автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Совершенствование электрогенерирующих комплексов локальных систем электроснабжения за счет применения многомостовых преобразователей частоты

На правах рукописи

003458017

КУРДЯ Василина Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОМОСТОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ДЕК 2008

Саратов 2008

003458017

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук Степанов Сергей Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Дрогайцев Валентин Серафимович

кандидат технических наук, доцент Сошинов Анатолий Григорьевич

Ведущая организация:

ООО Многоотраслевое производственное предприятие «Энерготехника», г. Саратов

Защита состоится « 25 » декабря 2008 года в 15.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу:

410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, Саратовский государственный технический университет, корп.1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан « » ноября 2008 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Ю.Б.Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время в России, по оценкам целого ряда организаций, занимающихся проблемами электрификации, от 50 до 60% территорий страны с населением более 20 млн. человек так и остаются не охваченными централизованными электросетями.

Электрификация этих районов осуществляется только в рамках «малой энергетики», основу которой составляют локальные системы электроснабжения с автономными электростанциями малой и средней мощности. При этом себестоимость электроэнергии из-за цены подвозимого топлива может достигать 20 руб./кВт-ч.

Под локальными системами электроснабжения в настоящее время понимаются изолированные системы электроснабжения отдельных предприятий или населенных пунктов, содержащие автономные электростанции (АЭ) комбинированного типа и распределительные электрические и тепловые сети ограниченной протяженности. Потребляемая мощность в таких системах не превышает 1-2 МВт, реже 5-10 МВт. Причем локальные системы в большинстве случаев являются полностью автономными, не имеющими связи с централизованными сетями. В отдельных случаях локальные системы имеют линии связи с централизованными сетями и могут работать как в автономном режиме, так и совместно с энергосистемой.

Необходимость и целесообразность развития локальных систем электроснабжения обусловлены следующими факторами: снижаются потери электроэнергии и тепла в распределительных сетях, затраты на производство электроэнергии и тепла получаются более низкими, появляется возможность формировать наиболее приемлемый график потребления электроэнергии в соответствии со своим технологическим процессом при параллельной работе с централизованной сетью. При этом капитальные удельные затраты на единицу вводимой мощности и сроки окупаемости вложений значительно ниже аналогичных показателей при введении мощностей в большой энергетике.

Целью исследований является совершенствование электрогенери-рующих комплексов для локальных систем электроснабжения.

Основные задачи исследования:

1. Провести анализ существующих электрогенерирующих комплексов локальных систем электроснабжения и предложить структурные схемы электрогенерирующих комплексов, наиболее эффективные в условиях частичного отхода от централизованного электроснабжения при складывающихся рыночных отношениях в сфере производства электроэнергии.

2. Разработать математические модели различных модификаций многомостовых преобразователей частоты с улучшенной формой кривой выходного напряжения.

3. Разработать обобщенную математическую модель локальной системы электроснабжения: «дизель - генератор - преобразователь частоты -групповая двигательная нагрузка».

4. Установить интервалы срабатывания релейной защиты в локальных системах электроснабжения с преобразователями частоты путем исследования аварийных режимов.

5. Провести оценку технико-экономической эффективности применения локальных систем электроснабжения при автономной и совместной работе с энергосистемой.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники и электромеханики, методы современного компьютерного моделирования (МАТЬАВ 7.0 с пакетом расширения БтиНпк). При проведении экспериментальных исследований использовались современные приборы для визуального контроля и записи электрических величин.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электромеханики, апробированных методов компьютерного моделирования.

На защиту выносятся:

1. Результаты расчетно-теоретических исследований электрогенери-рующих систем с многомостовыми преобразователями частоты для локальных систем электроснабжения.

2. Результаты моделирования переходных и аварийных режимов в системах с многомостовыми преобразователями частоты.

3. Схемотехническое решение разработанного источника автономного электроснабжения для газораспределительных станций на основе детандер-генераторного агрегата, работающего по бестопливной и экологически чистой технологии.

4. Результаты технико-экономического сравнения вариантов работы локальных систем электроснабжения в автономном режиме и совместно с энергосистемой.

Научная новизна работы.

1. Определены основные направления совершенствования электрогенерирующих комплексов для локальных систем электроснабжения, позволяющие формировать наиболее эффективные структуры электроснабжения в условиях развития рыночных отношений при производстве электроэнергии и наметившейся тенденции частичного отхода от централизованного электроснабжения, на основе применения комбинированных схем генерирования электроэнергии, высокоскоростных первичных двигателей и генераторов, выполненных по безредукторной схеме, применения вставок постоянного тока для обеспечения совместной работы локальной системы электроснабжения с энергосистемой.

2. Предложены схемные решения различных модификаций многомостовых преобразователей частоты, позволяющие создавать агрегаты повышенной мощности, за счет использования однотипных

модулей, и обеспечивать при этом генерирование выходного напряжения с уменьшенным составом высших гармоник.

3. Получены аналитические зависимости для определения параметров многообмоточного трансформатора в многомостовых преобразователях частоты с улучшенной формой кривой выходного напряжения, что позволяет проектировать многомостовые преобразователи частоты с одним многообмоточным трансформатором, тем самым снижая показатели по массе на 10-14 %.

4. Разработана уточненная математическая модель функционирования сложной системы электроснабжения, включающая первичный двигатель, электрогенератор и силовой преобразователь частоты, позволяющая исследовать во взаимосвязи механические процессы в первичном двигателе, электромеханические в генераторе и электрические в преобразователе частоты и нагрузке при различных режимах работы: установившихся, пусковых и аварийных.

5. Показано, что изменение структуры электрогенерирующего комплекса за счет применения силового преобразователя частоты позволило улучшить динамические параметры системы: время выхода системы на номинальный режим работы сократилось в 5-10 раз и стало составлять 4-5 периодов выходной частоты (0,1 с), отклонения выходного напряжения составили ±3% при изменении напряжения на выводах генератора в пределах ±50%, при этом стало возможным полностью исключить влияние изменения скорости вращения первичного двигателя на частоту генерируемого напряжения, что открывает возможность оптимизации работы первичного двигателя в целях снижения удельного расхода топлива.

6. Предложены схемотехнические решения источников автономного электроснабжения для газораспределительных станций (ГРС) на основе детандер-генераторных агрегатов, работающих по бестопливной схеме и экологически чистой технологии: с заменой технологии огневого процесса подогрева газа на электроподогрев.

7. Расчетным путем получены и проанализированы параметры электромагнитных процессов аварийных режимов работы сложной системы электроснабжения, содержащей первичный двигатель, электрогенератор и силовой преобразователь частоты, позволяющие обоснованно минимизировать установленную мощность элементов системы без уменьшения ее надежности. Определен состав блоков и элементов, при выходе из строя которых преобразователь сохраняет работоспособность, а также состав блоков и элементов, при которых преобразователь прекращает работу. Показано, что выход из строя одного или нескольких модулей в многомостовом преобразователе частоты не приводит к полной потере работоспособности системы генерирования напряжения.

Практическая ценность.

1. Предложены рекомендации, применение которых при построении электрогенерирующих комплексов локальных СЭС с многомостовыми

преобразователями частоты позволяют обеспечить улучшение эксплуатационных характеристик: улучшение формы кривой выходного напряжения, снижение расхода топлива, возможность создания электрогенери-рующих комплексов на основе принципиально различных электрогенери-рующих систем.

2. Получены параметры электромагнитных процессов аварийных режимов работы сложной системы электроснабжения, содержащей первичный двигатель, электрогенератор и силовой преобразователь частоты, позволяющие обоснованно минимизировать установленную мощность элементов системы без уменьшения ее надежности.

3. Разработан новый источник автономного электроснабжения для газораспределительных станций на основе детандер-генераторного агрегата, работающий по бестопливной и экологически чистой технологии.

4. Выполнено технико-экономическое сравнение различных вариантов работы локальных систем электроснабжения.

Расчетным путем доказано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини-ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 0,4 до 0,9 рублей за кВт-ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы. При совместной работе локальной системы электроснабжения и энергосистемы возможно снижение платы за электроэнергию, покупаемую у энергосистемы за счет уменьшения заявленного максимума и выравнивания графика потребления от энергосистемы.

