автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Учет несинусоидальности напряжения при исследовании устойчивости узлов систем электроснабжения с асинхронной нагрузкой

На правах рукописи

005535113

ПЛАНКОВ Александр Анатольевич

УЧЕТ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

17 ОКТ 2013

005535113

На правах рукописи

ПЛАНКОВ Александр Анатольевич

УЧЕТ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

ОСИПОВ Дмитрий Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор кафедры

«Энергетика» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижневартовский государственный университет»

СУШКОВ Валерий Валентинович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автоматизация производственных процессов и электротехника» (АПП и Э) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» ЩЕРБАКОВ Виталий Сергеевич

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образо-

вательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»

Защита диссертации состоится 25 октября 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.178.12 при Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, корп. 6, ауд. 340. Тел./факс: 8 (3812) 65-64-92, e-mail: dissov_omgtu@omgtu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Автореферат разослан 2Ь сентября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 644050, г. Омск, проспект Мира, 11, ученому секретарю диссертационного совета Д212.178.12.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д212.178.12 ,, х

канд. техн. наук, доцент /<А/ АС °сипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Система электроснабжения (СЭС) может быть подвержена авариям, обусловленным нарушением режима работы как самой системы, так и отдельных её элементов. Часто последствием аварийных переходных режимов становится нарушение устойчивости узлов нагрузок СЭС, что является одним из тяжелейших видов развития аварии, который может повлечь как большой экономический ущерб, так и человеческие жертвы. Данная проблема является особенно актуальной для потребителей I и II категории надежности.

Причиной снижения качества электрической энергии на крупных промышленных предприятиях является наличие в узлах нагрузок электроприемников с нелинейными вольт-амперньши характеристиками, например, тиристорных преобразовательных агрегатов электроприводов прокатных станов, силовой электроники, силовых ключевых элементов, дискретно управляющих потоками электроэнергии, машин контактной сварки, дуговых и индукционных электрических печей, прокатных станов и крупных электролизных установок.

Электроприемники с нелинейными вольт-амперными характеристиками потребляют ток, который по форме отличается от синусоидального. Протекание такого тока по элементам электрической сети создает в них дополнительные падения напряжения, которые приводят к искажению формы (несинусоидальности) кривых тока и напряжения в узлах нагрузок СЭС.

Таким образом, задача исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС является актуальной и требует новых решений по учету дополнительных факторов, влияющих на устойчивую работу узлов нагрузок СЭС.

Диссертационная работа подготовлена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, проводимых при финансовой поддержке Ми-А нистерства образования и науки РФ в рамках выполнения Государственного контракта '№ 14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г. «Разработка математических моделей, алгоритмов, программных и технических средств повышения энергетической эффективности функционирования устройств и систем электроэнергетики».

Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС и качества электрической энергии СЭС посвящены раб(Угы известных российских и зарубежных ученых Жданова П. С., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Кузнецова В. Г., Куликова Ю. А., Сальникова В. Г., Arrillaga J., Heydt G. Т., Goh К. М. и др.

При проектировании новых СЭС и реконструкции действующих объектов устойчивость узлов нагрузок СЭС в соответствии с РД 34.20.576-94 необходимо исследовать с возможностью утяжеления номинального режима. Способы утяжеления могут быть различными: снижение ЭДС источников питания, изменение конфигурации СЭС, изменение величины и характера нагрузок, приводящее к снижению качества электрической энергии. Анализ научных трудов свидетельствует о неполном исследовании влияния несинусоидальности питающего напряжения на устойчивость узлов нагрузок СЭС.

В диссертационной работе при исследовании устойчивости СЭС предлагается учитывать нагрузку, искажающую синусоидальность форм кривых тока и напряжения.

Объектом исследования являются режимы работы узлов нагрузок СЭС.

Предметом исследования является устойчивость узла нагрузок СЭС, в состав которого входят асинхронная нагрузка и потребители с нелинейной вольт-амперной характеристикой, искажающие синусоидальность формы кривой питающего напряжения.

Целью исследования является определение влияния высших гармоник (ВГ)

на устойчивость узлов нагрузок СЭС.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие основные

задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на устойчивую работу узла нагрузок СЭС.

2. Исследовать влияние несинусоидальности напряжения в узле нагрузок СЭС на электромеханические характеристики асинхронного двигателя (АД).

3. На основе математической модели АД при питании статорных обмоток ВГ провести анализ характера переходных процессов в узле нагрузок СЭС при исследовании процесса самозапуска АД.

4. Проанализировать условия и время разгона АД при самозапуске с учетом

ВГ в узле нагрузок СЭС.

5. Исследовать ряд критериев статической устойчивости узла нагрузок СЭС при искажении синусоидальности формы кривой напряжения.

Методы исследования. Разработанные и доказанные в диссертационной работе научные положения основываются на применении теоретических методов исследования с использованием фундаментальных основ теории электрических машин. Для решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка используется метод Рунге-Кутгы четвертого порядка.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью и корректностью принятых допущений; адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов; теоретическими обоснованиями; совпадением характера изменения механических характеристик АД, полученных при моделировании, с теоретическими; апробацией результатов на конференциях и семинарах; экспертными оценками.

Также достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов при математическом моделировании на IBM PC совместимых персональных компьютерах в программной среде MathCad и интегрированной среде разработки Borland Delphi 6.0.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработан алгоритм, позволяющий выполнять расчет самозапуска АД с учетом несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС.

2. Теоретически обоснованы условия необходимости учета несинусоидальности напряжения в узле СЭС при самозапуске АД.

3. Доказано, что несинусоидальность питающего напряжения в узле СЭС является одним из факторов, определяющим условие возможности самозапуска АД и влияющим на увеличение времени самозапуска АД.

4. Предложено и обосновано посредством численных методов выражение для анализа устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой, учитывающее несинусоидальность формы кривой питающего напряжения.

5. Теоретически обоснована неоднозначность существующих критериев статической устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой при расчете несинусоидальных режимов.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано программное обеспечение для анализа устойчивости узлов нагрузок СЭС, реализующее предложенную математическую модель учета ВГ и использующееся в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».

2. Разработана и внедрена в образовательный процесс методика исследования устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой при искажении синусоидальности формы кривой питающего напряжения.

