениям (3), (4) через максимальный электромагнитный момент Мтах;

- программа РА02 реализует алгоритм, в котором вытеснение тока в роторе учитывается по выражению (2), а расчет сопротивления И] осуществляется по выражениям (3), (4);

- программа РАБЗ реализует алгоритм, в котором вытеснение тока в роторе учитывается по выражениям (1), а расчет активного сопротивления статорной обмотки осуществляется по выражению (5) в виде степенной функции от полной номинальной мощности двигателя 8Н0М;

- программа РА04 реализует алгоритм, в котором вытеснение тока в роторе учитывается по выражению (2), а расчет сопротивления - по выражению (5).

Таким образом, программы РА01 и РА02 (соответственно РАБЗ и РА04) различаются только способом учета вытеснения тока в роторе, а программы РА01 и РАБЗ (соответственно РАБ2 и РАБ4) - способом расчета

активного сопротивления статорной обмотки. В остальном алгоритмы всех программ одинаковы.

Анализ данных по параметрам схем замещения АДК позволяют сделать следующие выводы:

1. Уравнение максимального момента не может быть использовано для определения активного сопротивления статорной обмотки И.] ввиду особой чувствительности этого сопротивления к вариациям максимального момента. Для АДК каждого типа допустимое отклонение реального значения максимального момента от каталожного значения составляет ±10%. При таких допустимых отклонениях Мшах отклонения значений сопротивления Я! может выйти за допустимые границы. Поэтому программы РА01 и РА02, использующие этот алгоритм расчета сопротивления не могут быть использованы для расчета параметров схем замещения АДК.

2. Из двух рассмотренных способов учета вытеснения тока в обмотке ротора АДК, основанных на выражениях (1) и (2) более подходящим является способ, использующий выражение (2). Этот способ обеспечивает минимальное изменение параметров роторной обмотки в диапазоне рабочих скольжений от б=0 до 8=3м, что соответствует выводам более общей теории вытеснения тока.

3. Для расчета параметров схем замещения АДК с целью дальнейшего расчета статических характеристик потерь мощности следует рекомендовать программу РАБ4.

Для исследований статических характеристик потерь мощности рассмотрены на примере асинхронных двигателей. Построены графики статистических характеристик потерь активной и реактивной мощности высоковольтных и низковольтных АД.

На рисунке 2 представлены статические характеристики суммарных потерь активной Мощности в высоковольтном и низковольтном асинхронном двигателе АТД-5000 (Рном=5000 кВт) и А-52-2 (Р„ом=10 кВт) при коэффициентах загрузки (К3) от 0,5 до 1. Приняты обозначения: ДРелд(К3=1) - суммарные потери активной мощности в АД при соответствующем К3.

о.оа

-*-йРХАД(КЭ-1) —ДР£ЛД(Кэ=0,9) ДРХАД (Кэ-О.8) -*-ÜP£Afl (Кз=0,7)

-*-дргдд(к>=о,б)

~«-йР1АД(КЗ=0,5)

3 3 " S- s- » § s 3

U, o.e.

а) б)

Рисунок 2 - Статические характеристики потерь активной мощности при различных коэффициентах загрузки: а) АТД-5000; б) А-52-2

На рисунке 3 представлены статические характеристики потребления реактивной мощности в высоковольтном асинхронном двигателе АТД-5000 при коэффициентах загрузки от 0,5 до 1. Приняты обозначения: <31лд(К3=1) — потребление реактивной мощности в АД.

02АД(Кз=1)

05АД(Кэ=0,9)

С12АД( Кз»0,8) О2АД(К»»0.7) <5ХАД(Кэ-0,5) 02АД(Кз=0.5)

а) б)

Рисунок 3 - Статические характеристики потребления реактивной мощности при различных коэффициентах загрузки: а) АТД-5000; б) А-52-2

Напряжение на выводах АДК, при котором обеспечивается минимум суммарных потерь активной мощности, существенно зависят от коэффициента загрузки и изменяются при изменении коэффициента загрузки от 1 до 0,5 в пределах от 1,1 до 0,75 от номинального.

Напряжение на выводах АДК, при котором обеспечивается минимум потребления реактивной мощности, существенно зависят от коэффициента загрузки и изменяются при изменении коэффициента загрузки от 1 до 0,5, в пределах от 1,1 до 0,65 от номинального.

В третьей главе разработаны методика, алгоритм и программа расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик, СД с шихтованными полюсами и массивным гладким ротором применительно к определению статических характеристик потерь мощности

Схемы замещения СД с шихтованными полюсами по продольной (а) и поперечной (б) осям приведены на рисунке 4.

