автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Устойчивость промышленных электротехнических систем с асинхронными и синхронными электроприводами

На правах рукописи

РЕПИНА Юлия Валерьевна

УСТОЙЧИВОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ С АСИНХРОННЫМИ И СИНХРОННЫМИ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ на соискание ученой степени кандидата технических наук

/

Москва, 2005 год

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

Научный руководитель - доктор технических наук, доцент Егоров Андрей Валентинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Белоусенко Игорь Владимирович

кандидат технических наук, доцент Пупин Валерий Михайлович

Ведущая организация: ОАО «АК «Сибур»»

Зашита состоится « /20о5г. в^часов^Кшнут на заседании Диссертационного Совета Д212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, аудЗОР ■

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

Автореферат разослан « и » С/сГЛ^^А 2005г.

И.о. ученого секретаря

диссертационного совета Д212.200.14; ^

д.п.н., проф. В.Л. Шатуновский

Актуальность проблемы. Проблема повышения устойчивости работы узлов электрической нагрузки крупных многомашинных промышленных комплексов становится все более актуальной по мере укрупнения производства и усложнения технологических процессов.

В настоящее время эта проблема особенно остра для предприятий нефтяной и газовой промышленности, отличительными особенностями которых являются: непрерывность технологических процессов, большая единичная мощность электроприемников, высокая цена остановки предприятия, экологическая напряженность технологического процесса. В ряде случаев ситуация осложняется определенным несоответствием потребностей промышленных электротехнических систем (ЭТС) и возможностей питающей энергосистемы. Результатом такого несоответствия является высокая частота аварийных остановок производства, что приводит к потерям сырья и конечных продуктов, в том числе за счет сброса на факел, ухудшению качества продукции, осложнению экологической обстановки, ускоренному износу оборудования, значительным затратам на восстановление технологического режима.

Анализ аварийных осциллограмм, документации предприятий и энергосистем по расследованию аварий показывает, что подавляющее большинство отключений связано с кратковременными возмущениями в распределительных сетях питающей энергосистемы и на самом предприятии. Несмотря на' то, что длительность воздействия подобных возмущений достаточно мала, от десятых долей секунды до секунд, их последствия бывают достаточно тяжелы. На восстановление нормального режима работы предприятия могут потратить время, несопоставимое со временем самого аварийного возмущения: часы и десятки часов. Зачастую аварийная ситуация осложняется тем, что автоматическое включение резерва (АВР) на различных уровнях напряжения не приводит к быстрому восстановлению нормального режима работы. Есть и другие сложности: пожаро- и взрывоопасность исходного сырья и конечных продуктов, высокая токсичность. Решением таких проблем может быть повышение устойчивости ЭТС предприятия к внешним многопараметрическим возмущениям, это позволит снизить частоту массовых отключений электрооборудования и облегчит их последствия. Современные нефтегазовые комплексы оснащены как асинхронными, так и синхронными электроприводами. Соответствие асинхронных и синхронных приводов на разных предприятиях составляет от 10:1 до 1:10. Вопросы устойчивости ЭТС с асинхронной нагрузкой исследованы достаточно, в то время как ЭТС с асинхронно-синхронной (смешанный состав) нагрузкой исследовалась в меньшей степени. Таким образом, предлагаемая тема работы представляется весьма актуальной.

Большой вклад в решение проблемы устойчивости узлов электродвигательной нагрузки внесли многие исследователи: А.И. Важное, В.А. Веников, С.И. Гамазин, A.A. Горев, Ю.Е. Гуревич, М.С. Ершов,

П.С. Жданов, Е.Я. Казовский, К.П. Ковач, В. Лайон, Б.Г. Меньшов, A.A. Горев, В.Ф. Сивокобыленко, И.А. Сыромятников и другие. На результатах и выводах, полученных этими учеными, во многом строились исследования автора. Представляемая работа выполнена в рамках научной школы «Надежность, устойчивость и безопасность электротехнических систем нефтяной и газовой промышленности», основанной профессором Б.Г. Меньшовым в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.

Цель работы заключается в разработке метода количественной оценки устойчивости ЭТС и способов увеличения устойчивости промышленных ЭТС для повышения надежности работы предприятия с непрерывным технологическим процессом при различном составе электродвипггельной нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выбрать средства моделирования электромеханических переходных процессов, а также модели двигателей и питающей энергосистемы, обосновать их применимость.

2. Выполнить анализ устойчивости ЭТС с асинхронными электроприводами при внешних возмущениях с целью разработки стратегии управления режимом системы внутреннего электроснабжения при изменении режима работы источника электроснабжения.

3. Исследовать устойчивость ЭТС смешанного состава при внешних возмущениях в условиях различной мощности питающей энергосистемы. Выполнить сопоставление характеристик устойчивости ЭТС различного состава.

4. Разработать рекомендации для оценки и повышения устойчивости при проектировании и эксплуатации ЭТС, имеющих электродвигательную нагрузку различного состава.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС. В работе использовались положения и методы следующих областей знаний: теория электрических цепей, теория электрических машин, теория электропривода, математический анализ, математическое и компьютерное моделирование электротехнических систем, теория устойчивости электротехнических систем, теория катастроф.