Реализация результатов работы. Материалы, приведенные в работе, приняты для использования в технических проектах, связанных с модернизацией электрогенерирующего комплекса локальных систем электроснабжения в Уральском филиале ООО «Газпромэнерго», ООО «Газпром трансгаз Югорск». Теоретические положения, полученные в диссертационной работе, нашли применение в учебном процессе СГТУ по специальности «Электроснабжение».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов, 2006), «Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности» (Саратов, 2007), «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007), «Тинчуринские чтения» (Казань,

2007), «Актуальные проблемы электронного приборостроения» (Саратов,

2008), «Эффективность и надежность электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, Украина, 2008), «Современные научно-технические проблемы теплоэнергетики и пути их решения» (Саратов, 2008); на Всероссийских научно-технических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2006), «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2007), «Разработки молодых ученых в области повышения эффектив-

ности использования топливно-энергетических ресурсов» (Выставка с международным участием «Энергосбережение - 2008» Саратов, 2008) и конференции «Молодые ученые - науке и производству» (Саратов, 2008).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликована 21 работа, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах, содержит 60 рисунков, 10 таблиц. Список использованной литературы включает 105 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цель и задачи, изложены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся основные сведения и классификация электрогенерирующего оборудования локальных систем электроснабжения.

Структура локальных систем электроснабжения (ЛСЭ) представляет собой совокупность трех взаимосвязанных подсистем: автономных электростанций (АЭ), распределительных электросетей и потребителей электроэнергии, расположенных на ограниченной территории. Все вместе они представляют собой единый электротехнический комплекс, эффективная работа которого зависит от оптимального согласования между собой параметров, характеристик и режимов работы всех трех подсистем.

Большинство существующих автономных источников электроснабжения, выполненных на базе дизель-генераторов, не позволяют генерировать электроэнергию с параметрами качества, удовлетворяющие требованиям ГОСТ 13109-97 по качеству электроэнергии.

Это связано с тем, что практически все показатели качества электроэнергии ухудшаются с уменьшением мощности автономно работающих генераторов. Во-первых, величины колебаний напряжения при быстром изменении нагрузки обратно пропорциональны мощности короткого замыкания в сети и суммарной мощности генераторов. Во-вторых, регуляторы частоты вращения газовых турбин, ветродвигателей, газовых и дизельных двигателей не обеспечивают допустимые стандартом пределы отклонения частоты при возможном изменении нагрузки в пределах (0,25 - 1,0) Рном. В-третьих, регуляторы напряжения генераторов при резких изменениях нагрузки не всегда обеспечивают максимально допустимые ГОСТ 13109-97 размахи изменения напряжения.

Одним из радикальных способов устранения этих недостатков является введение в структуру автономных источников электроэнергии силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем релейной защиты и управления, позволяющих наиболее эффективно решать проблемы генерирования электроэнергии с требуемыми параметрами качества и надежности, так как при этом значительно повышается эффективность

управления напряжением и частотой генерируемого напряжения во всех режимах работы. При этом существенно улучшается динамика протекания электромагнитных переходных процессов.

Сочетание фундаментальных способов генерирования электроэнергии с возможностями преобразовательной техники позволяет создать системы генерирования электроэнергии с новыми функциональными свойствами. Во-первых, снимаются ограничения по скорости вращения первичного двигателя и генератора. Это позволяет создавать электрогенерирую-гцую систему по схеме без редуктора, в которой приводной двигатель и генератор вращаются со скоростью значительно более 3000 об/мин, что позволяет повысить КПД установки, снизить материалоемкость агрегата и в ряде случаев упростить систему. Во-вторых, такая система позволяет реализовать режим экономии топлива, за счет работы первичного двигателя с переменной частотой вращения ротора в зависимости от величины нагрузки. Это целесообразно, с точки зрения повышения ресурса работы первичного двигателя.

Таким образом, применение в автономных электростанциях преобразовательной техники позволяет эффективно решать возникающие проблемы, в том числе проблемы энерго- и ресурсосбережения.

В заключение главы формулируются задачи, которые ставятся и решаются в диссертационной работе.

Во второй главе предложены схемные решения различных модификаций многомостовых преобразователей частоты, позволяющие создавать агрегаты повышенной мощности, за счет использования однотипных узлов, и обеспечивать при этом генерирование выходного напряжения с уменьшенным составом высших гармоник.

Эффективным методом, позволяющим комплексно решать вопросы улучшения параметров и свойств преобразовательных агрегатов, является применение многомостовых схем, выполненных из отдельных модулей. Одним из основных вопросов при этом является вопрос суммирования мощности отдельных мостов. Способы суммирования мощности в многомостовых: схемах можно разделить на две группы:

• объединение мостов, не приводящее к изменению параметров генерируемого напряжения;

• объединение мостов, позволяющее одновременно улучшить показатели качества генерируемого напряжения за счет соответствующего выполнения выходного суммирующего устройства и создания определенного фазового сдвига между системами управляющих импульсов инверторных мостов. :

Выходное суммирующее устройство может быть выполнено в двух вариантах: в виде многообмоточного трансформатора и в виде многоэлементной конденсаторной батареи.

Для: построения преобразователей частоты с синусоидальной кривой выходного напряжения был сформулирован принцип построения п-

мостовых Б-фазных бестрансформаторных схем многоуровневых инверторов тока. Принцип заключается в построении структурно-симметричной схемы многомостового инвертора тока, представляющего собой многоуровневую «пирамиду». На каждом уровне происходит взаимная компенсация ряда высших гармоник.

Объединение исходных модулей с помощью фазосдвигающих конденсаторных блоков в единую схему позволяет создать«- мостовую5-фазную бестрансформаторную схему многоуровневого инвертора тока.

Схема содержит восемь тиристорных модулей и четырнадцать фазосдвигающих конденсаторных блоков (ФСКБ) и имеет три уровня компенсации высших гармоник.

Одним из параметров, характеризующих данную схему, является отношение составляющих емкостей = С к]/С Отношение составляющих емкостей С^/Сй в ФСКБ каждого уровня определяется из выраже-

=1, 2, 3N - количество уровней компенсации; £к - угол сдвига ФСКБ, для каждого уровня компенсации определяется как ек= ■ М, здесь - угол сдвига между одноименными импульсами соседних тиристорных мостов; М - текущий номер тиристорного моста. Для выбранного количества уровней компенсации имеется два разных по значению угла сдвига , при которых реализуется режим взаимной компенсации высших гар-

От выбора значения ек будет зависеть величина отношения конденсаторов в ФСКБ Хк и, как следствие этого, величина выходного напряжения при одинаковой величине напряжения ид источника постоянного тока.

При этом для обоих значений £м реализуется режим взаимной компенсации высших гармоник.

При N мостах получаем условно многофазную схему инвертирования с числом фаз р = 6-N (рис. 1).

На первом уровне компенсируются 5 и 7-я гармоники, на втором - 11 и 13-я, а на третьем - 23 и 25-я. Первой значащей гармоникой в кривой выходного напряжения является 47-я гармоника.

Разработанный принцип построения многоуровневых силовых схем, инверторов тока и напряжения на базе И-мостовых схем без суммирующего трансформатора с улучшенным гармоническим составом выходного напряжения позволяет:

• повысить выходную мощность преобразователя частоты в единице оборудования;

иия:Х, -

, _-18(ек/2) + у/з

, где к - текущий номер уровня компенсации, к

моник £

90

; - „Ы ■

• осуществить режим компенсации высших гармоник в кривой выходного напряжения (в четырехмостовых схемах до 23-й гармоники, в восьмимостовых - до 47-й) без применения выходных фильтров;

• повысить динамические свойства схемы, за счет уменьшения времени чистого запаздывания с <р = ТУб - для одномостовых схем до <р = То/6-к - для многомостовых. Здесь Т0- период основной частоты; к - количество тиристорных мостов;

• обеспечить работоспособность схемы в аварийных режимах работы: при коротких замыканиях в нагрузке, при выходе из строя отдельных конденсаторов, при пробое тиристоров одного из инверторных мостов.

Состав высших гармоник в выходном напряжении при реализации режима взаимной компенсации определяется выражением:

V) =к-р±1,

где к = 1,2,3...

На рис.2 представлена схема двухуровневого четырехмостового автономного инвертора с компенсаторами выпрямительного типа.

Представленная модель позволяет исследовать переходные, установившиеся и аварийные режимы работы с получением графиков электромагнитных процессов во всех блоках системы.

На рис. 3-4 приведено семейство характеристик четырехмостового инвертора, рассчитанных при £1 = 30*, г2 = 15' и соз^н = 0,7 и различных углах управления компенсаторами реактивной мощности а= 280, 290, 300 эл. град. Изменение угла управления компенсатора реактивной мощности позволяет изменять величину выходного напряжения. Подключение компенсирующих тиристорных мостов к выходным выводам основных мостов позволяет стабилизировать максимальное напряжение на тиристорах при изменении нагрузки от холостого хода (XX) до короткого замыкания (КЗ) практически на постоянном уровне.