Параметрами схемы замещения являются: И с, II] а, ч —

соответственно активные сопротивления ветви намагничивания по продольной и поперечной осям ротора, статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпферных обмоток по продольной и поперечной осям ротора; Х^, Хач — сопротивления взаимоиндукции между статорными и роторными обмотками по осям (1 и я;, Ха , Хо1й, хо1, - соответственно индуктивные сопротивления рассеяния статорной обмотки, обмотки возбуждения и демпферных обмоток по осям ё и q; — активное сопротивление обмотки возбуждения при пуске СД, когда обмотки возбуждения замкнуты на дополнительное пусковое сопротивление (В.& = + 11п). Коэффициент кратности пускового

сопротивления по отношению к сопротивлению обмотки возбуждения Кр равен отношению пускового сопротивления к сопротивлению обмотки возбуждения Х„

а)

б)

Рисунок 4. Схемы замещения по продольной (а) и поперечной (б) осям СДШП.

Основным требованием к алгоритму является соответствие расчетных параметров схемы замещения СД каталожным данным, т.е. параметры режима, соответствующие каталожным данным (например, Мп, Мв, Мм, 1П)> но вычисленные через параметры схемы замещения, должны равняться этим каталожным данным.

Активное сопротивление статорпой обмотки в относительных единицах равняется потерям активной мощности в этой обмотке в номинальном режиме СД, которые составляют устойчивую долю (в среднем 0,4) от суммарных потерь активной мощности в СД

Ксг=0,4-(1-т1м)-т1ц -созфк. (6)

Основным расчетным выражением для определения синхронного сопротивления Хд служит выражение для максимального синхронного момента

М,

Хн

X, хп . н—-—з-Бшгз ' 2Х„Х„

м>

(7)

где 6М — внутренний угол СД, соответствующий максимальному синхронному моменту и максимальной активной мощности Рм в синхронном режиме; Бм — номинальная полная мощность СД

Остальные параметры схемы замещения СДШП определяются по методу последовательных приближений из условия совпадения одноименных

каталожных и расчетных данных. Однако, поскольку каталожных данных существенно меньше, чем параметров схемы замещения, уравнения последовательных приближений необходимо дополнить рядом приближенных соотношений, характеризующих относительно устойчивые свойства СД.

Схемы замещения СД с массивным ротором (СДМР) по продольной (а) и поперечной (б) осям ротора аналогична приведенной на рисунке 4.

В отличие от СД с шихтованным ротором СДМР характеризуются следующими особенностями.

1. В связи с симметрией ротора по продольной (d) и поперечной (q) осям имеют место следующие соотношения:

Xd =Xq,

Xad =Xaq,

Xald =Xolq =Xol, (8)

Rld=Rlq=Rl>

Rad =Raq-

2. В массивном роторе СДМР необходимо учитывать вытеснение тока в демпферных контурах ротора. Степень вытеснения в основном зависит от частоты наводимых в роторе токов, т.е. в конечном итоге от скольжения двигателя. Эффект вытеснения тока приводит к изменению активного R] и индуктивного сопротивления рассеяния Хо1 эквивалентного демпферного контура в зависимости от скольжения ротора.

Изменения сопротивлений эквивалентного демпферного контура определяются следующими зависимостями, вытекающими из теории массивного ротора:

R1(s) = >fc + K-K?c> , (9)

X°i(s) = с—v » (10>

V^oln + (Xalc Xai„)s

где И1п, Хп|„,11,с, Хо)с - активные и индуктивные сопротивления рассеяния демпферного контура соответственно при пуске (в = 1) и в синхронном режиме (8 = 0).

3. В связи с тем, что сопротивления 11,(3) и Хо1(з) эквивалентного демпферного контура зависят от скольжения, то и обобщенные параметры СДМР, в расчетные выражения для которых входят сопротивления (б) и Хп1(з) также зависят от скольжения.

Алгоритм расчета параметров схемы замещения СДМР реализуется следующим образом. Ненасыщенное значение синхронного сопротивления Хл определяется как

113

=--• (Н)

СОЭфц -Л/Рм-1-ЗШфк

Остальные параметры схемы замещения СДМР определяются по методу последовательных приближений из условия совпадения одноименных каталожных и расчетных данных.

Для исследований статические характеристики потерь мощности рассмотрены на примере синхронных двигателей с шихтованным и массивным ротором.

На рисунке 5 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности в синхронных двигателях СДН-18-74-16 (Рном=4000 кВт), СТД-10000-2 (Рном=10000 кВт), СД2-74/25-604 (Рно„=225 кВт) при коэффициентах загрузки (К3) от 0,5 до 1. Приняты обозначения: ДРхсд(К3=1) -суммарные потери активной мощности при соответствующих К,.

а) б) в)

Рисунок 5 - Статические характеристики потерь активной мощности при различных коэффициентах загрузки: а) СДН-18-74-16; б) СТД-10000-2;

в) СД2-74/25-604

Напряжение на выводах, при котором обеспечивается минимум суммарных потерь активной мощности СД с шихтованными полюсами, существенно зависят от коэффициента загрузки и изменяются при изменении коэффициента загрузки от 1 до 0,5 в пределах от 1,1 до 0,7 от номинального.