3. Представлены рекомендации по необходимости учета качества электроэнергии (в части несинусоидальности) при исследовании статической и динамической устойчивости узлов нагрузок СЭС. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию расчетов устойчивости в части утяжеления возможного режима работы СЭС.

4. Разработана система рекомендаций по повышению устойчивости узлов нагрузок СЭС при несинусоидальных режимах.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались и получили положительные отзывы на международной научно-практической конференции «Энергоэффективность», Омск, 2010; на региональной молодежной научно-технической конференции «Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2010; на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, энергоэффективность, экономика», Омск, 2010; на Н-ой международной научно-практической конференции, Курск, 2012; на 4-ой Международной научно-технической конференции ЗЮЯЕ «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Екатеринбург, 2013.

Использование результатов диссертационной работы. Основные научные и практические результаты использованы в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Разработанное в ходе выполнения диссертационной работы программное обеспечение для расчета устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой используется в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».

Публикации. Положения диссертационной работы и основные результаты исследований опубликованы в 19 научных работах, 8 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Условия, при которых необходимо учитывать несинусоидальности питающего напряжения при расчете устойчивости узлов нагрузок СЭС.

2. Математическая модель и алгоритм расчета самозапуска АД при наличии ВГ в узле нагрузок СЭС.

3. Математическая модель, уточняющая критерии статической устойчивости узлов СЭС при наличии нелинейных нагрузок.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований, приложений. Работа изложена на 125 страницах и содержит 39 иллюстраций, 67 формул и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана область применения ее результатов, определена научная новизна и практическая значимость диссертации, сформулированы цели, задачи.

Первая глава посвящена вопросам устойчивости узлов нагрузок СЭС. Основным определяющим фактором при исследовании устойчивости узлов нагрузок СЭС является наличие в составе комплексной нагрузки вращающихся машин. На современных промышленных предприятиях доля потребляемой электроэнергии двигательной нагрузкой достигает 75-85%. При аварийном режиме работа АД может быть неустойчивой, то есть при снижении напряжения на выводах двигателей ниже допустимых значений может произойти их «опрокидывание», следствием чего будет остановка АД. Остановка двигателей приведет к нарушению технологического процесса, что вызовет значительный ущерб, особенно у потребителей I и II категории электроприемников.

Рассмотрены вопросы качества электрической энергии и влияния несинусоидальности питающего напряжения на режимы работы электрооборудования, входящего в состав узла нагрузок СЭС. В сетях существует проблема ВГ, искажающих синусоидальность форм кривых тока и напряжения. Несинусоидальность питающего напряжения оказывает негативное влияние на режимы работы всего электрооборудования, подключенного к узлу нагрузок СЭС, в том числе и АД. Влияние ВГ на напряжение зависит от номера гармоники. Для потребителей наиболее опасны гармоники с низкой частотой.

Приведены примеры возможных последствий от действия ВГ в сетях 0,4 кВ и описаны мероприятия, направленные на снижение негативного воздействия ВГ.

Рассмотрены критерии, широко применяющиеся при исследовании статиче-

„ с1Р.« п с1()

ской устойчивость узлов СЭС с асинхронной нагрузкой: >0, —— = —со и

¿и аи

^ = 0.

сю

Во второй главе проведен анализ влияния несинусоидальности при исследовании динамической устойчивости узлов нагрузок СЭС. Показано отличие самозапуска АД от пуска: выбран анализ режима самозапуска АД как более тяжелый вариант при наличии в узле многообразной асинхронной нагрузки.

Показано, что при несинусоидальности напряжения в узле нагрузок СЭС наибольшее влияние на момент, развиваемый АД при самозапуске, оказывают ВГ, которые создают вращающие моменты, совпадающие с прямой последовательностью (рисунок 1). Гармоники, кратные трём, не создают дополнительных моментов, поэтому в работе ими пренебрегаем.

Искажение механической характеристики АД, подключенного к узлу нагрузок СЭС, наблюдается при скольжениях, близких к единице.

т. о.е. 2

Механэтеская

ыоугнта прямой последаяати&иостн

Мехаяпеская характеристика монета обратной воследовате^ностн

0.5 1 ' " 1

Рисунок 1 — Возникновение дополнительных вращающих моментов при несинусоидальности питающего напряжения

Выполнены расчеты механических характеристик АД, являющихся частью узла нагрузок СЭС, при синусоидальном напряжении и напряжении с ВГ при различных коэффициентах и-ой гармонической составляющей. Показано, что в диапазоне рабочей части характеристики .?„„„ < 5 < отклонение (искажение) момента несущественно. Однако при достижении скольжения выбега АД значения от 0,7 до 1 несинусоидальность питающего напряжения оказывает существенное влияние на момент, развиваемый АД при самозапуске: отклонение может достигать 9 % от номинального момента АД (таблица 1). Это является необходимым, но не достаточным условием учета влияния несинусоидальности в узле нагрузок СЭС при расчете самозапуска АД.

Таблица 1 — Отклонение момента, развиваемого АД при кратности максимального момента 2,4

б, о.е. шдв, о.е. шд.', о.е. т„ о.е. ть о.е. Дш, %

0,7 1,631 1,590 -0,093 1,497 8,19

0,75 1,588 1,548 -0,094 1,454 8,45

0,8 1,546 1,485 0,016 1,501 2,91

0,9 1,47 1,411 0,089 1,500 -2,04

1 1,4 1,344 0,057 1,401 -0,07

При решении задачи нахождения результирующей механической характеристики, создаваемой основной частотой и группой ВГ, при компьютерном моделировании процесса возникла необходимость проецировать функцию тф) на шкалу скольжений основной (50 Гц) составляющей.

В классической теории электрических машин (Рихтер, Вольдек) и теории устойчивости узлов нагрузок (Веников) для расчета моментов, создаваемых отдельными высшими гармоническими составляющими, предлагается использовать общеизвестную формулу

(2 + д)К 2

т»( я) =--иг.,

— + — + д

Бкр 5"

заменив значение напряжения основной частоты Ииом на напряжение отдельной гармоники ип а также значение критического скольжения на определяемого по формуле:

■У* =-

где з,юм - номинальное скольжение АД; V - номер ВГ:

у = бп+1, п^-Ы.

(2)

(3)

При такой подстановке действительно получается характеристика момента, создаваемого у-ой гармоникой напряжения (рисунок 2а) при том лишь ограничении, что значения скольжения 0 < ^ < 1 соответствуют рабочему диапазону скольжения ВГ.