Характер изменения напряжений на конденсаторах имеет следующие особенности. При переходе в режим больших нагрузок вплоть до режима КЗ напряжения на конденсаторах С2 и С4 начинают увеличиваться, а на конденсаторах С1 и СЗ - уменьшаться.

Рис.1. Структурная схема 8-мостового инвертора

о

ÇJ Г-'

is

1» s—I

sa h

и <г s S

O Ei

к 3 s &

о ° И и <3 к

н|

О О)

f- S3 ° «

S о

8 с

S а

о ш S cf

u g

§• в

s s

в* о

p s

s-

ä1 e S Я

a Й" S S

Г fegTlM?

Это говорит о том, что выбор конденсаторов С1 и СЗ следует производить по режиму XX, а конденсаторов С2 и С4 - по режиму КЗ.

График мощности, передаваемой в нагрузку, имеет явно выраженный максимум. Максимум приходится на начало спада выходной характеристики (рис.3).

■ ч ж 1

ч \

>1

А

Ц.,(30СР)

- • - » • • Я

т*. »1» Ю* М •Р* ■Л Ц1 па г 1 |( а |«,ч »> » 1Ж1 •> 1

«в 1 1

(ЗОГ)

/

1 1,(25 V V

N V

К „о» ж, р

\ / / Г"

ш № щ <*

№ зе ж зе \*>

км «я 113 «я Л« а ж» »я «о » 1«

м« а® «г 17, «н п эш >■ ЮЭ1 77.2 м ®г па 1«

г*> 21 ч* я« X» «41 7ХЯТ вЦв юи «в и» зггз В» 1X9

Рис.3. Внешние характеристики АИТ, рас- Рис.4. Графики токов /„ и мощности считанные при е1 = 30°, е2 = 15° и совр =0 нагрузки Р„ при а = 280,290, 300 эл. град.

Модель (рис.2) позволяет реализовать режим работы с токами КЗ, равными трехкратной величине рабочего тока. Это важно при построении систем селективной аварийной защиты потребителей и самого преобразователя. Длительности переходных процессов при включении преобразователя на полное напряжение Щ возникновении и при устранении КЗ не превышали 3-5 периодов выходной частоты, равномерность загрузки инверторных и компенсирующих мостов сохраняется.

Так как многомостовые схемы преобразователей частоты компонуются из однотипных модулей, то для выяснения характера протекания аварийных режимов достаточно рассмотреть аварийные режимы в базовом модуле. Схема исходного базового модуля представлена на рис.5.

1 1-.

./VУ\_

V V V

©

и

2 ГС

ИЧ1

С2 (С1 С2

\7

\7

•Ф

С1 С2~]С1

ЬН1 II ? II ' I,

у-

V

V

\7

И

с, с, с, с, с, с,

Рис.5.Схема исходного базового модуля

Рис.6. Схема исходного модуля при возникновении КЗ на выводах нагрузки

При КЗ на выходных выводах схема модуля трансформируется в схему обычного параллельного инвертора на холостом ходу (рис.6).

Если предположить, что конденсаторы не имеют потерь, а дроссель ¿¿/ - бесконечной индуктивности, то ток 1а при КЗ в нагрузке будет опре-

г ил

деляться выражением I-"-

где R„n, Rnp, Rt.d дросселя L¿¡.

Run+Rr,p+RLd

сопротивления источника питания, проводов

Выражение для первой гармоники тока инвертора при абсолютно сглаженном токе будет иметь вид

71ссс=-—Величина напряжения я

на конденсаторах схемы определится из выражения

1 ^ т 1 гт

ТоС Я~

^uxx ^ихх

соС я

веденные выражения справедливы для автономного инвертора тока, не имеющего устройства стабилизации выходного напряжения.

Рис.7. Схема базового модуля многомостового преобразователя частоты с компенсирующим устройством выпрямительного типа

Для получения жесткой внешней характеристики в схему инвертора тока вводят дополнительные элементы, реализующие функцию переменной индуктивности.

В этом случае выражения для напряжения на выводах переменного тока тиристорного моста и фазного тока КЗ будут иметь вид

Я гг 1 Я тг 1 ^

■соС,

Зл/б d cos(arctgß) Ф*3 з4б d cos(arctgß) где С ~ C¡ + C¡, ß - угол запирания тиристоров, определяется из выраже-

ния tgß =

азС 18 cos 9

sin3 я2 -К

. Максимальное значение напряжения на тири-

сторе при этом равняется амплитудному значению напряжения на выводах

л

переменного тока тиристорного моста 11тас = — иа---.

3 соя( аг^Р)

При суммировании мощности отдельных инверторных мостов с одновременным улучшением гармонического состава выходного напряжения на одном многообмоточном трансформаторе количество взаимно компенсируемых высших гармоник также определяется количеством инвертор-

ных мостов преобразовательного комплекса. Величина фазового сдвига между мостами равна г: = л/Ъ ■ N, е =15 эл. град.

Для случая из четырех инверторных мостов получаем двадцатичеты-рехфазную схему инвертирования со следующим составом высших гармоник в кривой выходного напряжения 23,25,47,49,...

Выбирая вариант попарно-симметричного расположения векторов напряжений инверторных мостов относительно векторов напряжения нагрузки, имеем одинаковую конструкцию полуобмоток.

Величина углов сдвига между одноименными векторами напряжений инверторных мостов и нагрузки определится из выражений: для мостов, имеющих положительный сдвиг

<рт=е!2 + {тп-\)-е-, (1)

для мостов с отрицательным сдвигом

<Рт=-Е11 + {т-\)-е-, (2)

где т = 1,2,3...N/2, N - количество тиристорных мостов.

Значения напряжений на инверторных полуобмотках и VI, соединенных по схеме «зигзаг», определяются из выражений: 2 2

(3)

В третьей главе проведен сравнительный анализ схем электроснабжения многодвигательного электропривода на повышенной частоте, показано изменение удельной себестоимости 1 кВт мощности преобразователей частоты в зависимости от установленной мощности и фирмы-производителя, а также изменение удельной массы преобразователя от установленной мощности. Рассмотрены особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для локальных систем электроснабжения и произведен анализ потерь электроэнергии при построении сетей повышенной частоты систем централизованного электроснабжения.

В четвертой главе рассмотрены варианты выполнения локальных систем электроснабжения с различными автономными источниками питания. Приведены результаты разработки энергоэффективного оборудования: автономного источника электропитания для газораспределительных станций, не требующего первичного топлива и работающего на перепаде давлений на входе и выходе ГРС; автономного источника электроснабжения на базе детандер-генераторного агрегата с технологией электроподогрева газа.

Автономные источники питания (АИЭ) на базе турбодетандеров (рис.8) предназначены для использования в качестве надежных автономных источников электроснабжения линейной телемеханики и автоматики, систем связи и катодной защиты магистральных газопроводов без обслуживания, в любых климатических зонах, а также для бытового освещения

и обогрева эксплуатационных объектов, где отсутствуют стандартные источники электроэнергии.

газ,Р-0,2МПА

Рис.8. Автономный источник электропитания для ГРС: 1 - входной электромагнитный клапан; 2 - регулирующий клапан; 3 - микротурбодетандер; 4 - высокоскоростной электрогенератор, 5 - автоматическое зарядное устройство с блоком стабилизации напряжения БСН, 6-аккумуляторная батарея

Предварительная оценка электрической мощности детандер-генерирующего агрегата была произведена на основе классических положений теплового расчета турбин.

Производительность большого количества ГРС составляет 10 ООО...30 ООО м3/ч. Расчетным путем было установлено, что при этих исходных данных эффективная электрическая мощность детандер-генерирующей установки изменялась в пределах 250... 1240 кВт(Э) при собственном потреблении природного газа на обогрев (в холодное время года) 170...500 кВт(т).

В пятой главе рассматриваются вопросы технико-экономической эффективности и варианты применения локальных СЭС с когенерацион-ными агрегатами. В качестве критерия эффективности может быть выбран коэффициент удельного расхода топлива для локальной системы электроснабжения, определяемый выражением:

14;

Кэ- —

(4)

м

где АкТот . количество топлива в граммах, затраченное на выработку одного кВт-ч тепловой и электрической энергии; АУк - количество электроэнергии, выработанное к-м дизельным электроагрегатом; Wj - количество

электроэнергии, выработанное .¡-м ветроагрегатом; - количество электроэнергии, выработанное ьм солнечным агрегатом;<ЗптепЛ - количество тепла, выработанное п-м экономайзером электрогенерирующих установок.