Научная новизна результатов исследований. В представленной работе получены следующие новые научные результаты: 1. Предложен и обоснован количественный критерий оценки устойчивости ЭТС произвольного состава. Данный критерий позволяет учесть показатели устойчивости ЭТС и параметры противоаварийных релейных защит и автоматики.

2. Приведено исследование устойчивости ЭТС со смешанным составом нагрузки. Получено описание границы устойчивости, определены параметры, достаточно адекватно описывающие устойчивость, исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на показатели устойчивости таких ЭТС.

3. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности возмущения. Показано, что при возмущениях большой интенсивности потеря устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного двигателя, в то время как при возмущениях меньшей интенсивности потеря устойчивости вызывается нарушением устойчивости асинхронной составляющей электродвигательной нагрузки.

4. Разработана стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС при изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющая поддерживать количественные характеристики устойчивости системы.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение и способ вычисления коэффициента устойчивости ЭТС произвольного состава.

2. Основные закономерности, описывающие границу устойчивости ЭТС смешанного состава, физический смысл параметров, характеризующих устойчивость таких систем.

3. Закономерности влияния параметров питающей энергосистемы на показатели устойчивости ЭТС смешанного состава.

4 Стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС при изменениях режима питающей энергосистемы.

Обоснованность и достоверность результатов основных выводов

подтверждается применением апробированных методов и средств

исследования, корректностью исходных предположений и допущений,

совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработана инженерная методика по определению количественной оценки устойчивости асинхронных и асинхронно-синхронных ЭТС, позволяющая выполнять количественную оценку изменения устойчивости ЭТС при реализации мероприятий, направленных на повышение устойчивости. При наличии информации о законе распределения параметров возмущающих воздействий данный параметр позволяет получать количественные оценки интенсивности нарушения устойчивости ЭТС.

2. Разработаны рекомендации по повышению устойчивости промышленных ЭТС за счет оптимального управления режимами их работы при изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющие увеличить устойчивость систем при незначительном увеличении потерь мощности.

3. Разработаны рекомендации по использованию компенсирующей способности синхронных двигателей для повышения устойчивости ЭТС смешанного состава. Учет особенностей характеристик устойчивости ЭТС смешанного состава на стадии их проектирования позволит существенно снизить частоту аварийных возмущений и облегчить их последствия. Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• на 53 Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-99» (Москва, 1999г),

• на 71-ом Всероссийском семинаре с международным участием им. ЮН. Руденко «Методические вопросы надежности больших систем энергетики» (Вышний Волочок, 2000г),

• на 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва, 2001 г),

• на 4-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 300-летию Инженерного образования в России (Москва, 2001 г),

• на 6-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 75-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И М. Губкина (Москва, 2005г),

• на VII Международной конференции «Новые идеи в науках о земле» (Москва, 2005г),

• на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (1999-2005гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 75 наименований. Работа изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 9 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и задачи исследования.

В первой главе работы рассмотрены основные причины нарушения устойчивости для ЭТС с различным составом нагрузки. На практике основной причиной потери устойчивости ЭТС являются внешние возмущения, проявляющиеся у потребителя в виде провалов напряжения различных глубины и длительности. Несмотря на свою кратковременность,

такие возмущения часто приводят к длительным расстройствам технологических процессов.

Установлено, что при проектировании, эксплуатации, исследовании устойчивости ЭТС предприятия возникает ряд проблем, для решения которых необходимо провести анализ переходных процессов в электродвигательной нагрузке, достаточно подробно рассчитать динамику процессов, возникающих при возмущениях в многомашинной системе. Переходные процессы в системах внутреннего электроснабжения и электродвигательной нагрузке нефтегазовых комплексов имеют особую значимость из-за большого числа и значительной единичной мощности отдельных электродвигателей. При возмущениях в таких системах восстановление работы может быть затруднено, что связано с возможностью нарушения устойчивости узлов электрической нагрузки промышленного комплекса. Анализ переходных процессов в ЭТС промышленных комплексов сложен, что обусловлено не только необходимостью контроля процессов в большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и асинхронных двигателей, различающихся по расчетным схемам, параметрам и характеристикам. Все это определяет необходимость использования специальных методов и средств исследования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения. Основной способ решения задач устойчивости - проведение расчетно-экспериментальных исследований переходных процессов на базе математического моделирования электромеханических переходных процессов. Благодаря появлению и развитию мощных средств вычислительной техники и специально ориентированных программных продуктов такие исследования в области устойчивости стали возможны.

В представленной работе при анализе аварийных режимов было отдано предпочтение электромеханическим моделям электродвигателей. Для этого есть ряд причин. Характерная особенность аварийных режимов заключается в том, что связь нагрузки с энергосистемой, как правило, не утрачивается в процессе развития аварии. Следствием этого является практически полное отсутствие несинусоидальных режимов на входе системы внутреннего электроснабжения. Таким образом, мощность питающей энергосистемы даже в аварийных режимах остается значительно больше, чем мощность нагрузки. В связи с вышесказанным представляется возможным не рассматривать электромагнитные процессы в системе внутреннего электроснабжения, а ограничиться рассмотрением электромеханических переходных процессов.