Напряжение на выводах, при котором обеспечивается минимум суммарных потерь активной мощности СД с массивным гладким ротором, существенно зависят от коэффициента загрузки и изменяются при изменении коэффициента загрузки от 1 до 0,5 в пределах от 1,1 до 0,7 от номинального.

В четвертой главе приведены исследования статических характеристик мощности нагрузок и потерь мощности для АО «Соколовско-Сарбайское горно-обогатительное производственное объединение» (Республики Казахстан) и ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» (Российская Федерация).

Для исследований статических характеристик потерь мощности выбрана система электроснабжения цеха по производству окатышей (ЦПО) подстанций ТТТ-26 АО «ССГПО» (рисунок 6).

Электроснабжение ЦПО осуществляется от подстанций — ПС №34 (ПС 110/6 и 35/6).

Электроснабжение механического участка осуществляется от двухтрансформаторной подстанции № 26 6/0,4кВ через трансформаторы по 1000 кВА каждый. В свою очередь ПС №26 питается по взаиморезервируемым токопроводам, проложенных над землей, от вышестоящей двухтрансформаторной подстанции №34. На подстанции №34 установлено 2х(40 МВА) трансформатора 110/6 и 35/6 кВ, питание ПС №34 осуществляется от В Л Сарбайская-Агломерат №1 напряжением 110 кВ от ПС «Сарбайская» АО «KEGOC» и по BJI напряжением 35 кВ от ТЭЦ.

Общее число элементов СЭС - 352, в том числе кабели (117 присоединений общей длиной около 9000 м, разброс длин присоединений - от 10 до 180 м, разброс сечений кабельных жил присоединений от 2 х (3 х 240) до 3x4 мм2, а также 91 АД и 12 СД суммарной установленной мощностью 17915 кВт; средняя мощность двигателей 173,93 кВт (двадцать имеют мощность свыше 100 кВт: 2 по 2000; 10 по 800; 4 по 500; 4 по 400 кВт; минимальная мощность - 0,5 кВт).

Прочая (недвигательная) нагрузка 0,38 кВ представлена освещением, сигнализацией и тиристорпые воздудительные устройства (ТВУ) СД.

SA ИМ м 35*S

Тдабл-Аоюимот' Ш

ДШ1 'А1Ш11Ш ШШШкШМ

тШшш лшшш

ййищ

Рисунок 6 - Расчетная схема ТП-26 АО «ССГПО» На рисунке 7 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности в рассматриваемой схеме при коэффициенте загрузки (К3) - 0,9 и 0,8 АД и СД. Приняты обозначения: АРГСд - суммарные потери активной мощности в СД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); ДР^дд - суммарные потери активной мощности в АД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); ДРсети - активные потери мощности в электрической сети, за исключением потерь в присоединениях АД и СД; ДРьрансф - суммарные активные потери стали в

трансформаторах; ДР^ - суммарные активные потери мощности в СЭС, включающие активные потери мощности в сети, АД и СД.

0,6 о.» 0,2

-•-ЛРХ '< йРССТИ

-«-лргсд -Л-ДРГАД

—*— ЛР^тр.нкф

0,95 О.Э 0.85 0,8

0,95 0,9 0,85 0,8

а) б)

Рисунок 7 - Статические характеристики потерь активной мощности для ТП-26: а) при К3 = 0,9; б) при К3= 0,8 На рисунке 8 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности АД в рассматриваемой схеме при К3 = 0,9 и 0,8. Приняты обозначения: ДР2АД - суммарные потери активной мощности АД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); ДР12АД ~ суммарные потери активной мощности в стали магнитных систем АД; АР1ЛД — суммарные потери активной мощности в статорпых обмотках АД; АР2дд - суммарные потери активной мощности в роторных обмотках АД; ЛРглдкаб - суммарные потери активной мощности в присоединениях АД.

0,7

1,1 1,ОВ 1 О.Э 5 О.Э 0,85 0,8

-»-ДР2АД -»-ДР12АД

ЛР^АДкаб

1,1 1.05 1 0,95 0,9 0,85 0,8

а) б)

Рисунок 8 - Статические характеристики потерь активной мощности в АД: а) при К3= 0,9 б) при К3= 0,8

На рисунке 9 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности СД в рассматриваемой схеме при К3 = 0,9 и 0,8. Приняты обозначения: ЛР2Сд — суммарные потери активной мощности СД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); ДР^сд - суммарные потери активные мощности в стали магнитных систем СД; ЛРюд — суммарные потери активной мощности в статорных обмотках СД; ДРод - суммарные потери активной мощности в обмотках возбуждения СД; ЛРгсдкаб - суммарные потери активной мощности в присоединениях к СД.

0,5

== 0,3

S

t s '

— —

.... L— 4 к- ■

- г

г

—

г

- — —

q —

—

_ J

- 'Л

_ j

- t _

Г-

.... р.., . _ г

1,05 1 о,95 0,9 0,85 0,8 U, о.«.