Если известны графики изменения нагрузки каждого дизельного электроагрегата Рк0:), то числитель выражения может быть определен по

n n лт

формуле АкТот = ^ \д^7с-Рк(1) Л, где с^ - удельный расход топлива к=1 *=/ о

к-го дизельного электроагрегата, который зависит от его нагрузки Рк (1).

Расход топлива для дизельного агрегата при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной определяется по эмпирической формуле: СТопл= Стопл х.х + 0,21-Р (кг/ч), где СТоплх.х - расход топлива дизельного агрегата на холостом ходу (берется из паспортных данных агрегата); Р - суммарная электрическая мощность потребителей.

Стоимость одного кВт-ч электроэнергии для локальной системы электроснабжения в этом случае будет определяться выражением:

Сэл — (Ццен.сети +Ццв.эл) ^ ^общ ' (-0

где Ц цен.сети - плата за электроэнергию, полученную от централизованных сетей; Дали ~ плата за электроэнергию, полученную от собственной автономной электростанции; - общее количество электроэнергии, потребленной в локальной системе электроснабжения, кВт-ч.

Расчетным путем показано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини-ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 0,4 до 0,9 рублей за кВт-ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы. Срок окупаемости автономного источника не превышает 5 лет.

Заключение

1. Определены наиболее эффективные структурные схемы электрогенерирующих комплексов, выполненные с применением высокоскоростных микротурбин и электрогенераторов, силового преобразователя частоты, обладающих улучшенными технико-экономическими показателями: уменьшенным расходом первичного топлива, более высоким КПД, сниженными массогабаритными параметрами.

2. Разработана математическая модель локальной системы электроснабжения на базе электрогенерирующих комплексов с силовыми преобразователями частоты, позволяющая исследовать установившиеся, пусковые и аварийные режимы работы.

3. Получены аналитические зависимости для определения параметров многомостовых преобразователей с одним выходным многообмоточным трансформатором. Это позволяет проектировать многомостовые пре-

образовательные устройства с практически синусоидальным выходным напряжением и иметь уменьшенные массу и габариты за счет использования одного трансформатора.

4. Выявлены основные критические параметры токов и напряжений, возникающих в системе при различных видах КЗ, что позволяет на этапе проектирования предусмотреть все необходимые меры для исключения негативных последствий возникающих КЗ.

5. Выполнено технико-экономическое сравнение различных вариантов работы локальных систем электроснабжения с использованием интегральных показателей относительной экономической эффективности. Показано, что использование в таких системах мини-ТЭЦ, работающей совместно с энергосистемой для покрытия пиковых нагрузок потребления, позволяет значительно снизить затраты потребителя на электроэнергию.

6. Разработано энергоэффективное оборудование для газораспределительных станций: автономный источник электропитания малой мощности для запитки автоматики и телемеханики и автономный источник электроснабжения на базе детандер-генераторного агрегата большой мощности. Источники не требуют первичного топлива и работают на перепаде давлений газа на входе и выходе ГРС.

Основные публикации по теме диссертации Научные статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК РФ:

1. Курдя, В.В. Анализ элементной базы для построения высоковольтных источников питания с промежуточным звеном повышенной частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, В.В. Тютьманова // Вестник Саратовского государственного технического университета. - Саратов. - 2006. - № 4(19). -Выпуск 4. - С.35 - 46.

2. Курдя, В.В. Разработка энергоэффективных автономных источников электропитания для мобильных СВЧ установок / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Вестник Саратовского государственного технического университета. - Саратов. - 2007. - № 4(29). - Выпуск 2. - С.64 - 74.

Публикации в других изданиях: .

3. Курдя, В.В. Схемы электроснабжения много двигательного электропривода повышенной частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артю-хова // Проблемы электроэнергетики: межвуз.науч.сб. - Саратов: Са-рат.гос.техн.ун-т, 2006. - С. 86 - 90.

4. Курдя В.В. Автономный передвижной комплекс для МЧС на базе железнодорожного вагона / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова //

Интеллектуальный потенциал высшей школы - железнодорожному транспорту: сб. науч. тр.: в 2 т.- Саратов: Научная книга, 2006. — Т.1. — С. 148 -150.

5. Курдя, В.В. Составные многоуровневые инверторы тока на базе п- мостовых схем с бестрансформаторным суммированием выходной мощности /С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова//Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2006): материалы Между-нар. науч. - техн. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006.-С.463 - 471.

6. Курдя, В.В. Автономные источники электропитания локальных систем электроснабжения / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. - С.16 - 23.

7. Курдя, В.В. Автономный источник электропитания для газораспределительных станций / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Инновационные технологии в обучении и производстве: сб. трудов IV Всерос. науч.-практ. конф. Камышин: КТИ, 2006. - С. 128-129.

8. Логистика сотовой энергетики / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхов и др. // Логистика и экономика ресурсосбережения и энергосбережения в промышленности: сб. науч. тр. науч.-практ. конф.: в 2 т. -Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. - Т.1. - С.29 - 32.

9. Курдя, В.В. Система централизованного электроснабжения на повышенной частоте цеха внутришлифовальных станков, как элемент структуры «сотовой энергетики» / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, A.A. Трим-бач // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: труды II Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 ч. - Тольятти: ТГУ, 2007. - 4.1. - С. 190 - 193.

10. Автоматизированная база данных однолинейных схем электроснабжения и электрооборудования промышленных предприятий / И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, В.В. Курдя и др. // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: труды II Всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием: в 2 ч. - Тольятти: ТГУ, 2007.- Ч. 1.-С. 3-5.

11. Курдя, В.В. Многомостовые инверторы тока и напряжения с суммированием выходной мощности на одном трансформаторе / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр.- Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2007,- С.31- 36.

12. Курдя, В.В. Особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для систем сотовой энергетики промышленных предприятий / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр.- Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2007. - С. 75 - 81.

13. Выбор схемы управления электродвигателями вентиляторов в системе стабилизации температуры компримированного газа i И.И. Артю-

хов, И.И. Аршакян, A.A. Тримбач, В.В. Курдя Н Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр.- Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2007. - С. 49 - 61.

14. Курдя, В.В. Автономный источник электроснабжения на базе детандер-генераторного агрегата / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхо-ва // Методы и средства управления технологическими процессами: материалы IV Междунар. конф. - Саранск: МГУ им. Н.П. Огарева, 2007. - С. 231-233.

15. Курдя, В.В. Энергоэффективная технология редуцирования газа на газораспределительных станциях на основе применения детандер-генераторных агрегатов с силовыми преобразователями частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Тинчуринские чтения: материалы IV Междунар. конф. - Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2007. - С. 145-146.

16. Курдя, В.В. Анализ потерь электроэнергии при построении повышенной частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Молодые ученые - науке и производству: материалы конф. молодых ученых. - Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2007. — С. 116—117.

17. Курдя, В.В. Автономный источник электропитания на базе мик-ротурбодетандерной установки для газораспределительных станций / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Энергосбережение в Саратовской области. - 2007. - № 4(30). - С.29.

18. Курдя, В.В. Исследование аварийных режимов работы составных многомостовых инверторов тока с бестрансформаторным суммированием выходной мощности / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Эффективность и надежность электроснабжения промышленных предприятий: сб. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф. - Мариуполь: Приазов. гос.техн.ун-т, 2008. - С. 164 - 167.

19. Курдя В.В. Модель многомостового преобразователя частоты для исследования аварийных режимов работы / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. - Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008.-С. 65-75.

20. Курдя В.В. Экономические аспекты применения мини-ТЭЦ в локальных системах электроснабжения / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. — Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008.-С.137- 145.

21. Курдя В.В. Модель многомостового преобразователя частоты с бестрансформаторным суммированием мощности и системой обратной связи // Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008): материалы Междунар. науч. - техн. конф. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2008.-С.440-442.

КУРДЯ Василина Васильевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ ЛОКАЛЬНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЗА СЧЕТ ПРИМЕНЕНИЯ МНОГОМОСТОВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Автореферат

Корректор О.А.Панина

Подписано в печать 19.11.08 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 324 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Отпечатано в РИЦ СГТУ, 410054 г. Саратов, ул. Политехническая, 77

Введение.