Рассмотрены используемые модели электрических машин переменного тока. Асинхронные электроприводы описываются уравнением движения и системой алгебраических уравнений, основанных на Т-образной схеме замещения асинхронного двигателя. Для синхронных машин, входящих в состав электротехнической системы предприятия, используется электромеханическая модель, которая описывается двумя дифференциальными уравнениями и эквивалентным (кажущимся)

сопротивлением. Для вычисления величины этого сопротивления применена итерационная процедура.

В качестве модели питающей энергосистемы применяется модель идеального источника ЭДС, находящегося за линейным сопротивлением. Питающая электроэнергетическая система достаточно полно может быть описана вектором параметров состояния:

(2= (Е,. Е2, 2Э,А, где £; - значение ЭДС прямой последовательности, Е2- значение ЭДС обратной последовательности,

2 - эквивалентное полное входное сопротивление энергосистемы, 2 -ггс+]Хс. гс - эквивалентное активное сопротивление энергосистемы, хс~ эквивалентное реактивное сопротивление энергосистемы, /- частота питающего напряжения.

В векторе параметров не рассматриваются значение ЭДС нулевой последовательности (Еп) и углы сдвига фаз между последовательностями эквивалентной ЭДС {у/и <Ую) питающей энергосистемы. Это связано с тем, что данные параметры не оказывают влияния на динамику электроприводов и, следовательно, на устойчивость узла нагрузки.

В принятой модели внешнего возмущения предполагается, что в момент начала возмущения значение эквивалентной ЭДС питающей энергосистемы скачкообразно меняется от своего исходного значения до значения остаточной ЭДС Значение ект остается неизменным во

время действия возмущения. При прекращении возмущения параметры питающей энергосистемы - значение эквивалентной ЭДС также скачкообразно меняется до номинального уровня. При провале ЭДС, в случае несимметричного возмущения, появляется обратная составляющая, которая отсутствует при симметричном возмущении.

Рассматриваемые модели использованы в программном комплексе 8АО, предназначенном для расчета режимов работы и электромеханических переходных процессов в разомкнутых системах внутреннего электроснабжения промышленных предприятий с асинхронными и синхронными электроприводами, статической нагрузкой. Этот комплекс и был использован для дальнейших расчетов.

Во второй главе рассмотрены результаты исследований устойчивости электротехнических систем с асинхронными электроприводами (далее асинхронных ЭТС). Определены основные показатели устойчивости для границы динамической устойчивости в координатах остаточной ЭДС и времени воздействия возмущения. Граница статической устойчивости представляет собой точку - такое значение остаточной ЭДС (еГУ), при котором сохраняется прежний статический режим.

Линия, разделяющая область динамической устойчивости и область потери устойчивости начинается в некоторой точке (г0), соответствующей времени динамической устойчивости ЭТС при провале напряжения до нуля.

Рассмотрено математическое описание границы устойчивости асинхронных ЭТС. В наиболее простом случае симметричного внешнего возмущения граница динамической устойчивости описывается зависимостью с явным физическим смыслом входящих в нее параметров в относительных единицах:

ост

Граница статической устойчивости описывается формулой в именнованных единицах:

Есу(х<) = ЕсуП + схс,

где Есуо - значение ЭДС статической устойчивости ЭТС при бесконечно большой мощности питающей энергосистемы, с - коэффициент аппроксимации.

В качестве примера для иллюстраций дальнейшего изложения выбран один из вводов крупного предприятия газовой промышленности Исследовано влияния параметров питающей энергосистемы на устойчивость асинхронных комплексов. При эксплуатации электроэнергетической системы ее параметры не остаются во времени неизменными Величины эквивалентной ЭДС и входного сопротивления подвержены как случайным, так и закономерным изменениям. Примеры зависимостей г» от величины эквивалентной ЭДС источника электроснабжения и от его входного сопротивления приведены на рис. 1 и 2 соответственно

Рис. 1. Зависимость То от величины эквивалентной ЭДС

Г». С

0.75

05

0 25

0

Рис. 2. Зависимость т0 от величины входного реактивного сопротивления

Характерная особенность приведенных зависимостей заключается в их кусочно-непрерывном виде. В целом ряде точек происходит разрыв функции. В теории катастроф показывается, что наличие подобных точек связано с существованием множества областей устойчивости в области параметров рассматриваемой системы. В окрестностях таких точек даже незначительные изменения параметров питающей энергосистемы, естественные в нормальных режимах ее работы, приводят к резким изменениям устойчивости ЭТС предприятия. Это объясняет, почему одинаковые или почти одинаковые возмущения могут приводить к различным последствиям, что наблюдается на практике.

Линии раздела областей устойчивости представляют собой прямые линии. Область, содержащую точку номинального режима энергосистемы будем именовать рабочей областью. В рабочей области устойчивости существуют линии равного уровня тп, они также прямые.

Выполненные автором исследования позволили предложить количественный критерий оценки устойчивости асинхронных ЭТС для возможности сравнения различных ЭТС сопоставимой мощности с разными параметрами устойчивости. Параметры, определяющие достаточный уровень устойчивости ЭТС промышленного предприятия, на сегодняшний день не нормируются общегосударственными документами. Это связано с тем, что проблемы обеспечения устойчивости характерны только для крупных предприятий при ограниченной мощности питающей энергосистемы. Последствия потери устойчивости тяжелы в основном для предприятий, имеющих непрерывный технологический процесс. Главной задачей является обеспечение устойчивости технологического процесса. Допустимое время перерыва электроснабжения для различных производств и предприятий

.........]........