1

0.1 02 0-3 0.4 0.3 о.в 0.7 0.8 04 1

0| 0.2 <35 0.4 0.5 0.6 С." 0$ 05 г

Рисунок 2 - Механические характеристики АД и дополнительных вращающих моментов от действия ВГ, рассчитанных по классической формуле Клосса

В противном случае, при компьютерном моделировании характеристики моментов оказываются «растянутыми» вдоль всей шкалы скольжений, что является неверным (рисунок 2 б).

В диссертационной работе предлагается следующий подход для решения задачи нахождения результирующей механической характеристики, создаваемой основной частотой и группой ВГ: выражение для определения момента основной частоты оставляем без изменений, а моменты ВГ перепишем в виде отдельной суммы сорока составляющих, учитывать которые предписывают ГОСТ Р 541492010 и ГОСТ Р 51317.4.7-2008.

Предлагается выполнить замену в формуле (1) скольжения 5 на выражение

•У - - 5кр)

т.(Х) = —-^-;--и:.. (4)

- (Бу -

+ -

Л'./.

3 — йф)

В результате проведенной замены характеристика моментов ВГ смещается к значению полученному в теории электрических машин, а также проецируется на ось основной частоты (рисунок 3).

Рисунок 3 - Механические характеристики АД и дополнительных вращающих моментов от действия ВГ, рассчитанных по уточненной формуле Клосса

Таким образом, получено выражение, позволяющее рассчитывать механические характеристики АД с учетом несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС

(2 + д)Ь- « 2Ъш

Шд.( 5) = -

.. Зкр

— + — + <7

- • и! + I

5 - (Ву - Б^р)

■и'-

Якр

(16)

5 - (^у - 5ч)

где Ът — кратность максимального момента АД; 5 — скольжение АД; Бкр - критическое скольжение АД; {/. - напряжение на основной частоте; иу> — напряжение на частотах ВГ;

- скольжение ВГ, определяемое по формуле (2). Показано, что на возможность самозапуска АД, подключенного к узлу нагрузок СЭС, существенное влияние могут оказать кратность максимального момента АД и величина начального момента исполнительного органа рабочей машины (ИОРМ).

Как видно из представленных характеристик (рисунок 4), при снижении напряжения питающей сети и при наличии ВГ значения моментов механической характеристики АД, входящих в состав узла нагрузок СЭС, при некоторых уровнях скольжения становятся меньше величин моментов исполнительного органа рабочей машины (ИОРМ).

Вышеизложенное позволяет сделать следующий вывод: если при расчете выбега АД, являющегося частью узла нагрузок СЭС, скольжение ротора достигает значения 5 > 0,7, а также при условии просадки напряжения в узле нагрузок СЭС (величина напряжения будет определена ниже) несинусоидальность может стать фактором, определяющим условие возможности самозапуска АД. Таким образом, возникают следующие научные задачи:

1. Определить взаимное влияние несинусоидалыюсти, снижения напряжения в узле нагрузок СЭС и величины скольжения выбега АД, входящего в состав узла нагрузок СЭС, на условия возможности самозапуска и процесс дальнейшего разгона АД.

2. Дать количественные характеристики коэффициентов несинусоидальности и и-ной гармонической составляющей, при которых учет несинусоидальности кривой напряжения в узле нагрузок СЭС будет обязателен.

пцо.е. 2

Механическая характеристика АД при снижении напряжения с учетом высших гармоник_

Механическая характеристика АД * прмсшхекшналрткп 6а учета высших гармоник

Рисунок 4 - Влияние значения начального момента ИОРМ на возможность самозапуска АД

Для решения поставленных задач построены механические характеристики АД при питании его от узла нагрузок СЭС напряжением, характеризующимся различными коэффициентами несинусоидальности, и проведено сравнение с механическими характеристиками ИОРМ (таблица 2) в соответствии с предложенным алгоритмом (рисунок 5).

Г начало ^

Определение напряжет» га АД

+

Построение механической характеристики АД с учетом ВГ

щ+1=щ-ли ли = 0,01 да Есяи^^ «-- и«ст

Определение мшшмадыюго значения напряжения и мин = С,-;

т"

конец ^

Рисунок 5 - Блок-схема алгоритма определения минимального значения напряжения

тто, о.е.

ки,% 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

и„„„, о.е.

0 - - - - -

8 - - - 0,76 0,8

12 - 0,71 0,74 0,77 0,82

г

Показано влияние величины начального момента ИОРМ на момент, развиваемый АД при самозапуске, с учетом электромагнитных переходных процессов (рисунке 6).

Изменение момента, развиваемого АД при саыозапуске (Мтр=0.7)

Изменение момента, развиваемого АД

20 40 60 80 10С

Рисунок 6 - Момент, развиваемый АД при самозапуске, с учетом электромагнитных переходных процессов

Разработана математическая модель расчета самозапуска АД, учитывающая несинусоидальность питающего напряжения в узле нагрузок СЭС. Применение данной модели позволяет уточнить минимальное значение напряжения в узле нагрузок СЭС, при котором возможен самозапуск АД.

При наличии ВГ значения активного сопротивления увеличиваются пропорционально Л/, а реактивного - пропорционально V (где V - номер ВГ)

Ху = уХ,

V + (1 — Л. ом )

V

для V =6п — 1, пе N

для V = 6п + 1, пе N

(5)

где Л/ и X/ — активное и реактивное сопротивления на основной частоте; Л, и Ху - активное и реактивное сопротивления на частоте ВГ;

— индуктивное сопротивление ветви намагничивания на частоте ВГ. При анализе устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой учет ВГ и электромагнитных переходных процессов при самозапуске АД приведет к искажению кривой изменения момента АД (рисунок 7).

Изменение момента, развиваемого АД при увеличении скорости вращения ротора с учетом ВГ

Рисунок 7 - Влияние ВГ и электромагнитных переходных процессов на характер изменения момента, развиваемого АД, при самозапуске

Несмотря на искажение кривой изменения момента, АД перейдет в номинальную точку рабочего диапазона. Однако в установившемся режиме работы момент, развиваемый АД при учете ВГ в узле нагрузок СЭС, будет носить пульсирующий характер (рисунок 8).