ГЛАВА 1. Основные сведения и классификация электрогенерирующего оборудования локальных и автономных транспортных систем электроснабжения при наличии звена с нестандартной частотой генерируемого напряжения.

1.1. Локальные системы электроснабжения состояние и перспективы.

1.2. Краткая характеристика современного состояния отечественного оборудования ЛСЭ и перспективы его дальнейшего развития.

1.2.1. Первичные двигатели ЛСЭ.

1.2.2. Электрогенерирующее оборудование ЛСЭ.

1.2.3 Анализ элементной базы для построения источников питания с промежуточным звеном повышенной частоты.

1.2.5 Преобразователи частоты для ЛСЭ.

1.3. Структурные схемы электрогенерирующих комплексов со сниженным расходом первичного топлива для ЛСЭ.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2. Составные многоуровневые инверторы тока на базе N- мостовых схем с бестрансформаторным суммированием выходной мощности для ЛСЭ.

2Л Вывод основных аналитических соотношений для режима короткого замыкания в базовом модуле многомостового преобразователя частоты.

2.2. Аварийные режимы в многоуровневых автономных инверторах тока с конденсаторным суммированием мощности.

2.3. Модель многомостового преобразователя частоты с одним суммирующим трансформатором для исследования аварийных режимов работы

ГЛАВА 3. Схемы электроснабжения многодвигательного электропривода повышенной частоты.

3.1. Особенности выбора силовых полупроводниковых преобразователей для систем «сотовой энергетики» промышленных предприятий.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. Варианты выполнения локальных СЭС.

4.1. Автономный источник электропитания для газораспределительных станций.

4.2. Автономный передвижной комплекс «АЛЬФА» на базе железнодорожного вагона для МЧС.

4.3. Автономный источник электроснабжения на базе детандергенераторного агрегата.

ГЛАВА 5. Технико-экономическая эффективность применения локальных систем электроснабжения.

5.1 Концепция «сотовой энергетики» применительно к локальным системам электроснабжения.

5.2. Логистика сотовой энергетики.

5.3. Технико-экономическая эффективность применения локальных СЭС.

Выводы по главе 5.

Наличие энергии - является одним из необходимых условий существования любого современного государства. Никакая деятельность невозможна без использования энергии. Наличие энергии — одно из необходимых условий для решения практически любой задачи. Работа промышленности, сельского хозяйства, транспорта, обеспечение комфорта в домах и безопасное функционирование социальной сферы государства и общества в целом - все это требует больших затрат энергии.

Производство электроэнергии, ее доставка потребителям в нужное место, в нужное время и в нужном количестве является сложной технической проблемой. В решение этой проблемы существует два направления. Первое, через создание мощных и сверхмощных предприятий по выработке электроэнергии, объединенных единой системой линий электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, к которым присоединяются распределительные сети отдельных территорий и потребителей. Это концепция создания единой энергосистемы страны. Предполагалось, что такой подход позволит наилучшим образом обеспечить электроснабжение страны и иметь возможность эффективно управлять этим процессом. По мере строительства и развития единой энергосистемы страны стали все в большей степени видны недостатки и ограниченность такого подхода.

Второе направление - это создание локальных систем электроснабжения. Исторически развитие систем электроснабжения началось с локальных систем электроснабжения по причине малого количества электростанций в то время и отсутствия технической возможности передачи электроэнергии на большие расстояния.

Формирование современного понимания проблем электроснабжения основывается на том постулате, что эффективная система электроснабжения должна строиться на разумном сочетании систем централизованного и локального электроснабжения. Это позволит объединить достоинства и максимально снизить недостатки обоих подходов в решении проблем электроснабжения, как отдельных потребителей, так и страны в целом.

Создание объектов большой энергетики длиться десятки лет, требует огромных финансовых вложений, с ростом мощности отдельных агрегатов теряется их маневренность, при работе на неноминальных режимах ухудшается их экономичность, пуск и останов этих агрегатов в работу требует большого времени, выход из работы по причине аварии или террористического акта приводит к отключению значительного количества потребителей. Они чрезвычайно уязвимы при ведении военных действий. Строительство этих объектов приводит к большим экологическим проблемам в регионе строительства. Кроме того, значительная по протяженности и площади территория страны со сложными климатическими и географическими условиями не позволяет решить проблему строительства централизованных линий электропередач на всей территории страны по техническим и экономическим причинам.

События последних десятилетий показали! существенную неустойчивость в обеспечении электроэнергией и теплом потребителей различных категорий от централизованных энергетических систем.

Все эти проблемы существенным образом влияют на энергобезопасность отдельных объектов и страны в целом. Опасность потери энергоснабжения вследствие указанных выше причин весьма значительна. Устранить ее средствами централизованного энергоснабжения по тем же причинам затруднительно. Однако задача повышения энергобезопасности ответственных объектов может быть решена средствами «малой энергетики».

Наряду с термином «малая энергетика» в научной литературе применяются понятия «локальная энергетика», «распределенная энергетика», «автономная энергетика», «распределенная генерация энергии (РГЭ)» и «сотовая энергетика».

Переход в стране к рыночным отношениям, формирование частной собственности на средства производства, развитие конкуренции, сложность присоединения к централизованным сетям заставляют многих предпринимателей рассматривать вопрос о строительстве собственной мини-ТЭЦ для комплексного решения проблем обеспечения своих предприятий тепловой и электрической энергией. Так в некоторых городах и областях только за выдачу разрешения на присоединение требуется заплатить более 40000 руб. за каждый киловатт расчетной мощности объекта, что значительно превышает стоимость киловатта установленной мощности вновь вводимой автономной электростанции.

Таким образом, у нас в стране (а также за рубежом) наметилась тенденция к созданию и развитию децентрализованных систем электроснабжения. Под локальными системами электроснабжения в настоящее время понимаются изолированные системы электроснабжения отдельных предприятий или населенных пунктов, содержащие автономные электростанции (АЭ) комбинированного типа и распределительные электрические и ограниченной протяженности. Потребляемая мощность в таких системах не превышает 1-2 МВт, реже 5-10 МВт. Причем локальные системы в большинстве случаев являются полностью автономными не имеющими связи с централизованными сетями. В отдельных случаях локальные системы имеют линии связи с централизованными сетями и могут работать как в автономном режиме, так и совместно с энергосистемой. При этом возникает ряд специфических вопросов совместной работы локальной системы с централизованной сетью.

В настоящее время в России по оценкам целого ряда организаций, занимающихся проблемами электрификации, от 50 до 60% территорий страны с населением более 20 млн. человек так и остаются неохваченными централизованными электросетями.

Электрификация этих районов осуществляется только в рамках «малой энергетики», основу которой составляют локальные системы электроснабжения с автономными электростанциями малой и средней мощности, так называемыми электростанциями собственных нужд (ЭСН).

Несмотря на относительно скромную долю малой энергетики в общем энергобалансе страны по сравнению с большой энергетикой, которой уделяется основное внимание нашей науки и промышленности, значимость малой энергетики в жизни страны трудно переоценить.

И если в настоящее время мы наблюдаем слабые темпы развития централизованных систем электроснабжения, то идущий параллельно с ним процесс перевода большого количества объектов на автономное электроснабжение резко набирает темпы развития.

Необходимость и целесообразность развития локальных систем электроснабжения обусловлена следующими факторами: снижаются потери электроэнергии в распределительных сетях, затраты на производство электроэнергии получаются более низкими, появляется возможность формировать наиболее приемлемый график потребления электроэнергии в соответствии со своим технологическим процессом при параллельной работе с централизованной сетью. При этом капитальные удельные затраты на единицу вводимой мощности и сроки окупаемости вложений значительно ниже аналогичных показателей при введении мощностей в большой энергетике.

Говоря о производстве электроэнергии, следует отметить, что она представляет собой специфический вид продукции, который должен быть потреблен в тот же момент, что и произведен. Ее нельзя отправить на склад, как уголь, нефть или любой другой продукт или товар, поскольку проблема аккумулирования электроэнергии в больших количествах пока не решена.

С момента начала практического использования электроэнергии потребность в этом виде энергии постоянно возрастала. Это требовало постоянного внимания к проблеме повышения эффективности процессов генерирования и передачи электроэнергии на большие расстояния. Без проведения научных исследований и разработки новых более эффективных электрогене-рирующих и преобразующих систем решить возникающие задачи было невозможно. Постоянное появление новых материалов, агрегатов и различной электротехнической элементной базы с более высокими параметрами, чем у их предшественников позволяет значительно улучшать техникоэксплуатационные характеристики систем электроснабжения и преобразования электроэнергии, а также ее распределения и доставки потребителям.