-«9-ДР12ОД —1—

—др1сд -«-ДРВД

а) б)

Рисунок 9 - Статические характеристики потерь активной мощности в СД: а) при К3= 0,9; б) при К3= 0,8 На рисунке 10 представлены статические характеристики потребления реактивной мощности в рассматриваемой схеме при К, =0,9 АД и СД. Приняты обозначения: Охдд - потребление реактивной мощности в АД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); С>ссти - потребление реактивной мощности в электрической сети, за исключением потерь в присоединениях АД и СД; СЬтршсф - потребление реактивной мощности стали в трансформаторах; Ог - потребление реактивной мощности в СЭС, включающие потери мощности в сети, АД и СД.

На рисунке 11 представлены статические характеристики потребления реактивной мощности АД в рассматриваемой схеме при К3=0,9. Приняты обозначения: <Зеад - потребление реактивной мощности АД (включающие потери в цепи присоединения двигателей); СЬгдд - потребление реактивной мощности в стали магнитных систем АД; СЬад - потребление реактивной мощности в статорных обмотках АД; СЬлд - потребление реактивной мощности в роторных обмотках АД; СЬадгаб - потребление реактивной мощности в присоединениях АД.

.QI

iQcfi и

*- 10ХАД

»ОХтрамсф

1,1 1.05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 U, o.e.

а) б)

Рисунок 10- Статические характеристики потребления реактивной мощности для ТП-26: а) при К3 = 0,9 б) при К3= 0,8

ах ад а12АД ЩАДкаб СПАД

02АД

1.1 1.05 1 0,95 0,9 0,85 0,8 u, o.a.

а) б)

Рисупок 11- Статические характеристики потребления реактивной мощности в АД: а) при К3= 0,9 б) при К3 = 0,8

Аналогичные статические характеристики были построены для ТП-26 АО «ССГПО» при К3=0,7; 0,6; 0,5 АД и СД.

Далее для исследований статических характеристик потерь мощности и нагрузки выбрана система электроснабжения цеха по производству окатышей (ЦПО) подстанций ТП-26 АО «ССГПО» (рисунок 4). Для подтверждения адекватности полученных результатов на «ССГПО» и выявления некоторых общих закономерностей в характере статических характеристик аналогичные исследования были проведены в системе электроснабжения цеховой подстанции ТП-75 ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» (Московская

область) (рисунок 12) при существующих К3=0,7 АД и К3=0,8 СД, что соответствует наиболее вероятному режиму работы двигателей.

На рисунке 12 представлена расчетная схема электроснабжения от трансформатора Т1 ТП-75 (мощность трансформатора 81ЮМ = 1600 кВА). Общее число элементов СЭС - 134, в том числе кабели (29 присоединений общей длиной 1500 м, разброс длин присоединений - от 10 до 99 м, разброс сечений кабельных жил присоединений от 2 х (3 х 120) до 3 х 2,5 мм2, а также 27 АД суммарной установленной мощностью 1110, 28 кВт; средняя мощность двигателей 41,12 кВт (пять имеют мощность свыше 100 кВт: 250; 160; 132; 2 по 110 кВт; минимальная мощность - 0,8 кВт).

Прочая (недвигательная) нагрузка 0,38 кВ представлена освещением и сваркой (суммарная расчетная мощность 64 кВт, или 7,4 % от общей мощности нагрузки трансформатора). Также присоединена батарея конденсаторов мощностью Обк = 221 квар.

12 П 14 И 1« I? I* 14 ™

Рисунок 12 - Расчетная схема 1 секции ТП-75 ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»

На рисунке 13 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности для ТП 26 и ТП-75 при существующих коэффициентах загрузки. Принятые обозначения аналогичны рисунку 5.

На рисунке 14 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности АД для ТП 26 и ТП-75 при существующих коэффициентах загрузки. Принятые обозначения аналогичны рисунку 6.

На рисунке 15 представлены статические характеристики суммарных потерь активной мощности СД для ТО-26 при существующих коэффициентах загрузки. Принятые обозначения аналогичны рисунку 7.

-Д Г>1 —й Реет и

ндрхсд

-ДР1АД —ДР£траисф

1.1 1,ОБ 1 0,95 0,9 0,85 0,8

—

кДРсети —ДР^трансф

1 1,05 1 0,95 0,9 0,85 0.В

а) б)

Рисунок 13 - Статические характеристики потерь активной мощности: а) ТП-26 б)ТП-75

-ДРХАД -ДР12АД -ДР2АДкэб —ДР1АД —АР 2 АД

1,1 1,05 1 0.95 0,9 0.85 0,8 и, о,«.

а) б)

Рисунок 14 - Статические характеристики потерь активной мощности в АД: а) ТП-26 б)ТП-75

-ЛР1СД

-ДРЕСДиаб

-ЛР1СД

-ДРКД

Рисунок 15 - Статические характеристики потерь активной мощности в СД (ТП-26)

Выполненные раечетно-экспериментальные исследований статических характеристик мощностей нагрузок и потерь мощности в системе электроснабжения позволили сформулировать следующие выводы:

1. Суммарные потери активной мощности в цеховых СЭС составляют от 6,5 до 9,1 % от потребляемой мощности; доля потерь активных мощности в АД — от 70 до 85 % от потерь в СЭС. Суммарный КПД электродвигательной нагрузки достигает 89,8-95,6 %. Это обусловлено тем, что большая часть активной мощности потребляют АД и СД с высоким КПД (Рном >100 кВт).