т, о е. -

Изменение момента. развиваемого АД. при самозапускс без учета ВГ_

Изменение момента, развиваемого АД, еоззпускс с учетом ВГ

ß,0

Рисунок 8 - Влияние ВГ на характер изменения момента, развиваемого АД, при самозапуске Преобразование электрических величин выполнено в системе координат а,

dt dxF,ß dt

4в

= LUsin(cü^t) + sin(~ ri

40

= LUcoiföW) + Y,U"C0S(т«0 - r

n-2

--4х ißco-ri-

X1 — XlXl x„4/2ß-x,4',ß

X -X1X2

dt d*F 2ß

= Ч/2аСО-Г1

X - XlXl

x^Y iß-xif 2ß

(6)

dt x„ - X,X2

X.jx'^.ß'F2. + X,X24f2ß,¥,„ - x\4'2ß4,,a - X,X24/,ß4f2a) Wie

: 2 j{x!.

- Х1Х2) J

где Yja и 'Piß - проекции потокосцепления обмотки статора АД на оси а viß;

v2а и 'Piß - проекции потокосцепления обмотки ротора АД на оси а и/?;

UKOM - напряжение на основной частоте;

Uv - напряжение на частотах ВГ;

г, и х,- активное и полное индуктивное сопротивления фазы обмотки статора АД;

г2 и xj- активное и полное индуктивное сопротивления фазы обмотки ротора

АД; АП

хи - индуктивное сопротивление ветви намагничивания ад,

j- инерционная постоянная вращающихся масс;

тс - момент НОРМ.

Показано, что при самозапуске АД, подключенного к узлу нагрузок СЭС, на характер изменения скорости АД оказывают влияние массогабаритные параметры двигателя. При самозапуске более легкого АД для выхода на номинальную скорость вращения потребуется меньше времени по сравнению с более тяжелым АД, однако характер изменения скорости при этом будет носить колебательный характер (рисунок 9).

У АД с большим значением момента инерции колебания скорости вращения при самозапуске будут менее заметны, однако увеличение массогабаритных параметров АД приведет к значительному увеличению времени самозапуска АД (рисунок 9).

Изменение скорости АД при

на характер изменения его скорости при самозапуске

Л

(7)

где 7} - электромеханическая постоянная времени; /яд, - момент, развиваемый АД, с учетом ВГ.

Далее выполняется проверка необходимости учета несинусоидалыгости питающего напряжения при исследовании устойчивости узлов нагрузок СЭС

, . ТПс . вы« =-М,

Т,

=[0.7;1)

КV =

1!у

и«,

•100%, К* к"

(8)

Ки =

Т. и.

-•100%, Ки£К"и

норм.доп

и ном

5'.Ы6лКУаКЫ

В случае одновременного выполнения предложенных критериев учета несинусоидальности питающего напряжения момент АД, являющегося частью узла нагрузок СЭС, определяется по формуле

(2 + ч)Ь„ гт1 , «_2Ы,__(9)

тдв = •

5лр - + — + <?

-■и:

у = 2 -У — — Яхр)

Зкр

Зкр 5 ¡кр 5 ~ (зу — Зкр)

На основании полученной математической модели (5) - (9) разработан алгоритм расчёта самозапуска АД при несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС. Блок-схема алгоритма расчёта самозапуска АД при несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС представлена на рисунке 10.

Показано, что несинусоидальность напряжения в узле нагрузок СЭС приводит к значительному увеличению времени самозапуска АД: до 25 %. Нагрев АД при этом увеличивается незначительно:

время самозапуска АД при ки= 0 %: 10 = 5,18 с.; температура нагрева АД при ки = 0 %: Т0 = 23,7 С;

Рисунок 10 - Блок-схема алгоритма расчёта самозапуска АД при несинусоидальности питающего напряжения

В третьей главе проведен анализ влияния несинусоидальности питающего напряжения при исследовании статической устойчивости узлов нагрузок СЭС. Обоснован выбор Т-образной схемы замещения АД при исследовании статической устойчивости узлов нагрузок СЭС. Показано, что при переходе от Т-образной схемы замещения АД к Г-образной или упрощенной Г-образной возникает погрешность при расчете токов и перетоков реактивных мощностей в ветвях схем замещения АД.

Показано, что неучет ВГ в узле нагрузок СЭС может привести к «опрокидыванию» двигателя ранее ожидаемого времени. Следовательно, учет ВГ при исследовании статической устойчивости узлов нагрузок СЭС позволяет уточнить критическое напряжение в узле нагрузок и более качественно обеспечить устойчивость узла СЭС с асинхронной нагрузкой.

Произведен анализ статической устойчивости узлов нагрузок СЭС по критерию > 0 с учетом несинусоидальности питающего напряжения (рисунок 11). (Ь

Рисунок 11 — Исследование статической устойчивости по критерию > О

<к

Показано, что погрешность в определении мощности (момента) не превышает 3% (таблица 3), а коэффициент запаса по статической устойчивости при этом снижается на 6%.

б, о.е. 0,01 $ном 0,02 0,04

Р, о.е. 2,042 2,103 2,148 2,194 2,200

Р„ о.е. 1,989 2,058 2,103 2,137 2,142

ЛР, % 2,09 2,12 2,11 2,60 2,64

Блок-схема алгоритма определения значения критического напряжения представлена на рисунке 12.

-г-.Ьг*.

^Эвртзелсмм« кшрмвдькя па

-с. - и I

[_ __ __ ___|

.......................Г......III.........£11....."I.....................................

монамтхкой Д.Ц с Ш

7

«С1 |

I 'У-'л! _______

........*.......^

Кои с« \

Рисунок 12 - Блок-схема алгоритма определения значения критического напряжения Произведен анализ статической устойчивости узлов нагрузок СЭС по критерию-= -со с учетом несинусоидальности питающего напряжения и неактивен/

ной мощности.

Показано, что несинусоидальность питающего напряжения приводит к увеличению значений перетоков реактивных мощностей в ветвях АД, входящего в состав узла нагрузок СЭС, при этом значение критического напряжения АД не изменяется (рисунок 13).

Показано, что возникающая в узле нагрузок СЭС так называемая искажающая мощность вне зависимости величины также не оказывает никакого влияния на значение критического напряжения, а приводит лишь к возникновению дополнительных перетоков реактивных мощностей в ветвях АД, питающегося от узла нагрузок СЭС.