Энергетика, являясь своеобразной окружающей средой, очень быстро аккумулирует, ассимилирует и вбирает в себя самые новейшие идеи, изобретения, достижения науки и передовой техники. Это и понятно: энергетика связана буквально со всеми сторонами жизнедеятельности человека, все тянется к энергетике и зависит от нее.

Развитие на современном этапе электрогенерирующих систем (включая стационарные большой мощности — системообразующие, передвижные - аварийные, резервные и системы электроснабжения движущихся объектов {наземного, морского и воздушного базирования)) в соответствии с мировыми тенденциями характеризуется все более широким применением силовой преобразовательной техники, средств вычислительной техники и микроэлектроники.

При этом в широких масштабах используются как универсальные средства силовой преобразовательной техники и микроэлектроники, так и специализированные системы и устройства, разработанные во многих случаях специально для конкретных электроэнергетических систем.

Все источники электропитания можно разделить на две группы: на источники первичного электропитания — устройства, преобразующие какой-либо вид неэлектрической энергии (химической, механической, тепловой, световой, энергии ядерного распада и др.) в электрическую энергию с гости-рованными параметрами по частоте и величине генерируемого напряжения (источники первичного напряжения) и источники, так называемого, вторичного электропитания (ИВЭП), предназначенные для преобразования первичного напряжения в постоянное или переменное с параметрами отличными от параметров систем электроснабжения общего пользования. Это, как правило, напряжения необходимые для функционирования конкретных электронных приборов и различных электротехнических комплексов и систем у потребителей.

Основной особенностью автономных электростанций локальных систем электроснабжения является соизмеримость мощности источников и потребителей электроэнергии, значительно более короткие кабельные линии и, следовательно, большая взаимосвязь всех элементов электрической системы. Включение одного мощного потребителя в такой системе может привести к сбою в работе всех потребителей. Например, при пуске мощного асинхронного двигателя (АД) напряжение и частота в системе электроснабжения заметно могут изменяться, что в свою очередь отражается на характере работы всех остальных потребителей.

Эффективность работы локальных систем электроснабжения определяется используемым оборудованием и режимами его работы. Так как важнейшим элементом локальных систем электроснабжения являются автономные электростанции, то их технические параметры во многом определяют эффективность работы всей локальной системы электроснабжения.

Электротехнические параметры существующих автономных источников электроснабжения (АИЭ), выполненных на базе различных первичных двигателей: дизель-генераторов, газовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинных двигателей и некоторых других типов нетрадиционных источников энергии, в большинстве случаев при работе в качестве основного источника электроснабжения не позволяют генерировать электроэнергию с параметрами, удовлетворяющими требованиям современных стандартов.

Необходимость изменения в способах генерации, распределения и доставки электроэнергии потребителям зрела на протяжении всей второй половины 20 века. Это во многом было связано с постоянным повышением требований к качеству генерируемого напряжения. Кроме того, появление большого числа новых видов электропотребляющего оборудования с микропроцессорными блоками и информационными системами, интегрированными в мировую информационную сеть, потребовало разработки АСЭ, которые по техническим требованиям не должны допускать перерывов в электроснабжении.

Повышение требований к качеству генерируемой электроэнергии непосредственно повлияло на конструктивные и схемные особенности, массу и стоимость источников и преобразователей электроэнергии.

В последнее время получили развитие новые принципы построения электрогенерирующих систем для локальных и автономных систем электроснабжения.

Новые энергоустановки существенно выгоднее по ряду параметров ранее применявшихся. Однако, электрогенерирующие системы и системы преобразования электроэнергии одного и того же назначения, но разного принципа реализации могут в несколько раз отличаться по своим характеристикам: стоимости, КПД, расходу меди и т. п.

Основным направлением в создании нового поколения электрогенери-рующего оборудования малой и средней мощности является повышение рабочей частоты вращения первичного двигателя и генератора.

Это позволяет резко сократить материалоемкость оборудования, улучшить массогабаритные показатели, повысить КПД, а также позволяет реализовать безредукторную схему соединения первичного двигателя с генератором. При этом параметры генерируемой электроэнергии, как правило, будут отличаться от стандартных. Для преобразования параметров генерируемой электроэнергии в стандартные: по частоте и величине напряжения, необходимо в структуру автономной электростанции ввести преобразователь частоты, который будет отвечать за величину и стабильность частоты генерируемого напряжения. Кроме того, преобразователь частоты имеет возможность участвовать в стабилизации величины выходного напряжения. Наличие преобразователя частоты позволяет системе работать в режиме «переменная скорость вращения — постоянная частота выходного напряжения, что очень важно для оптимизации работы первичного двигателя при переменном графике нагрузки потребления электроэнергии.

В настоящее время имеются определенные успехи в разработке теоретических и практических вопросов создания основных агрегатов локальных систем электроснабжения: высокоэффективных мини-турбин, высокоскоростных синхронных и асинхронных электрогенераторов, полупроводниковых преобразователей на базе силовых интегральных схем, микропроцессорных устройств контроля, управления и релейной защиты.

Не смотря на быстрое развитие данного направления, остаются неисследованными вопросы совместной работы первичного двигателя, преобразователя частоты и распределенной нагрузки в установившихся, переходных и особенно аварийных режимах работы. В первую очередь это относится к автономным системам генерирования электроэнергии, содержащих высокоскоростную двигательно-генераторную часть со свободно меняющейся частотой вращения первичного двигателя и силовой многомостовой преобразователь частоты, с многоуровневой компенсацией высших гармоник в кривой выходного напряжения. Отсутствуют исследования новых схемных решений многомостовых преобразователей частоты на основе инверторов тока и инверторов напряжения, недостаточно изучены вопросы аварийных режимов работы и электромагнитной совместимости разработанных электротехнических комплексов с питающей сетью.

Принимая во внимание вышеизложенное, можно констатировать, что совершенствование существующих и разработка новых высокоэффективных, надёжных, полностью автоматизированных, с минимальными массогабарит-ными параметрами электрогенерирующих агрегатов для локальных систем электроснабжения, с широким использованием современной силовой преобразовательной техники, микропроцессорных систем управления и защиты является актуальной задачей.

Выводы по главе 5.

1. Применение энергетической логистики не ограничивается возможностью управления микроэнергосистемами отдельных сотовых элементов;

2. Эффективное управление сотовой энергетикой приведет к повышению эффективности управления всей энергетикой страны;

3. Создание сотовой энергетики позволит обеспечить оптимальные условия функционирования всех элементов сот;

4. Системы электроснабжения имеют существенные отличия от традиционных логистических систем;

5. Правильный учет особенностей энергетической логистики позволит создать оптимальную модель управления сотовой энергетикой;

6. Концепция сотовой энергетики имеет одну основу с концепцией логистического управления системами энергоснабжения.

7. Эффективность использования автономного источника электроснабжения зависит от многих факторов, но, прежде всего, определяется потребностью как электрической, так и тепловой энергии.

8. Выбор источника АИ делается на основе наличия в данном регионе первичных ресурсов, расстояния до централизованныхэлектросетей и многих других факторов.

9. Расчетным путем доказано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 40 до 90 копеек за кВт-ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы.

10. Срок окупаемости АИ не превышает 6 лет, что на сегодняшний день является приемлемым для инвестиционных проектов.

11. Расчетным путем доказано, что при использовании на предприятии АИ, работающей совместно с энергосистемой для покрытия пиковых нагрузок потребления позволяет также значительно снизить затраты потребителя на электроэнергию.

Заключение

В представленной диссертационной работе решены сформулированные задачи и достигнута поставленная цель, при этом получены следующие результаты:

1. На основе проведенного анализа существующих электрогенерирую-щих комплексов локальных систем электроснабжения определены наиболее эффективные структурные схемы электрогенерирующих комплексов с улучшенными технико-экономическими показателями: уменьшенным расходом первичного топлива, более высоким КПД, сниженными массогабаритными параметрами.

Существующий уровень значения к.п.д. эксплуатируемых АИЭ малой мощности, выполненных по традиционной схеме дизельный двигатель-синхронный генератор, с учетом их конструктивного совершенствования достигает 0,35-0,38, а удельная масса — 15-20 кг/кВт.

Использование АИЭ с бесконтактными генераторами позволит повысить к.п.д. АИЭ до 0,41-0,45.