2. Напряжение на выводах трансформаторов Т1, Т2 ТП-26 (АО «ССГПО»), при котором обеспечивается минимум суммарных потерь активной мощности, существенно зависит от коэффициента загрузки и изменяется при изменении коэффициента загрузки от 1 до 0,5 в пределах от 1,1 до 0,85 от номинального.

3. В активной нагрузке ТП-26 подавляющую долю (я 80 %) составляет мощность, потребляемая АД и СД, поэтому потребление активной мощности существенно зависит от напряжения на выводах трансформаторов цеховых ТП. При уменьшении напряжения на 10 % потребление активной мощности АД уменьшается на 3-5 %.

4. Минимальные потери мощности при существующих коэффициентах загрузки АД и СД в СЭС ТП-75 (ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» имеют место при напряжении на выводах трансформаторов, равном номинальному напряжению сети, а для ТП-26 (АО «ССГПО») - при и = 1,05 от номинального. Эффект регулирования напряжения на шинах ТП-26 и ТП-75 в пределах допустимых ГОСТ-13109-97 значений будет способствовать снижению непроизводительных потерь мощности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

Проведенные в работе теоретические и расчетно-экспериментальные исследования позволяют сформулировать следующие выводы

1. Разработаны методика, алгоритм и программа расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик, низковольтных и высоковольтных АДК применительно к определению статических характеристик потерь мощности.

2. Разработаны методика, алгоритм и программа расчета параметров схемы замещения и пусковых характеристик СД с шихтованными полюсами и массивным гладким ротором применительно к определению статических характеристик потерь мощности.

3. На основе разработанных методик, алгоритмов и программ модернизирован программный комплекс 5Е7АМ для расчета установившихся режимов СЭС, предназначенный для выполнения комплексной оценки эффекта регулирования напряжения на шинах подстанций на уровень общих потерь мощности во всех элементах системы электроснабжения.

4. На основании расчетных исследований статических характеристик потерь мощности электрических двигателей определено, что минимум потерь активной мощности в АДК, СД с шихтованными полюсами и массивным

гладким ротором существенно зависит от их загрузки и изменяется при изменении коэффициента за1рузки от 1 до 0,5 в пределах напряжения от 1,1 до 0,65 от номинального.

5. Расчетные исследования статических характеристик мощности для реальных промышленных объектов показали, что в структуре электрических потерь в СЭС потери мощности в электрических двигателях при существующих коэффициентах загрузки АД и СД составляют 70% для АО «ССГПО», ТП-26 и 85% для ОАО «Воскресенские минеральные удобрения», ТП-75 и зависят от состава нагрузок и их единичной мощности.

6. Программный комплекс SEZAM использован при выполнении работ по разработке энергосберегающих мероприятий для АО «ССГПО» (республика Казахстан) посредством определения оптимальных уровней напряжения с целью минимизации потерь мощности. Установлено, что эффект сокращения потерь в результате регулирования напряжения на шинах подстанции ТП-26 в пределах значений, допускаемых ГОСТ 13109-97, может составить 55 кВт или 5% от общих потерь мощности в СЭС, а сокращение непроизводительного расхода электроэнергии - 360 250 кВт*час в год или в денежном выражении 2700 тыс. тенге при числе часов использования максимума Ттах= 6550 час.

Список публикаций по теме диссертации

1. Хабдуллин А.Б. Оптимизация установившихся режимов в системах цехового электроснабжения по критерию минимизации потерь мощности// Электрооборудование: эксплуатация и ремонт, 2012, № 2, с. 30-35.

2. Хабдуллин А.Б. Оптимизация потерь мощности в электрических сетях / Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехпологии. Сборник трудов Международной научно-технической конференции. Часть 2. Тольятти: Изд-во Тольят. гос. ун-та, 2009, с. 69-72.

3. Хабдуллин А.Б. Статические характеристики потерь мощности в электрических сетях Тез. докл. межд. научно-практ. конференции 1У-я «Тинчуринские чтения», Казань, 2009, с. 213-215.

4. Хабдуллин А.Б. Моделирование структуры, конфигурации и состояния системы электроснабжения сборник трудов Респ.научно-практ. конф. «Интеграция инженерной науки и исполнительной власти - необходимое условие реализации про1раммы форсированного индустриально-инновационного развития экономики Казахстана» РК, Рудный, 2011, том 1, с.282 -287.

5. Хабдуллин А.Б. Оптимизация потерь мощности. Международная научная конференция «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2009», Астрахань, 2009, с. 79-81.