о о.| * ом

очень сильно различается. Общие качественные оценки уровня устойчивости можно представить следующим образом. Устойчивость ЭТС к внутренним и внешним возмущениям можно считать хорошей, если допустимое время существования этого возмущения не меньше времени его ликвидации резервными ступенями защиты. Если это время не меньше времени ликвидации возмущения штатной защитой, то устойчивость следует оценивать как удовлетворительную. В ином случае оценка уровня устойчивости должна быть признана неудовлетворительной.

Наиболее распространенным методом исследования устойчивости является метод площадей, поскольку граница динамической устойчивости разделяет область параметров на области динамической устойчивости и неустойчивости. Эти области представлены на рис. 3.

Отношение площади устойчивости к общей площади дает некий коэффициент, который может характеризовать степень устойчивости ЭТС и имеет численное выражение. Этот коэффициент содержит как параметры статической, так и параметры динамической устойчивости.

с 1. / _ с с

^ _ уст _ пр неуст _ | _ неуст

у ~ V ~ I ./ ~ / '

^ общ 1 'мр 'пр

где Б общ - общая площадь, равная площади прямоугольника О^'^!.

Рис. 3. Области устойчивости и неустойчивости для границы динамической

устойчивости ЭТС

Граница динамической устойчивости ЭТС представляет собой гиперболу. Чтобы осуществить применение метода площадей надо ограничить время возмущения. Иначе невозможно рассчитать величину

любой площади, так как она бесконечна. Представляется целесообразным определять это время как время срабатывания резервной или штатной защиты. Таким образом, ось ординат ограничена временем !пр, ось абсцисс ограничена относительной единицей.

Коэффициент устойчивости имеет пределы от 0 до 1. Точка е'жт определяется как пересечение функции г =/(ежп) (I) и г =

Коэффициент устойчивости для асинхронных ЭТС определяется формулой:

Предложенный коэффициент позволяет оценивать эффективность мероприятий по повышению устойчивости предприятия, а также сопоставлять ЭТС в разных условиях, даже при разных параметрах защит, давать рекомендации при проектировании систем электроснабжения. При наличии статистики внешних возмущений на предприятии, т.е. закона распределения их параметров, коэффициент устойчивости позволит оценивать интенсивность критичных возмущений, приводящих к потере устойчивости.

В диссертации предложена стратегия управления режимом ЭТС предприятия при изменениях параметров питающей энергосистемы, позволяющая не снижать устойчивость узлов электродвигательной нагрузки при уменьшении мощности источника электроснабжения. Основное назначение средств регулирования напряжения, установленных в центрах их питания (шины районных подстанций и 11111 предприятий), состоит в обеспечении допустимых отклонений напряжения у электроприемников (в основном - двигателях). В настоящее время в центрах питания сетей 6 и 10 кВ, как правило, применяют трансформаторы с устройством регулирования под нагрузкой (РПН), которое позволяет обеспечивать встречное регулирование напряжения. Таким образом, на предприятиях нефтяной и газовой промышленности при изменении мощности энергосистемы, то есть при изменении значения реактивного сопротивления изменяют напряжение ЭТС для того, чтобы напряжение на конечных потребителях оставалось неизменным. Такое изменение происходит по линиям нормального режима. На рис. 4 эта линия проходит через точки 2136 (1 стратегия).

г

х

^ осп

Регулирование напряжения обязательно отразится на устойчивости ЭТС.

О О.оя (НИ, 0 117 НИХ <(.()м

Рис. 4. Расположение точек на областях устойчивости ЭТС

Представляется, что такое регулирование не оптимально с позиций сохранения устойчивости Предлагается регулировать напряжение, используя линии одинакового значения времени динамической устойчивости тп На рис 4 эта линия проходит через точки 7145 (2 стратегия) Теперь, рассчитаем количественный коэффициент устойчивости для каждой точки и сравним эти стратегии.

Из рис. 5 видно, что при уменьшении мощности короткого замыкания питающей энергосистемы, то есть при увеличении ее эквивалентного реактивного сопротивления коэффициенты устойчивости при равных значениях реактивного сопротивления для стратегии 2 гораздо выше, чем для стратегии 1. Когда эквивалентное сопротивление питающей энергосистемы относительно невелико, происходит обратное, но такая ситуация для предприятий менее вероятна. Рис. 6 представляет зависимости потерь мощности от эквивалентного реактивного сопротивления питающей энергосистемы для двух стратегий. Очевиден тот факт, что при регулировании напряжения по линии одинакового значения времени динамической устойчивости тп потери мощности увеличиваются, но не значительно, поэтому этими потерями можно пренебречь.

Таким образом, регулирование падения напряжения оптимально по линиям одинакового значения времени динамической устойчивости тп. Это значительно повысит устойчивость ЭТС при небольшом увеличении потерь мощности.

Разработанная стратегия может быть использована в АСУ

энергоснабжением промышленных предприятий, чувствительных к

кратковременным нарушениям нормального режима работы электроснабжения.

Рис. 5. Зависимость коэффициентов устойчивости от реактивного сопротивления ЭТС для двух стратегий

'S

'4

2 1 ..........