Основой реализации новых поколений АСЭ является использование перспективных высокоскоростных первичных приводных двигателей, бесконтактных генераторов переменного тока, полупроводниковых преобразователей на базе силовых унифицированных интегральных схем, цифровых систем управления, контроля и защиты.

В этом случае к.п.д. при выработке электроэнергии может достигать 0,50-0,60, а удельная масса - 4-7 кг/кВт.

Модульный принцип построения позволит значительно повысить эксплуатационно-технические показатели АСЭ.

Построение вторичных источников питания на основе современной элементной базы по схеме с промежуточным звеном повышенной частоты позволяет получить снижение массы источников питания в 5 — 10 раз.

2. Сформулирована концепция «сотовой энергетики», позволяющая создавать наиболее эффективные структуры электроснабжения потребителей в виде локальных систем электроснабжения в условиях частичного отхода от централизованного электроснабжения.

Создание сотовых структур позволяет обеспечить оптимальные условия для совместной работы как крупных системообразующих энергетических комплексов, так и вновь появляющихся средних и малых электрогенери-рующих предприятий с полностью частным капиталом.

Концепция сотовой энергетики хорошо сочетается с концепцией логистического управления системами энергоснабжения.

3. Разработаны математические модели многомостовых преобразователей частоты, позволяющие исследовать установившиеся, пусковые и аварийные режимы работы.

4. На основе метода основной гармоники выведены основные аналитические зависимости для определения параметров многомостовых преобразователей.

5. Проведено исследование на математической модели аварийных режимов в системе « преобразователь частоты - групповая двигательная нагрузка», выявлены основные критические параметры токов и напряжений возникающие в системе при различных видах КЗ, что позволяет на этапе проектирования предусмотреть все необходимые меры для исключения негативных последствий возникающих КЗ.

6. Проанализирована локальная система электроснабжения цеха машиностроительного завода на повышенной частоте с точки зрения использования индивидуальных или групповых преобразователей частоты. Проведенный анализ позволяет правильно с экономической и технической точек зрения выбрать вариант системы электроснабжения.

7. Выполнено технико-экономическое сравнение различных вариантов работы локальных систем электроснабжения, как в автономном режиме, так и при совместной работе с энергосистемой.

Расчетным путем доказано, что себестоимость электроэнергии от собственной мини ТЭЦ (при существующих ценах на газ) колеблется в пределах от 40 до 90 копеек за кВт ч, что значительно ниже себестоимости электроэнергии от энергосистемы.

Срок окупаемости АИ не превышает 6 лет, что на сегодняшний день является приемлемым для инвестиционных проектов.

8. Разработан автономный источник электроснабжения для газораспределительной станции на основе высокоскоростных микротдетандера и асинхронного генератора.

1. Адамия, Г.Г. Принципы построения систем, содержащих параллельно работающие автономные инверторы / Г.Г. Адамия, В.А. Чванов // Материалы семинара по кибернетике. Часть 1. Динамика систем управления — Кишинев: Изд-во "Штиинца", 1975.-С.22-25.

2. Автономные инверторы: Сб. ст. / Под ред. Г. В. Чалого. Кишинев: Штиинца, 1974. - 336 с.

3. Антропов П.Г. Системная эффективность промышленных блок-ТЭЦ в современных условиях/ П.Г. Антропов // Совершенствование энергетических систем и комплексов: сб. науч. тр. — Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2000.-С. 78 -82.

4. Артюхов, И.И. Автономные инверторы тока в системах электропитания / И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин, В.А. Серветник. Саратов: Сарат. политехи. ин-т, 1992. - 152 с.

5. Артюхов, И.И. Основы выпрямительной техники: учеб.пособие / И.И.Артюхов, М.А. Фурсаев. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т,2005. — 112 с.

6. Артюхов, И.И. Тиристорные источники для группового электропривода и их проектирование с применением ЭВМ: учеб. пособие / И.И. Артюхов, Н.П. Митяшин. Саратов: Сарат. политехи, инт, 1990. — 68 с.

7. Артюхов И.И. Повышение эффективности систем автономного электроснабжения на объектах нефтегазовой промышленности / И.И.Артюхов, А.В.Коротков // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: СГТУ, 2006. С.4 16.

8. Артюхов, И.И. Автономная система электроснабжения с перестраиваемой структурой / И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, А.В. Короткое, Н.В. Погодин // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. Саратов: Са-рат.гос.техн.ун-т, 2004. - С. 9-14.

9. Аршакян, И.И. Повышение эффективности работы установок охлаждения газа / И.И. Аршакян, А. А. Тримбач // Газовая промышленность. — 2006.- №12.-С. 52-55.

10. Аршакян, И.И. Динамические режимы в системах электроснабжения установок охлаждения газа / И.И. Аршакян, И.И. Артюхов. Саратов: СГТУ, 2004. 120 с.

11. Бедфорд, Б. Теория автономных инверторов / Б. Бедфорд, Р. Хофт // Пер. с англ. М.: Энергия, 1969.- 280 с.

12. Гельман, М.В. Электроэнергия из газовой трубы / М.В. Гельман // Промышленные ведомости. 2003. -№8. - С.15-18.

13. Герман-Галкин, С.Г. Силовая электроника: Лабораторные работы на ПК / С.Г. Герман-Галкин. Спб.: Учитель и ученик, КОРОНА принт, 2002.-304 с.

14. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.

15. ГОСТ 20.39.312-85. Изделия электротехнические. Требования по надежности.

16. Гуревич, Ю.Е. Проблемы обеспечения надежного электроснабжения потребителей от газотурбинных электростанций небольшой мощности / Ю.Е. Гуревич, Л.Г. Мамикоянц, Ю.Г. Шакарян // Электричество. — 2002. № 2.- С. 2-9.

17. Гуров, А.А. Расчет энергетических показателей источников питания для систем автономного электроснабжения / А.А. Гуров, И.А. Каримский // Электротехника. 2002. - № 11. С. 14 - 18.

18. Диоды и тиристоры в преобразовательных установках / М.И.Абрамович и др.. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 432с.

19. Влияние на питающую сеть группы частотно-регулируемых электроприводов /И.И. Артюхов, М.В. Жабский, И.И. Аршакян, А.А. Тримбач // Электрика. 2006. - № 1. - С. 7 - 10.

20. Зиновьев, Г.С. Основы силовой электроники / Г.С. Зиновьев. Новосибирск: Изд во Новосиб. ун-та, 2003. — 664 с.

21. Кантер, И.И. Исследование установившихся и переходных режимов вентильных преобразователей частоты / И.И. Кантер, Ю.М. Голембиовский // Электротехника. 1974. №8. - С.26 - 30.

22. Кантер, И.И. Статические преобразователи частоты / И.И. Кантер. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1966. - 406 с.

23. Кантер, И.И. Система централизованного электроснабжения на базе параллельно работающих преобразователей частоты / И.И. Кантер, Ю.Б. Томашевский, Ю.Б. Голембиовский // Электричество. 1991 — № 1.-С.39 -47.

24. Кантер, И.И. Теория работы многофазных несамоуправляемых инверторов с конденсаторной коммутацией / И.И. Кантер // Электричество. — 1951.-№3.- С.26-30.

25. Категорийность электроприемников промышленных объектов ОАО «Газпром»: Ведомственный руководящий документ ВРД 39-1.27-0722003. М.: ВНИИгаз, 2003. 22 с.

26. Кузнецов, А.В. Повышение эффективности управления режимами потребления электрической энергии / А.В. Кузнецов, JI.T. Магазинник. М.: Энергоатомиздат, 2006. — 103 с.

27. Кошелев, А.Б. Что препятствует использованию в России возобновляемых природных ресурсов / А. Б. Кошелев // Электроинфо. — 2007. -№3(3).-С. 12-17.

28. Курдя, В.В. Автономные источники электропитания локальных систем электроснабжения / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. - С. 16 - 23.

29. Курдя, В.В. Модель многомостового преобразователя частоты для исследования аварийных режимов работы / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. — Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008.-С. 65-75.

30. Курдя, В.В. Схемы электроснабжения многодвигательного электропривода повышенной частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Проблемы электроэнергетики: межвуз.науч.сб. — Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2006. С. 86 — 90.

31. Курдя, В.В. Анализ потерь электроэнергии при построении повышенной частоты / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Молодые ученые науке и производству: Материалы конференции молодых ученых (15 мая 2007 г.). — Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2007. С. 116—117.

32. Курдя, В.В. Автономный источник электропитания на базе микро-турбодетандерной установки для газораспределительных станций / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя, И.И. Артюхова // Энергосбережение в Саратовской области. 2007. - № 4(30). - С.29.