Подписано в печать ИМ- Зак. № Тир. (00 П.л. Полиграфический центр МЭИ Красноказарменная ул.,д.13

61 12-5/3892

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МЭИ»

На правах1 укописи

ХАБДУЛЛИН АСЕТ БАКИРОВИЧ

ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО СТАТИЧЕСКИМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ И НАГРУЗКИ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель Цырук С.А.

Москва 2012

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение 4

В.1. Обзор научных публикаций по теме исследования............. 4

В.2. Выбор и обоснование темы диссертации........................... 7

Глава 1. Моделирование системы электроснабжения и 14

установившихся режимов работы.

1.1. Моделирование структуры, конфигурации и состояния 14 системы промышленного электроснабжения.....................

1.2. Особенности моделирования цеховых систем 19

электроснабжения ...

1.3. Моделирование установившихся режимов системы 20 электроснабжения............................................................

1.4. Пакеты прикладных программ для расчетно- 26 экспериментальных исследований установившихся режимов систем электроснабжения.................................................

1.5. Выводы по главе 1 ..................................................... 27

Глава 2. Определение параметров и характеристик асинхронных 28 двигателей с короткозамкнутым ротором.................................

2.1. Схема замещения и основные соотношения, 28 характеризующие режим АДК.....................................

2.2. Оценка алгоритмов расчета параметров схемы замещения 41 низковольтных АДК.................................................

2.3. Особенности определения параметров схем замещения 51

высоковольтных АДК.................................................

2.4. Статические характеристики потерь мощности в АДК..........52

2.5. Выводы по главе 2....................................................................................59

Глава 3. Определение параметров и характеристик синхронных 61

двигателей с шихтованными полюсами и массивным гладким ротором

3.1. Расчет параметров и характеристик синхронных двигателей 61 с шихтованными полюсами......................

3.2. Расчет параметров и характеристик синхронных двигателей 72 с массивным гладким ротором...................

3.3. Определение потерь активной мощности в синхронных 77 двигателях с шихтованными полюсами........................

3.4. Выводы по главе 3..................................................... 81

Глава 4. Исследование статических характеристик мощности нагрузок 82 и потерь мощности..............................................

4.1. Статические характеристики мощности цеховых 82 подстанций АО «ССГПО» при различных коэффициентах загрузки................................................................

4.2. Статические характеристики мощности и потерь мощности 111 цеховой подстанции АО «ССГПО».............................

4.3. Статические характеристики мощности и потерь мощности 115 цеховой подстанции ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»...........................................................

4.4. Выводы по главе 4 118

Заключение. Общие выводы и рекомендации................................ 120

Список использованной литературы......................................... 122

Приложение А. Акт внедрения................................................... 130

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Обзор научных публикаций по теме исследования

Эффективность функционирования любого промышленного предприятия определяется в значительной мере экономичностью работы системы электроснабжения, что особенно актуально при значительных удельных расходах электроэнергии и высокой энергетической составляющей в структуре себестоимости продукции. В этой связи необходимо решать задачу оптимизации режимов работы систем электроснабжения (СЭС) с целью минимизации потерь на передачу энергии от энергосистемы потребителям.

Статические характеристики мощности узлов нагрузок в установившемся режиме, представляющие собой зависимости активной Р(И) и реактивной (ХЦ) мощностей нагрузки от напряжения в узле нагрузки, находят широкое применение при решении задач электроснабжения, в частности: при расчетах установившихся режимов; при выборе компенсирующих устройств и управлении ими; при регулировании напряжения в узлах нагрузки. Повышение надежности и экономичности функционирования СЭС остается актуальной задачей и в настоящее время.

Проектирование и эксплуатация схем электроснабжения требуют решения разнообразных задач, характеризующихся повышением надежности электроснабжения потребителей и множеством параметров, определяющих состояние взаимосвязанных и взаимодействующих процессов в синхронных и асинхронных двигателях, отдельных элементах системы электроснабжения и энергосистемы. Проблемы анализа, расчета и оптимизации режимов работы решаются на основе применения специальных методов и средств вычислительной техники. Наибольшее распространение получили методы математического моделирования.

В числе мероприятий по оптимизации режимов работы систем электроснабжения необходимо:

- проводить анализ схем электроснабжения предприятий при изменении статических характеристик нагрузок и потерь мощности;

- оптимизировать цеховые СЭС, т.к. сечения токопроводящих жил проводников в цеховых сетях выбираются не по экономической плотности тока, а по допустимому току нагрузки или по допустимой потере напряжения и в режимах максимальной нагрузки следует ожидать повышенных значений суммарных потерь мощности в элементах электрической сети.

Большой вклад в решение различных аспектов задач оптимизации режимов работы СЭС путем использования статических характеристик нагрузки и потерь мощности, обеспечения статической устойчивости работы двигательной нагрузки систем электроснабжения предприятий внесли ученые: П.С. Жданов, В.А. Веников, И.А. Сыромятников, И.М. Постников, Б.Г. Меньшов, С.И. Гамазин, M.JL Левинштейн, C.B. Смоловик, Е.И. Ушаков, Е.А.Конюхова, Ю.С. Железко и др.