Рисунок 13 - Исследование статической устойчивости

dQ

по критерию —— = аи

Произведен анализ статической устойчивости узлов нагрузок СЭС по крите-dE

рию Жданова — = 0 с учетом несинусоидальности питающего напряжения.

Влияние источника ВГ, подключенного в узле электрических нагрузок параллельно эквивалентному электродвигателю, будет заключаться в дополнительной подпитке реактивной мощностью узла нагрузок СЭС.

При наличии в узле подключения АД некоторых источников мощности (таковыми могут быть, например, батареи статических конденсаторов или источники высших гармоник) уменьшается количество мощности, передаваемой из энергосистемы узлу нагрузок СЭС. Таким образом, уменьшается значение эквивалентной ЭДС:

Следовательно, от величины мощности источника ВГ напрямую будет зависеть степень снижения коэффициента запаса (степень увеличения критического напряжения) статической устойчивости узла нагрузок СЭС.

Показано, что при подпитке узла нагрузок СЭС реактивной мощностью от источника ВГ значение критического напряжения АД увеличивается, а коэффициент запаса по статической устойчивости значительно снижается.

В четвертой главе описано разработанное программное обеспечение, позволяющее выполнять анализ устойчивости узлов нагрузок СЭС.

На основании описанных в главах 2 и 3 математической модели и алгоритмов в интегрированной среде разработки Borland Delphi 6.0 разработано программное обеспечение для расчета устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой. Результаты расчетов, выполненных при помощи разработанного программного обеспечения, совпадают с результатами теоретических исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В результате выполнения диссертационной работы было достигнуто следующее:

1. Исследованы существующие критерии анализа статической и динамической устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой. Установлено, что учет несинусоидальности кривой питающего напряжения в узле нагрузок СЭС при расчете самозапуска АД обязателен при одновременном выполнении следующих условий:

— если при расчете индивидуального или группового выбега АД получено значение скольжения выбега 5>ь,б > 0,7;

— если коэффициент несинусоидальности питающего напряжения превышает ки> 8%;

— если в спектральном составе питающего напряжения присутствуют ВГ с коэффициентом и-ой гармонической составляющей, превышающим значения, приведенные в ГОСТ Р 54149-2010.

2. При учете несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС на возможность самозапуска АД существенное влияние могут оказать:

— дополнительные вращающие моменты, создаваемые ВГ;

— кратность максимального момента АД;

— величина начального момента ИОРМ.

3. Несинусоидальность питающего напряжения в узле нагрузок СЭС приводит к увеличению времени самозапуска АД, вследствие чего увеличивается нагрев АД. На изменение времени самозапуска АД также оказывают влияние мас-согабаритные параметры АД: время самозапуска АД с уменьшением массы значительно сокращаются, однако характер изменения скорости будет носить колебательный характер. У АД с большим значением момента инерции такие колебания скорости вращения будут менее заметны.

4. Получено выражение, позволяющее учитывать несинусоидальность питающего напряжения в узле нагрузок СЭС при построении механических характеристик АД. Показано, что в установившемся режиме работы суммарный момент, развиваемый АД при учете ВГ, будет носить пульсирующий характер.

5. Разработана математическая модель расчета самозапуска АД, учитывающая несинусоидальность питающего напряжения в узле нагрузок СЭС. Математическая модель учитывает электромеханические и электромагнитные переходные процессы, возникающие в ветвях АД. Применение данной модели позволяет уточнить минимальное значение напряжения, при котором возможен самозапуск АД.

6. На основании полученной математической модели разработан алгоритм расчёта самозапуска АД при несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС. Алгоритм расчёта самозапуска АД основан на одновременном выполнении предложенных и обоснованных условий.

7. Произведен анализ статической устойчивости узлов СЭС с асинхронной

„ (1Е п

нагрузкой по критериям ->0, —^ =-ао и -= 0 с учетом несинусоидаль-

<Ш (Ш

ности питающего напряжения и возникающей при этом неактивной мощности.

Были определены значения критического напряжения и коэффициента запаса статической устойчивости узла нагрузок СЭС без учета ВГ и с учетом ВГ. На основании результатов, полученных при проведении анализа, разработана математическая модель, уточняющая критерии статической устойчивости узла СЭС с асинхронной нагрузкой при наличии нелинейных нагрузок.

8. На основании предложенных и обоснованных математической модели и алгоритмов исследования статической и динамической устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой разработано программное обеспечение, которое позволяет выполнять оценку устойчивости улов нагрузок СЭС как с учетом несинусоидальности питающего напряжения, так и без его учета. Анализ полученных результатов позволяет оценить, насколько существенным является наличие нелинейных потребителей электрической энергии в конкретном узле нагрузок СЭС. Об адекватности предложенных и обоснованных алгоритмов и математических моделей, реализованных в разработанном программном обеспечении, свидетельствуют совпадения с результатами теоретических исследований.

Основное содержание работы отражено в следующих работах:

В изданиях по перечню ВАК

1. Планков, А. А. Вопросы устойчивости технических средств обеспечения качества электрической энергии [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. Г. Лю-таревич, А. В. Дед // Омский научный вестник. -№1 (97). - 2011. - С.126-130.

2. Планков, А. А. Схематические решения активной фильтрации кривой тока в четырехпроводной трехфазной сети для обеспечения качества электрической энергии [Текст] / А. А. Планков, С. Ю. Долингер, В. Н. Горюнов, О. А. Сидоров // Омский научный вестник. - №3 (103).-2011. -С.214-218.

3. Планков, А. А. Влияние электроприемников, искажающих синусоидальность формы кривой напряжения и тока, на значение критического напряжения при оценке устойчивости узла с асинхронной нагрузкой [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. В. Бубнов, С. Ю. Долингер // Омский научный вестник. - №3 (103). - 2011. - С.225-229.

4. Планков, А. А. Моделирование критических режимов работы узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой при исследовании статической устойчивости на промышленной частоте. [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, В. А. Планкова, В. Л. Юша // Омский научный вестник. - №1(117). - 2013. -С.173-178.

5. Планков, А. А. Учет влияния высших гармоник тока и напряжения на критерии статической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой [Текст] / Д. С. Осипов, А. А. Планков, А. Е. Бугреева, Н. Н. Долгих, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. - №2(120). - 2013. -С.218-221.