7 ¡3

ОМ 004 0 09 ООО 007 006 Ом 000

Рис. 6. Зависимость потерь мощности Д Р от эквивалентного реактивного сопротивления питающей сети хс для двух стратегий

В третьей главе рассмотрены результаты исследований устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными

электроприводами (далее ЭТС со сметанным составом нагрузки либо ЭТС с синхронно-асинхронной нагрузкой).

Проведенные автором расчеты кривой динамической устойчивости ЭТС со смешанным составом нагрузки в координатах остаточного значения эквивалентной ЭДС и времени показывают существенное отличие данной кривой от аналогичной зависимости, получаемой для асинхронных ЭТС. Граница динамической устойчивости представлена на рис. 7. Характерной особенностью полученной зависимости представляется отсутствие непрерывности функции ifВид границы устойчивости ЭТС смешанною состава показывает, что двух параметров - значения ЭДС статической устойчивости (<?о) и времени динамической устойчивости (г„) для достоверной характеристики ЭТС смешанного состава недостаточно. В связи с этим представляется необходимым использовать в качестве третьего параметра, характеризующего устойчивость таких систем, значение остаточной ЭДС, при котором происходит разрыв функции, описывающей границу динамической устойчивости. Назовем эту величину граничным значением остаточной ЭДС - err-

Рис. 7. Граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава

Дальнейшим шагом при описании границы динамической устойчивости ЭТС смешанного состава должно быть установление вида функции, удовлетворительно описывающей данную зависимость. Выполненные расчеты показывают, что для описания границы динамической устойчивости на участке от граничного значения остаточной ЭДС до значения ЭДС статической устойчивости пригодны те же зависимости, что и для описания границы динамической устойчивости асинхронных систем при симметричных внешних возмущениях. Таким образом, граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при внешних

симметричных провалах напряжения может быть представлена в следующем виде:

г0 -—если е < еф т = \ а,

а, +—^-,если е>е1р,

еСУ еост

где есу, То и еГр с явным физическим смыслом; а,, а2 и а3 - коэффициенты аппроксимации.

Данное выражение предполагает использование всех величин ЭДС в единицах, относительных к номинальному значению. Для систем, включающих в свой состав явнополюсные и неявнополюсные синхронные двигатели, границы устойчивости практически полностью совпадают.

Граница динамической устойчивости распадается на две ветви, причем переход с одной ветви на другую происходит скачком от значения гГр| до значения Т\ Р2 Па начальном участке границы динамической устойчивости, то есть при малых значениях остаточной ЭДС, потеря динамической устойчивости обусловлена нарушением устойчивости именно синхронного электропривода. Наоборот, при больших значениях остаточной ЭДС устойчивость ЭТС смешанного состава теряется вследствие нарушения динамической устойчивости асинхронной части двигательной нагрузки. Таким образом, в данном случае отсутствие непрерывности кривой, описывающей границу динамической устойчивости, обусловлено различной физикой процессов, приводящих к потере устойчивости при различных значениях остаточной ЭДС.

Исследованиями установлено, что величина разрыва функции, то есть величина скачка при переходе значения остаточной ЭДС через значение ец>, существенно зависит от мощности питающей энергосистемы. При уменьшении мощности короткого замыкания питающей энергосистемы, то есть при увеличении ее эквивалентного сопротивления, величина скачка, как правило, уменьшается. Примеры границ динамической устойчивости при различных значениях реактивного сопротивления представлены на рис. 8. Как видно из рисунка, при определенном значении указанной величины сам скачок исчезает. Далее на функции, описывающей границу динамической устойчивости, проявляется только лишь разрыв производной функции т(ежп). При дальнейшем возрастании сопротивления кривая становится гладкой, и в таких ситуациях, устойчивость системы смешанного состава определяется практически только устойчивостью ее асинхронной составляющей. Данную закономерность можно связать с большей чувствительностью параметра г» динамической устойчивости асинхронной ЭТС к изменениям эквивалентного сопротивления питающей энергосистемы.

Рис. 8. Граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при различных значениях реактивного сопротивления

На рис. 9 представлены границы динамической устойчивости ЭТС при различных значениях эквивалентной ЭДС питающей энергосистем. Из рисунка видно, что в целом эти кривые хорошо описываются приведенной выше функцией (3.1); различны только три определяющих параметра: значение времени динамической устойчивости (гп); граничное значение ЭДС (е/рУ, значение ЭДС статической устойчивости (е( \ )- Следует заметить, чю чем меньше величина ЭДС, тем меньше скачок (величина ра)рыва функции), зато при величине эквивалентной ЭДС больше единицы величина разрыва несоизмеримо больше. Очевидно, величина разрыва зависит и от значения ЭДС питающей энергосистемы.

Выполнен анализ влияния состава ЭТС на показатели устойчивости системы. Результаты анализа позволили сформулировать ряд общих закономерностей.

1. Асинхронные ЭТС обладают большей динамической устойчивостью. Все исключения связаны только с теми случаями, в которых сопротивление питающей энергосистемы весьма вели ко.