Проблема расчета потерь электроэнергии волнует энергетиков уже очень давно. Однако в настоящее время выпускается очень мало книг по данной теме, т.к. мало что изменилось в принципиальном устройстве сетей. Но при этом выпускается достаточно большое количество статей, где производится уточнение старых данных и предлагаются новые решения проблем, связанных с расчетом, нормированием и снижением потерь электроэнергии.

Одной из последних работ, выпущенных по данной теме, является книга [32]. В ней наиболее полно представлена структура потерь электроэнергии, методы анализа потерь и выбор мероприятий по их снижению. Обоснованы методы нормирования потерь. Подробно описано программное обеспечение, реализующее методы расчета потерь.

Ранее этим же автором была выпущена книга [29]. Здесь наибольшее внимание было уделено методам расчета потерь электроэнергии в различных сетях и обоснованию применения того или иного метода в зависимости от типа сети, а также мероприятиям по снижению потерь электроэнергии.

В книге [2] авторы подробно рассмотрели проблемы электроснабжения в целом, сделав упор на распределительные сети, питающие сельскохозяйственные предприятия и населенные пункты. Также в книге даны рекомендации по организации контроля за потреблением электроэнергии и совершенствованию систем учета.

Авторы в книге [7] рассмотрели подробно общие вопросы, относящиеся к снижению потерь электроэнергии в сетях: методы расчета и прогнозирования потерь в сетях, анализ структуры потерь и расчет их технико-экономической эффективности, планирование потерь и мероприятий по их снижению.

В статье [9] подробно описана программа для расчета технических потерь электроэнергии РТП 3.1. Ее главным достоинством является простота в использовании и удобный для анализа вывод конечных результатов, что существенно сокращает трудозатраты персонала на проведение расчета.

Статья [31] посвящена актуальной проблеме нормирования потерь электроэнергии. Автор делает упор на целенаправленное снижение потерь до экономически обоснованного уровня, что не обеспечивает существующая практика нормирования. Также в статье выносится предложение использовать нормативные характеристики потерь, разработанные на основе детальных схемотехнических расчетов сетей всех классов напряжений. При этом расчет может производиться при использовании программного обеспечения.

Целью другой статьи [30] не является уточнение методики определения погрешностей конкретных измерительных приборов на основе проверки их параметров. Автором в статье проведена оценка результирующих погрешностей системы учета поступления и отпуска электроэнергии из сети энергоснабжающей организации, включающей в себя сотни и тысячи приборов. Особое внимание уделено систематической погрешности, которая в настоящее время оказывается существенной составляющей структуры потерь.

В статье [10] уделено внимание актуальной проблеме качества электроэнергии, что оказывает существенное влияние на потери электроэнергии в сетях.

Статья [8] посвящена уточнению существующих методов расчета потерь электроэнергии, нормированию потерь в современных условиях, а также новым методам снижения потерь.

В статье [48] делается упор на получение достоверной информации о параметрах работы элементов сетевого хозяйства, и прежде всего о загрузке силовых трансформаторов.

Несмотря на значительное число работ в этой области [1-8,21,2439,43,47,52,53,57,75,80,84,85], методы моделирования и оптимизации цеховых систем электроснабжения, алгоритмов расчета характеристик АДК и СД, статических характеристик нагрузок и потерь мощности применительно к расчету нормальных режимов работы крупных СЭС и их практическая реализация еще не получили должного развития. Большинство существующих алгоритмов упрощенно представляют сложную по структуре и конфигурации схему цеховых сетей, эквивалентируют большую часть нагрузки на напряжении 380 В, не в полной мере учитывают изменения параметров схемы замещения АДК и СД [15,33,41,47,59].

В диссертации отражены результаты работ, выполненных автором в течение ряда лет в Национальном исследовательском университете «МЭИ» в сотрудничестве и по заданию АО «Соколовско-Сарбайское горно-обогатительное производственное объединение» (Республика Казахстан).

В.2. Выбор и обоснование темы диссертации

Статические характеристики потерь активной мощности характеризуют эффективность передачи, распределения и технологических преобразований

электрической энергии в другие виды и необходимы как для численной оценки этой эффективности, так и для оптимизации режимов в системах электроснабжения.

Статические характеристики потерь активной мощности в системе электроснабжения от данного узла электрической нагрузки характеризуют суммарные электрические потери мощности и могут быть представлены в виде

ЛРЕ(и) = АРхс(и) + ЛР1д(и), (В.1)

где ДР2с(и) - суммарные потери активной мощности в элементах электрической сети; ДР2д(Ц) - суммарные потери активной мощности в двигателях электрической нагрузки; и - напряжение в узле нагрузки.