6. Планков, А. А. Исследование статической устойчивости при подключении нагрузок, искажающих синусоидальность напряжения [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. Е. Бугреева, Н. Н. Долгих, А. А. Вырва // Новосибирск: Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - №1. - 2013. - С.296-300.

7. Планков, А. А. Моделирование несинусоидальных режимов систем электроснабжения с учетом нагрева токоведущих частей [Текст] / Д. С. Осипов, А. А. Планков, А. Е. Бугреева, Н. Н. Долгих, Е. Н. Еремин // Современные про-

блемы науки и образования. - 2013. - № 4; URL: http://www.science-education.ru/110-9880 (дата обращения: 19.08.2013).

8. Планков, А. А. Учет высших гармоник при исследовании динамической устойчивости узлов электроэнергетических систем с асинхронной нагрузкой [Текст] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 5.

В других изданиях:

9. Планков, А. А. Проблема высших гармоник в системах электроснабжения и способы борьбы с ними [Текст] // Энергоэффективность: матер. Междунар. на-уч.-практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С.66-71.

10. Планков, А. А. Определение эффективности использования конденсаторных установок в электросетях малых промышленных предприятий [Текст] / А. А. Планков, К. А. Аникин, Д. С. Белоусов // Энергоэффективность: матер. Междунар. науч.-практ. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С.141-144.

11. Планков, А. А. Энергоаудит как способ реализации энергосберегающей программы. Энергоаудит в бюджетной сфере [Текст] / А. А. Планков, Д. А. Брюханов, К. А. Аникин // Энергоэффективность: матер. Междунар. науч.тпракт. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С.236-242.

12. Планков, А. А. Разработка программного комплекса расчета потерь электрической энергии от действия высших гармоник токов и напряжения с учетом нагрева токоведущих частей при несинусоидальных режимах СЭС [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, К. А. Аникин, Д. А. Брюханов // Омское время -взгляд в будущее: матер, регион, молодеж. науч.-техн. конф. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - Кн. 2. - С. 118-123.

13. Планков, А. А. О потенциале энергосбережения [Текст] / А. А. Планков, Т. П. Матвиенко И Энергосбережение, энергоэффективность, экономика: матер, междунар. науч.-техн. конф. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010. - С.173-178.

14. Планков, А. А. Необходимость уточнения критерия оценки устойчивости узла с асинхронной нагрузкой [Текст] / А. А. Планков, С. В. Никулина, Я. Ю. Логунова // Современные технологии и управление в энергетике и промышленности: сб. науч. тр. / [отв. ред. В. Н. Горюнов]. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2012. - С.184-190.

15. Планков, А. А. Обоснование выбора Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя при оценке устойчивости узлов систем электроснабжения с асинхронной нагрузкой [Текст] / А. А. Планков, Е. В. Смолина, Я. Ю. Логунова // Современные инновации в науке и технике: матер. П-ой Международной науч.-практ. конф. 18 апреля 2012 года / [отв. ред. Горохов А .А]. - Курск: Изд-во Юго-Западный государственный университет, 2012 - С.144-151.

16. Планков, А. А. Этапы расчета самозапуска при оценке динамической устойчивости узлов электроэнергетических систем [Текст] / А. А. Планков, А. Е. Бугреева // Энергоэффективность и экономика: тематический сб. науч. тр. / [отв. ред. Д. С. Осипов]. - Омск: Изд-во Полиграфический центр КАН, 2012. — С.225-234.

17. Планков, А. А. Программа для анализа устойчивости узлов нагрузки / А. А. Планков, Д. С. Осипов, В. А. Планкова // М.: ОФЭРНиО ФГНУ ИНИПИ РАО, 2013. - Св-во №18926.

18. Планков, А. А. Определение временных пусковых параметров электродвигателей для адаптивной блокировки его защит [Текст] / Д. Е. Маруськин, К. И. Никитин, Д. С. Осипов, А. А. Планков // Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем: аннотации докладов 4-ой Международной научно-технической конференции ЗЮЯЕ. - Екатеринбург, 2013. - Секция постеров С.П-11.

19. Планков, А. А. Общие вопросы динамической устойчивости узлов электроэнергетических систем [Текст] / А. А. Планков, Д. С. Осипов, А. Е. Бугреева, Н. Н. Долгих, Г. С. Смородин, П. В. Шаповалов, Р. А. Гапиров // Современные технологии в энергетике: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / [редкол. : А. В. Косых,

B. Н. Горюнов, А. Г. Лютаревич (отв. ред.)]. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. -

C.178-181.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором лично. Работы [8,9] написаны автором лично. В остальных статьях доля, написанная лично автором, составляет более 50 %.

Печатается в авторской редакции

Компьютерная верстка О. Г. Белименко

Подписано в печать 23.09.13. Формат 60х84'/16. Бумага офсетная. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 1,25. Уч.-изд. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 517.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр. Мира, 11; т. 23-02-12 Типография ОмГТУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ПЛАНКОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

УЧЕТ НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АСИНХРОННОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

На

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: канд. техн. наук. Осипов Дмитрий Сергеевич

Омск-2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ................................................................9

1.1 Вопросы устойчивости узлов нагрузок систем электроснабжения.............9

1.2 Проблема качества электрической энергии..................................................13

1.3 Влияние несинусоидальности на режимы работы электрооборудования 18

1.4 Критерии устойчивости узлов нагрузки систем электроснабжения..........22

Выводы по первой главе.......................................................................................27

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ........................29

2.1 Самозапуск асинхронных двигателей...........................................................29

2.2 Анализ влияния несинусоидальности при исследовании динамической устойчивости..........................................................................................................35

2.3 Математическая модель расчета самозапуска асинхронных двигателей

при несинусоидальности питающего напряжения............................................48

Выводы по второй главе.......................................................................................55

3 ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ.............................57

3.1 Выбор схемы замещения асинхронного двигателя и допущений..............57

3.2 Анализ статической устойчивости................................................................67

йР изб

3.2.1 Анализ статической устойчивости по критерию —— > 0......................73

¿0

3.2.2 Анализ статической устойчивости по критерию-= -со.....................75

¿О/

3.2.3 Анализ статической устойчивости по критерию Жданова ^^ = 0 .......77

Выводы по третьей главе......................................................................................78

4 РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ НАГРУЗКИ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ......................................................................................80

Выводы по четвертой главе..................................................................................94

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................95

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.............................................97

Приложение А. Вклад соискателя в опубликованные научные работы.......114

Приложение Б. Акт использования материалов диссертационной работы в

учебном процессе....................!...........................................................................122

Приложение В. Акт использования материалов диссертационной работы.. 124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Система электроснабжения (СЭС) может быть подвержена авариям, обусловленным нарушением режима работы как самой системы, так и отдельных её элементов. Часто, последствием аварийных переходных режимов становится нарушение устойчивости узлов нагрузок СЭС, что является одним из тяжелейших видов развития аварии, который может повлечь как большой экономический ущерб, так и человеческие жертвы.