2. В ситуациях, в которых питающая энергосистема обладает достаточно большим значением эквивалентного сопротивления, ЭТС смешанного состава обладают большей статической устойчивостью. При малых значениях названного сопротивления взаимное расположение кривых, описывающих границы динамической устойчивости, может быть обратным

3. ЭТС со смешанным составом нагрузки менее чувствительны к изменениям параметров питающей энергосистемы. При этом существенно меньшую чувствительность имеет параметр г„.

7

Г, С

1- Е = 11700 В

2- Е= 10800 В

3- Е = 9900 В

/

0.2

0.6

• I

0 7 0,6

еост<ол.

Рис. 9. Граница динамической устойчивости ЭТС смешанного состава при различных значениях ЭДС питающей сети

С практической точки зрения характер кривой, описывающей устойчивость асинхронной части ЭТС смешанного состава свидетельствует о том, что при потере устойчивости синхронной составляющей системы, возможно сохранить устойчивость оставшейся части асинхронной электродвигательной нагрузки. Если при этом синхронные приводы в целом не определяют устойчивость технологического процесса, то устойчивость предприятия к внешним возмущениям может оставаться приемлемой. Например, в ЭТС предприятий по добыче нефти целесообразно использование синхронных приводов, отключаемых на первой ступени разгрузки при возмущениях в системе внешнего электроснабжения, в системах поддержания пластового давления (ППД).

При разработке программ АПП для восстановления нормального режима работы ЭТС после критичных возмущений, целесообразно, по возможности размещать синхронные приводы на начальных ступенях пуска.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают ряд заметных отличий систем с чисто асинхронной нагрузкой от систем, имеющих в своем составе синхронные приводы. Поэтому при исследовании и проектировании ЭТС, имеющих в своем составе электродвигательную нагрузку, необходимо учитывать ее характер. /

Понятие коэффициента устойчивости можно распространить и на ЭТС со смешанной нагрузкой:

а]'егр + (а1 - Я3 )■ 1п 1 - — 1 + ■

1п

гле е„т =----

В четвертой главе рассмотрены результаты исследований устойчивости распределенной ЭТС нефтедобывающего предприятия ОАО «11ижневартовскнсфтегаз» с асинхронно-синхронной элсктродвигателыюй нагрузкой.

Хохряковско-Пермяковский узел электрической нагрузки обеспечивает электроэнергией потребителей нефтедобывающего предприятия ООО "Нижневартовскнефтегаз". По существующей на сегодняшний день схеме электроснабжения основными источниками - центрами питания являются шины 35 и 6 кВ подстанций "Хохрякове" и "Пермяк". Большая часть электрической нагрузки является электродвигательной. В соаав электродвигательной нагрузки входят высоковольтные двигатели (6 кВ): синхронные - мощностью 1600 кВт, асинхронные - мощностью 400, 500, 630, 800 кВт. В состав низковольтной нагрузки входят электроприводы насосов перекачки, установок механизированной добычи нефти: ЭЦП и СКН и др.

Исследования выполнялись с целью повышения эффективности и надежности работы системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки ООО ННП. Для этого были составлены схемы замещения для узлов электрической нагрузки системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки; определены параметры схем; подготовлены файлы данных по системе электроснабжения, электродвигателям и рабочим механизмам приводов; выполнены расчеты рабочих и переходных режимов в системе электроснабжения, в том числе расчет показателей устойчивости и коэффициентов устойчивости. Результаты расчета представлены в таблице I.

Таблица I

Значения параметров устойчивости систем электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки

Система электроснабжения Есуч В/ есу, о.е. То, с ЕГр, В/е,к о.е. Ку

ПС «Хохряково Т1» 4750/0,734 0,34 610/0,0943 0,296

ПС «Хохряково Т2» 5590 / 0,836 0,14 0,218

ПС «Пермяк Т1» действующая 5350/0,772 > 10 - 1

11С «Пермяк 12» действующая 6050/0,862 0,09 - 0,172

ПС «Пермяк Т1» проектная 4850/0,737 > 10 - 1

ПС «Пермяк 12» проектная 4550/0,700 0,85 - 0.564

ПС «Кошильская Т1» проектная 4600/0,719 > 10 — 1

ПС «Кошильская Т2» проектная 5350/0,833 0,11 0.2!

На основании полученных результатов можно сделать следующие практические выводы:

1. Статическая устойчивость узла «Пермяк 2 проектная» удовлетворительная, в целом статическая устойчивость узлов нафузки низка (еСу > 0,7).

2. Неудовлетворительной является динамическая устойчивость узлов нагрузки для которых гп<0,5 с - это узлы «Хохряково 1 действующая», «Хохряково 2 действующая», «Пермяк 2 действующая», «Кошильская 2 проектная». По ПС «Хохряково 1 действующая» динамическая устойчивость определяется выпадением из синхронизма СД, для остальных узлов - опрокидыванием асинхронной нагрузки.

3. Узлы нагрузки «Пермяк ! действующая», «Пермяк 1 проектная», «Кошильская I проектная» имеют коэффициент устойчивости равный единице. Коэффициент устойчивости «Кошильская 2 проектная» наименьший.

4. Разделение нагрузки «Пермяк 2 действующая» существенно улучшает ситуацию с уровнем устойчивости, но остается низкой динамическая устойчивость нагрузки ПС «Кошильская 2 проектная».