33. Курдя, В.В. Экономические аспекты применения мини-ТЭЦ в локальных системах электроснабжения / С.Ф. Степанов, В.В. Курдя // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2008. -С.137 — 145.

34. Ковальчук В.В. Анализ влияния различных факторов на электрическую выработку ТЭЦ / В.В. Ковальчук, С.В. Бейден // Новости теплоснабжения. 2004. - №11. — http:/Av\v\v.ntsii.ru

35. Лазарев, Г.Н. Высоковольтные преобразователи для частотно-регулируемого электропривода. Построение различных систем / Г.Н. Лазарев // Новости электротехники. 2007. - №5(47). — С. 34 - 50.

36. Ларин, Е.А. Энергетический комплекс газоперерабатывающих предприятий. Системный анализ, моделирование, нормирование / Е.А. Ларин, И.В. Долотовский, Н.В. Долотовская. М.: Энергоатомиздат, 2008. —440с.

37. Левин, А.В. Автономные системы электроснабжения / А.В. Левин, Н.Н. Лаптев // Энергетика. 2003. - № 1(9). - С. 12 -14.

38. Львов, А.П. Электрические сети повышенной частоты /

39. A.П. Львов-М.: Энергоатомиздат, 1981. 104 с.

40. Матвеев, В.В. Логистическое управление системами энергоснабжения // В.В. Матвеев / «Российский союз-Россия-Калинград». 2005. - Выпуск 3.-С. 45-53.

41. Мисриханов, М. Электропередачи постоянного тока — новая реальность современных энергосистем / М. Мисриханов, В. Рябченко // Элек-троинфо. 2007. - №9(47). - С. 70 - 75.

42. Митяшин, Н.П. Гибкие преобразовательные комплексы / Н.П. Митяшин, Ю.Б. Томашевский. Саратов: Сарат. гос. техн.ун-т, 2002. — 128 с.

43. Митяшин, Н.П. Вопросы теории многомостовых преобразователей с конденсаторными расщипителями / Н.П. Митяшин, С.Ф. Степанов // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: межвуз. научн. сб. Саратов: СПИ, 1987. - С. 20 - 25.

44. Мосткова, Г.П. Мощный автономный инвертор с параллельно-последовательными конденсаторами / Г.П. Мосткова, Ф.И. Ковалев // Преобразовательные устройства в электроэнергетике: сб. АНСССР. М.: Наука, 1964.-С. 61-74.

45. Михайлов, А. Малая энергетика / А.Михайлов, А. Агафонов,

46. B. Сайданов // Новости электротехники. — 2005. № 5(35). - С.21 - 27.

47. Непомнящий, Е.Г. Инвестиционное проектирование: учеб. пособие / Е.Г. Непомнящий. Таганрог: Изд-во ТРТУ, 2003. — 435 с.

48. Петрущенков В.А. К определению технико-экономических показателей мипи-ТЭЦ / В.А. Петрущенков, В.В. Васькин // Новости теплоснабжения. 2004. - №06. - littp:/Avvvw.ntsn.i~u

49. Полищук, А.А. Выбор ключевых транзисторов для преобразователей с жестким переключением / А.А. Полищук // Современная электроника. -2004. -№ 1.-С.5-8.

50. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. — СПб.: Издательство ДЕАН, 2003. 928 с.

51. Преобразователи частоты на тиристорах для управления высокоскоростными двигателями / А.С. Сандлер, Г.К. Авакумова, А.В.Кудрявцев и др.. М.: Энергия, 1970. - 80 с.

52. Розанов, Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники / Ю.К. Розанов. -М.: Энергия, 1979. 392 с.

53. Розанов, Ю.К. Параллельная работа преобразователей постоянного тока / Ю.К. Розанов // Электротехника. 1982. - №4. - С.37-39.

54. Розанов, Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты / Ю.К. Розанов. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 184 с.

55. Руденко, B.C. Основы преобразовательной техники / B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. М.: Высшая школа, 1980. - 424 с.

56. Сверхбыстроходный генератор-двигатель для газовых микротурбин / Я.Б. Данилевич, А.В. Иванова, И.Ю. Кручинина, Ю.Ф. Хозиков // Электротехника. 2004. - №54. - С. 25 - 29.

57. Сенько, В.И. Преобразователи частоты: учеб. пособие / В.И. Сенько. -Киев: КПИ, 1984. 100 с.

58. Сергеев, В.И. Логистика в бизнесе: учебник / В.И. Сергеев. — М.: ИНФРА-М, 2001. 606 с.

59. Сидорин, А.Е. Алгоритм распределения нагрузки обмоток входного трансформатора высоковольтного многоуровнего преобразователя частоты / А.Е. Сидорин, Я.Н. Родин // Электротехнические комплексы и системы управления. — 2007. — №1. С. 63-65.

60. Силовая электроника: Примеры и расчеты / Ф. Чаки, И. Герман, И. Ипшич и др. М.: Энергоатомиздат, 1982. - 384 с.

61. Современные энергосберегающие электротехнологии: учеб. пособие для вузов / Ю.И. Блинов, А.С. Васильев, А.Н. Никаноров и др. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2000. - 564 с.

62. Сотовая энергетика: конспект лекций / Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков // Под общ. Ред. Н.И. Данилова. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2006. 32 с.

63. Стаскевич, Н. Л. Справочник по газоснабжению и использовнию газа / Н. Л. Стаскевич. Ленинград: Изд - во нефтяной и газовой промышленности, 1990. - 560 с.

64. Статические преобразователи частоты в электроприводах переменного тока // Под общ. Ред. П.А. Ровенского, Б.А. Тикана. Л.: Изд-во «Наука», 1968.-230 с.

65. Стародубцев, Ю.Н. Трансформаторы напряжения на кольцевых магнитопроводах ГАММАМЕТ 411 / Ю.Н.Стародубцев // Электричество. -№ 10. — 1995. С.63 - 67.

66. Степанов, С.Ф. Сотовая энергетика как стратегическая инновация / С.Ф. Степанов, И.И. Артюхов // Электротехнологические комплексы и силовая электроника. Анализ, синтез и управление: межвуз. науч. сб. Саратов: 2005.-С. 99-102.

67. Степанов, С.Ф. Составные многоуровневые инверторы тока на базе N-мостовой схемы с расщепленной конденсаторной батареей / С.Ф. Степанов // Проблемы энергетики: межвуз. науч. сб. — Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2005.-С. 107-111.

68. Степанов, С.Ф. Переходные процессы в системах электроснабжения с мощными тиристорными преобразователями / С.Ф. Степанов // Вопросы преобразовательной техники и частотного электропривода: межвуз. науч. сб.-Саратов: 1981.-С. 46-57.

69. Степанов, С.Ф. Реконструкция сельских систем электроснабжения на основе технологии распределённого производства электроэнергии / С.Ф. Степанов // Вестник СГАУ. 2005.- №5. - С.48-53.

70. Степанов, С.Ф. Компенсация высших гармоник в преобразовательных комплексах с суммированием выходной мощности на одном многообмоточном трансформаторе / С.Ф. Степанов // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. -2005.- №5-6.-С.16 -20.

71. Справочник по проектированию электрических сетей // Под ред. Д.Л. Файбисовича. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006. - 352 с.

72. Тиристоры: справочник / О.П. Григорьев, В.Я. Замятин, Б.В. Кондратьев, C.JI. Пожидаев. М.: Радио и связь, 1990. - 270 с.

73. Тенденции развития централизованной и распределенной энергетики / Н.И. Воропай и др. // Энергия: экономика, техника, экология. — 2005.7. С. 2-11.

74. Черных, И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений / И.В. Черных // Под общ. ред. В.Г. Потемкина. М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003.- 496 с.

75. Хлебалин, Ю.М. Методика расчета тарифов на продукцию ТЭЦ / Ю.М. Хлебалин // Электро- и теплотехнологические процессы и установки: межвуз. науч. сб. Саратов: Сарат.гос.техн.ун-т, 2003. 308 - 312 с.

76. Makram, Elham В. Effect of Harmonic Distortion in Reactive Power Measurment / Elham B. Makram, Regan B. Haines, Adly A. Girgis // IEEE Transactions on Industry Applications. 1992. - Vol. 28, No. 4. - P. 782-787.

77. Ekanayake, J. B. Induction Generators for Small Hydro Schemes / J.B. Ekanayake // Power eng. journal, April 2002, P. 61-67.