Нарушение устойчивости СЭС послужило причиной крупных аварий как в России, так и за рубежом:

1. 7 октября 2003 г. - отключение потребителей в Липецкой, Смоленской, Тамбовской и Белгородской областях.

2. 25 мая 2005 г. - авария в энергосистеме России, следствием которой стало прекращение электроснабжения потребителей в г. Москве, а также Тульской, Московской, Калужской и Рязанской областях.

3. 20 августа 2010 г. - в результате ложного срабатывания РЗА в течение 3 минут были отключены несколько ЛЭП 110-330 кВ. Это привело к нарушению электроснабжения потребителей Ленинградской области.

4. 26 июля 2013 г. - отключение Северо-Восточного округа Москвы. Общая отключённая мощность составила 9,6 МВт.

Таким образом, задача исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС является актуальной и требует новых решений по учету дополнительных факторов, влияющих на устойчивую работу СЭС.

Диссертационная работа подготовлена в соответствии с планом научно-исследовательских работ ОмГТУ, проводимых в рамках выполнения Государственного контракта №14.В37.21.0332 от 27 июля 2012 г. «Разработка математических моделей, алгоритмов, программных и технических средств повышения энергетической эффективности функционирования устройств и систем электроэнергетики».

Степень разработанности темы исследования. Вопросам исследования устойчивости узлов нагрузок СЭС и качества электрической энергии СЭС посвящены работы известных российских и зарубежных ученых Жданова П. С., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Кузнецова В. Г., Куликова Ю. А., Сальникова В. Г., Arrillaga J., Heydt G. Т., Goh К. М. и др.

При проектировании новых СЭС и реконструкции действующих объектов устойчивость узлов нагрузок СЭС в соответствии с РД 34.20.576-94 необходимо исследовать с возможностью утяжеления номинального режима. Способы утяжеления могут быть различными: снижение ЭДС источников питания, изменение конфигурации СЭС, изменение величины и характера нагрузок, приводящее к снижению качества электрической энергии. Анализ научных трудов свидетельствует о неполном исследовании влияния несинусоидальности питающего напряжения на устойчивость узлов нагрузок СЭС.

В диссертационной работе при исследовании устойчивости СЭС предлагается учитывать нагрузку, искажающую синусоидальность форм кривых тока и напряжения.

Объектом исследования являются режимы работы узлов нагрузок СЭС.

Предметом исследования является устойчивость узла нагрузок СЭС, в состав которого входят асинхронная нагрузка и потребители с нелинейной вольт-амперной характеристикой, искажающие синусоидальность формы кривой питающего напряжения.

Целью исследования является определение влияния высших гармоник (ВГ) на устойчивость узлов нагрузок СЭС.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:

1. Проанализировать факторы, влияющие на устойчивую работу узла нагрузок СЭС.

2. Исследовать влияние несинусоидальности напряжения в узле СЭС на электромеханические характеристики асинхронного двигателя (АД).

3. На основе математической модели АД при питании статорных обмоток высшими гармониками (ВГ) провести анализ характера переходных процессов в узле СЭС при исследовании процесса самозапуска.

4. Проанализировать условия и время разгона АД при самозапуске с учетом ВГ в узле СЭС.

5. Исследовать ряд критериев статической устойчивости узла нагрузок СЭС при искажении синусоидальности формы кривой напряжения.

Методы исследования. Разработанные и доказанные в диссертационной работе научные положения основываются на применении теоретических и экспериментальных методов исследования с использованием фундаментальных основ теории электрических машин. Для решения систем дифференциальных уравнений высокого порядка используется метод Рунге-Кутты четвертого порядка.

Достоверность полученных результатов обеспечивается обоснованностью и корректностью принятых допущений; адекватностью используемых математических методов, моделей и алгоритмов; теоретическими обоснованиями; совпадением характера изменения механических характеристик АД, полученных при моделировании, с теоретическими; апробацией результатов на конференциях и семинарах, экспертными оценками.

Также достоверность полученных результатов подтверждается совпадением результатов при математическом моделировании на IBM PC совместимых персональных компьютерах в программной среде MathCad и интегрированной среде разработки Borland Delphi 6.0.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Разработан алгоритм, позволяющий выполнять расчет самозапуска АД с учетом несинусоидальности питающего напряжения в узле нагрузок СЭС.

2. Теоретически обоснованы условия необходимости учета несинусоидальности напряжения в узле СЭС при самозапуске АД.

3. Доказано, что несинусоидальность питающего напряжения в узле СЭС является одним из факторов, определяющим условие возможности самозапуска АД и влияющим на увеличение времени самозапуска АД.

4. Предложено и обосновано посредством численных методов выражение для анализа устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой, учитывающее несинусоидальность формы кривой питающего напряжения.

5. Теоретически обоснована неоднозначность существующих критериев статической устойчивости узлов.

Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработано программное обеспечение для анализа устойчивости узлов нагрузки, реализующее предложенную математическую модель учета ВГ и использующееся в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».

2. Разработана и внедрена в образовательный процесс методика исследования устойчивости узлов с асинхронной нагрузкой при искажении синусоидальности формы кривой питающего напряжения.

3. Представлены методические рекомендации по необходимости учета качества электроэнергии (в части несинусоидальности) при исследовании статической и динамической устойчивости узлов нагрузки. Представлены предложения по дальнейшему совершенствованию расчетов устойчивости в части утяжеления возможного режима работы СЭС.

4. Предложена система практических рекомендаций по повышению устойчивости узлов нагрузок СЭС при несинусоидальных режимах.