Такие параметры устойчивости как еСу и г0 не дают возможности полновесно оценивать техническую эффективность мероприятий по реконструкции системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки. Введение такого параметра, как коэффициент устойчивости, позволяет сравнивать эти параметры и давать общую характеристику устойчивости ЭТС в целом. Так, например, ЭДС статической устойчивости узла нагрузки «Пермяк 1 действующая» низкая, а время динамической устойчивости при провале напряжения до нуля высокое, но так как коэффициент устойчивости равен единице, то общую устойчивость ЭТС можно считать удовлетворительной.

Таким образом, оценена техническая эффективность мероприятий по реконструкции системы электроснабжения, используя коэффициент устойчивости, показана целесообразность реконструкции ЭТС путем разукрупнения нафузки, введения дополнительных центров питания.

В заключении диссертационной работы сформулированы следующие основные выводы и результаты проведенных исследований.

1. На основе уточненных определений понятий статической и динамической устойчивости подробно исследована устойчивость ЭТС с асинхронной электродвигательной нафузкой ~ при внешних многопараметрических возмущениях. Для таких ЭТС выполнено исследование влияния питающей энергосистемы на основные показатели устойчивости.

2. Предложен и обоснован количественный критерий оценки устойчивости ЭТС произвольного состава - коэффициент устойчивости. Установлены расчетные соотношения, позволяющие определить данный

коэффициент по значениям параметров устойчивости ЭТС и уставок защиты. Данный критерий позволяет учесть как собственно показатели устойчивости ЭТС, так и параметры противоаварийных релейных защит и автоматики.

3. Предложена стратегия управления режимом ЭТС при изменениях параметров питающей энергосистемы, позволяющая не снижать устойчивость узлов электродвигательной нагрузки при уменьшении мощности источника электроснабжения. Разработанная стратегия может быть использована в АСУ энергоснабжением промышленных предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям нормального режима работы электроснабжения.

4. Исследована устойчивость ЭТС предприятий со смешанным составом нагрузки к внешним возмущениям. Установлен вид границ динамической устойчивости ЭТС, предложено математическое описание границы устойчивости, показан физический смысл основных параметров, характеризующих устойчивость ЭТС смешанного состава.

5. Исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на показатели устойчивости ЭТС с асинхронно-синхронной нагрузкой. Для ЭТС с различным составом нагрузки показано отличие характеристик устойчивости и различие влияния на основные показатели устойчивости параметров питающей энергосистемы, показана необходимость учета параметров питающей энергосистемы при выборе типов электроприводов основных механизмов для предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

6. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности возмущения. Показано, что при возмущениях большой интенсивности потеря устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного двигателя, в то время как при возмущениях меньшей интенсивности потеря устойчивости вызывается нарушением устойчивости асинхронной составляющей электродвигательной нагрузки.

7. Показано, что использование синхронных двигателей значительной мощности в приводах с низкой степенью ответственности способно существенно улучшить показатели устойчивости ЭТС в целом.

8. Выполнено исследование устойчивости распределенной ЭТС нефтедобывающего предприятия ОАО «Нижневартовскнефтегаз» с асинхронно-синхронной электродвигательной нагрузкой. Показана целесообразность реконструкции ЭТС путем разукрупнения нагрузки, введения дополнительных центров питания. Показано, что проводимая реконструкция позволит снизить частоту критичных возмущений.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Новоселова Ю.В., Ефименко П.Н. Исследование устойчивости многомашинных электротехнических комплексов при внешних

многопараметрических возмущениях. Тезисы докладов 53 Межвузовской студенческой конференции «Нефть и газ-99». М., 1999.

2. Егоров A.B., Новоселова Ю.В. Устойчивость крупных многомашинных промышленных комплексов как элемент надежности системы электроснабжения. // Современные проблемы надежности систем энергетики: модели, рыночные отношения, управление реконструкцией и развитием. -М.: Нефть и газ, 2000. - С.229-242.

3. Егоров A.B., Новоселова Ю.В. Устойчивость асинхронных многомашинных комплексов при внешних многопараметрических возмущениях. // Промышленная энергетика, 2000, № 11. -С.24-27.

4. Ершов М.С., Егоров A.B., Новоселова Ю.В Трифонов A.A. К вопросу о влиянии параметров питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. // Научно-теоретические и методологические основы обеспечения энергонезависимости и энергоустойчивости объектов ОАО «ГАЗПРОМ». - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2001.-С. 25-34.

5. Новоселова Ю.В., Трифонов A.A. Учет синхронной нагрузки при анализе устойчивости ЭТС газовых комплексов. Тезисы докладов Четвертой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» сентябрь 2001 г - Москва.

6. Новоселова Ю.В. Моделирование синхронного генератора. Тезисы докладов Четвертой научно-технической конференции, посвященной 300-летию Инженерного образования в России «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» 2001 г - Москва.

7. Ершов М.С., Егоров A.B., Новоселова Ю.В. О влиянии состава нагрузки на устойчивость промышленных электротехнических систем. // Промышленная энергетика, 2004, № 10.

8. Новоселова Ю.В. Закономерности, описывающие устойчивость электротехнических систем с синхронными электроприводами. Тезисы докладов Шестой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина 2005г - Москва.

9. Новоселова (Репина) Ю.В. Количественная оценка устойчивости электротехнической системы. Коэффициент устойчивости. Тезисы докладов VII Международная конференция «Новые идеи в науках о земле» 2005г -Москва.