Потери мощности в элементах электрической сети подразделяются на нагрузочные потери ДРН, т.е. потери от протекания тока нагрузки через активное сопротивление элементов, и потери в стали ДРСТ магнитных систем трансформаторов, практически не зависящие от нагрузки

ДРС = ДРН + ДРСТ. (В.2)

Потери активной мощности в электрических двигателях подразделяются на потери в обмотках статора ДРЬ ротора ДР2 и потери в стали магнитных систем ДРСХ

ДРд = ДР1 + ДР2 + ДРСТ. (В.З)

Потери мощности в двигателях нагрузки практически ничем не отличаются от потерь в элементах электрической сети и поэтому обязательно должны учитываться в статических характеристиках потерь мощности. Следует также помнить, что нагрузочные потери (включая потери в обмотках двигателей) и потери в стали существенно по-разному зависят от напряжения в узле нагрузки. Первые (ДРН) определяются соотношением

Рг(и) + <32(и)К;

и2

где Р(и) и СКЦ) - активная и реактивная мощности, передаваемые через элемент с сопротивлением Я, которые увеличиваются с уменьшением напряжения. Вторые (АРСТ) определяются соотношением

и2

ЛРСТ =-, (В.5)

с к-м(и)

где - активное сопротивление ветви намагничивания и потери уменьшаются с уменьшением напряжения. От соотношения этих видов потерь мощности, которые в конечном итоге определяются коэффициентами загрузки электрических двигателей, существенно зависит вид статических характеристик потерь мощности.

Статические характеристики потерь мощности применительно к цеховым системам электроснабжения (до 1кВ) заслуживают особого внимания по следующим причинам:

1. Сечения токопроводящих жил проводников в цеховых сетях выбираются не по экономической плотности тока, а по допустимому току нагрузки или по допустимой потере напряжения. Поэтому в режимах максимальной нагрузки следует ожидать повышенных значений суммарных потерь мощности в элементах электрической сети в долях от передаваемой мощности. Малые длины участков цеховых сетей с избытком компенсируются количеством присоединений. Например, к цеховому трансформатору с Б ном = Ю00 кВА в среднем присоединяются свыше 100 силовых приемников электроэнергии.

2. Значительную долю электродвигательной нагрузки в цеховых СЭС составляют асинхронные двигатели (АД) с короткозамкнутым ротором мощностью 1-4 кВт, коэффициент полезного действия которых находится в пределах 0,75-0,85, т.е. потери мощности в таких АД в долях от потребляемой мощности, соизмеримы с суммарными потерями мощности на всех предыдущих ступенях трансформации СЭС. Поэтому электрические потери

мощности в АД составляют существенную часть суммарных потерь в цеховой СЭС и в значительной мере определяют вид статических характеристик.

3. Средние коэффициенты загрузки АД цеховых СЭС по активной мощности составляют К3 = 0,5 -ь 0,7. При этом потери мощности в стали магнитных систем АД соизмеримы с нагрузочными потерями (или превышают их). Учитывая существенную зависимость потерь мощности в стали от напряжения на выводах двигателей, появляется необходимость оптимизации режимов напряжений на шинах цеховых трансформаторных подстанций (ТП).

Определение статических характеристик потерь мощности на основе физического эксперимента, а тем более разделение их на составляющие в соответствии с выражениями (В.1) - (В.З), практически не реализуемо. Единственно реальным способом их определения являются расчетно-экспериментальные исследования на ЭВМ математических моделей цеховых СЭС. Решение поставленной задачи усложняется, как разветвленностью цеховой электрической сети, длины участков которой измеряются метрами, так и наличием в цехах от нескольких десятков до нескольких сотен разнотипных электрических двигателей (включая зарубежного производства) с номинальной мощностью от 0,3 кВт до 400 кВт, различающейся более чем в 1000 раз.

Целью диссертационной работы является разработка универсальной математической модели систем электроснабжения и узлов промышленной нагрузки, позволяющей на основе детального учета характера зависимостей потерь мощности от уровней напряжения, для каждого элемента выполнить комплексную оценку потерь мощности во всей системе одновременно. На основе полученной универсальной модели разработать комплекс программ, предназначенных для выполнения расчетно-экспериментальных исследований с целью получения статических характеристик потерь мощности и нагрузок в СЭС и установления закономерностей изменения этих характеристик.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Разработка методики и алгоритмов расчета параметров схем замещения АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами, по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

2. Исследование влияния отклонения реальных данных, нормируемых стандартами, двигателей от каталожных на разброс значений параметров схем замещения;

3. Доработка программного комплекса для расчета установившихся режимов СЭС с электродвигательной нагрузкой на основе разработанных алгоритмов применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

4. Получение статических характеристик нагрузок и потерь мощности для реальных промышленных объектов и исследование возможности их использования при разработке энергосберегающих мероприятий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработана методика и алгоритмы расчета параметров схем замещения низковольтных и высоковольтных АДК, СД с массивным гладким ротором и с шихтованными полюсами по каталожным данным применительно к определению статических характеристик потерь мощности;

2. Выполнена оценка отклонений параметров схем замещения двигателей, по критерию минимизации разброса вычисляемых значений при нормированным отклонений каталожных данных;

3. Предложена универсальн