Апробация работы. Основные положения и результаты

диссертационной работы обсуждались и получили положительные отзывы на

международной научно-практической конференции «Энергоэффективность»,

Омск, 2010; на региональной молодежной научно-технической конференции

7

«Омское время - взгляд в будущее», Омск, 2010; на международной научно-технической конференции «Энергосбережение, энергоэффективность, экономика», Омск, 2010; на П-ой международной научно-практической конференции, Курск, 2012; на 4-ой Международной научно-технической конференции СИГРЭ «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Екатеринбург, 2013.

Использование результатов диссертационной работы. Основные научные и практические результаты использованы в ФГБОУ ВПО «Омский государственный технический университет» при организации учебного процесса на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий».

Разработанное в ходе выполнения диссертационной работы программное обеспечение для расчета устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой используется в подразделении центральной диспетчерской службы ООО «ЮНГ-Энергонефть».

Публикации. Положения диссертационной работы и основные результаты исследований опубликованы в 19 научных работах, 8 из которых - в изданиях, рекомендованных ВАК. Получено 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся:

1. Условия, при которых необходимо учитывать несинусоидальности питающего напряжения при расчете устойчивости узлов электрических нагрузок СЭС.

2. Математическая модель и алгоритм расчета самозапуска АД при наличии ВГ в узле нагрузок СЭС.

3. Математическая модель, уточняющая критерии статической устойчивости узлов СЭС при наличии нелинейных нагрузок.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 136 наименований, приложений. Работа изложена на 125 страницах и содержит

39 иллюстраций, 67 формул и 10 таблиц.

8

1 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ПРИ НЕСИНУСОИДАЛЬНЫХ РЕЖИМАХ 1.1 Вопросы устойчивости узлов нагрузок систем электроснабжения

Устойчивость узлов нагрузок СЭС является важнейшим условием бесперебойной работы электрооборудования для промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами [64, 66].

Под устойчивостью понимают способность СЭС возвращаться в исходное состояние (положение равновесия) после окончания действия внешних возмущений или в состояние, близкое к исходному, если возмущение не прекратило свое действие [16, 36, 59].

Устойчивость СЭС по виду возмущающего воздействия (малое или большое) принято разделять на статическую, динамическую и результирующую. Возмущения в СЭС могут возникать как под действием питающей энергетической системы (изменения напряжения и частоты), так и в результате изменений режимов работы системы распределения и режимов электроприемников (пуски мощных двигателей колебания момента и перегрузки двигателей по условиям технологического процесса; изменение количества питающих линий; оперативные переключения в распределительной сети и т.п.). В этом случае устойчивость СЭС принято характеризовать как устойчивость узлов нагрузок [16, 36, 59].

Расчеты устойчивости узлов нагрузок СЭС проводят с целью определения запасов устойчивости нормальных и послеаварийных режимов, что количественно выражается коэффициентом запаса. Запас устойчивости СЭС при передаче электрической энергии не должен быть менее 20 % при номинальном режиме работы и менее 8 % - при кратковременном послеаварийном [59].

При проектировании новых СЭС и реконструкции действующих объектов необходимо проводить анализ устойчивости с возможностью утяжеления исходного нормального режима [59]. Способы утяжеления могут

быть различными, а именно - снижение ЭДС источников питания, изменение конфигурации СЭС, изменение величины и характера нагрузок.

Основным определяющим фактором при исследовании устойчивости узлов нагрузок СЭС является наличие в составе комплексной нагрузки вращающихся машин. На современных промышленных предприятиях доля потребляемой электроэнергии двигательной нагрузкой достигает 75-85%.

Область механической характеристики АД между номинальным и критическим скольжениями является областью его устойчивой работы, а область от критического до скольжения, равного единице, - неустойчивой. В нормальных условиях двигатель работает в области устойчивой работы [16]. Но даже при работе в области устойчивой части характеристики параметры режима СЭС постоянно изменяются, что влияет на работу двигателя. Изменение параметров режима СЭС обусловлено следующими факторами:

1. Изменение нагрузки и, как следствие, действия регулирующих устройств [59].

2. Коммутация элементов сети [59].

3. Включение в сеть генераторов или их отключение [59].

Несмотря на то, что в СЭС даже в установившемся режиме есть малые

по величине возмущения, система должна сохранять устойчивость [59].

При аварийном режиме работа АД может быть неустойчивой, то есть при снижении напряжения на выводах двигателей ниже допустимых значений может произойти их «опрокидывание», следствием чего будет остановка АД. Остановка двигателей приведет к нарушению технологического процесса, что вызовет значительный ущерб, особенно у потребителей I и II групп ответственности [59, 73, 88].

Следует отметить, что полнота исходных данных параметров режима и параметров системы может стать решающим фактором, определяющим точность расчетов устойчивости.

Известны работы [33, 113], которые направлены на повышение

устойчивости узлов нагрузок СЭС путем учета искажающих воздействий:

10

1. В работах [15, 24, 31, 46, 75] исследуются статическая устойчивость и процессы пуска и самозапуска АД при несинусоидальности питающего напряжения.

2. В [14, 29, 64] авторами ведутся исследования в области учета несимметрии. В связи с тем, что однофазные и двухфазные короткие замыкания (КЗ) (несимметричные возмущения), доля которых составляет 90% от суммарного количества КЗ [14], возникают чаще трехфазных КЗ (симметричные возмущения), снижение уровня питающего напряжения носит, как правило, несимметричный характер [14]. Поэтому учет несимметрии питающего напряжения может внести коррективы в расчеты при анализе устойчивости узлов СЭС с асинхронной нагрузкой.

3. Кроме того, в современных условиях ведутся исследования по проработке различных факторов, влияющих на устойчивость узлов СЭС с асинхронной нагрузкой: компенсации реактивной мощности [50], дефектов электрооборудования [101].

Под динамической устойчивостью асинхронной нагрузки понимают, как правило, способность АД восстанавливать исходный режим или близкий к нему после больших возмущений [16, 59, 93, 127].

Большим возмущениям свойственно нарушение нормального режима работы СЭС с последующим изменением ее конфигурации [16, 59]. К таким возмущениям можно отнести снижение напряжения на зажимах двигателя, вызванное следующими факторами [16, 59, 93, 127]:

1. Пуск двигателей.

2. Кратковременный перерыв питания двигателей, вызванный его переключением на другой источник питания.

3. Самозапуск АД после перерывов питания.

4. Отключение крупной нагрузки, генераторов, линий электропередачи и др. [16].

5. Короткое замыкание на линии.

Снижение напряжения на зажимах АД �