Подписано в печать 26/09/05 Объем - 1 п.л.

Формат 60x90/16 Тираж 100 экз. Заказ №

119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Отдел оперативной полиграфии РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина

» 1 8 5 53

РНБ Русский фонд

2006-4 19954

г

Введение 3.

1 Анализ и выбор средств моделирования электромеханических переходных процессов 9.

1.1. Статическая и динамическая устойчивость. Понятия, определения 9.

1.2. Причины нарушения устойчивости для ЭТС различного состава нагрузки. Критерии сохранения устойчивости 10.

1.3. Обоснование применимости модели электромеханических переходных процессов 13.

1.4. Анализ и выбор модели асинхронного привода 16.

1.5. Анализ и выбор модели синхронного привода 20.

1.6. Модель системы распределения электрической энергии и статических устройств 24.

1.7. Информационное обеспечение применяемых моделей 29.

1.8. Алгоритмическое и программное обеспечение расчетов 30.

1.8. Итоги и выводы 35.

2. Анализ устойчивости асинхронных электротехнических систем 36.

2.1. Показатели устойчивости 36.

2.2. Исследование устойчивости электротехнической системы при внешних многопараметрических возмущениях 41.

2.3. Исследование влияния параметров питающей энергосистемы на устойчивость асинхронных комплексов 49.

2.4. Количественная оценка устойчивости асинхронных электротехнических систем. Коэффициент запаса устойчивости 63.

2.5. Оптимальное управление режимом электротехнических систем при изменениях режима питающей энергосистемы 71.

2.6. Итоги исследования устойчивости асинхронных электротехнических систем 75.

3 Анализ устойчивости электротехнических систем смешанного состава 79.

3.1. Граница устойчивости электротехнических систем при наличии синхронных электроприводов 79.

3.2. Физический смысл параметров устойчивости электротехнических систем смешанного состава 83.

3.3. Сопоставление электротехнических систем различного состава 86.

3.4. Исследование влияния параметров питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава 93.

3.5. Количественная оценка запаса устойчивости электротехнических систем смешанного состава. Сопоставление коэффициента запаса устойчивости для электротехнических систем различного состава 102.

3.6. Оценка устойчивости электротехнических систем смешанного состава к внутренним возмущениям 106.

3.7. Общий анализ полученных результатов 111.

4. Исследование устойчивости системы электроснабжения

Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки 112.

4.1. Характеристика действующей и проектной систем электроснабжения узла нагрузки 112.

4.2. Сопоставление схем замещения, определение их параметров. Подготовка файлов данных 114.

4.3. Основные результаты расчета установившихся режимов системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки. 117.

4.4. Результаты расчета переходных процессов 121.

Актуальность проблемы. Проблема повышения устойчивости работы узлов электрической нагрузки крупных многомашинных промышленных комплексов становится все более актуальной по мерс укрупнения производства и усложнения технологических процессов.

В настоящее время эта проблема особенно остра для предприятии нефтяной и газовой промышленности. Электротехническая система (ЭТС) нефтегазового предприятия включает систему электроснабжения и приемники электрической энергии, число которых достигает десятков тысяч единиц, а установленная мощность - сотсн МВт [1]. Отличительными особенностями предприятий нефтегазового комплекса являются: непрерывность технологических процессов, большая единичная мощность электроприемннков, высокая цена остановки предприятия, экологическая напряженность технологического процесса. В ряде случаев ситуация осложняется определенным несоответствием потребностей промышленных электротехнических систем и возможностей питающей энергосистемы. Результатом такого несоответствия является высокая частота аварийных остановок производства, что приводит к потерям сырья и конечных продуктов, в том числе за счет сброса на факел, ухудшению качества продукции, осложнению экологической обстановки, ускоренному износу оборудования, значительным затратам па восстановление технологического режима. Предприятия нефтяной н газовой промышленности, для которых проводились исследования устойчивости, характеризуются высокой установленной мощностью электрооборудования, большой единичной мощностью электроприемннков, высокими требованиями к надежности электроснабжения, большой стоимостью аварийных остановок производства, и, часто, высокой концентрацией электрических нагрузок.

Сама потребность проведения анализа устойчивости ЭТС крупных промышленных комплексов возникла из практики их эксплуатации. Такие предприятия имеют не менее двух относительно независимых вводов -источников питания. Высокая степень структурного резервирования электроэнергетических систем делает маловероятной ситуацию, связанную с длительным нарушением нормального режима электроснабжения но двум вводам одновременно.

Анализ аварийных осциллограмм, документации предприятий и энергосистем по расследованию аварии показывает, что подавляющее большинство отключений связано с кратковременными возмущениями как в распределительных сетях питающей энергосистемы, так и на самом предприятии [2]. Несмотря на то, что длительность воздействия подобных возмущений достаточно мала, от десятых долей секунды до секунд, их последствия бывают достаточно тяжелы. На восстановление нормального режима работы предприятия могут потратить время, несопоставимое со временем самого аварийного возмущения: часы и десятки часов. Зачастую аварийная ситуация осложняется тем, что автоматическое включение резерва (АВР) на различных уровнях напряжения не приводит к быстрому восстановлению нормального режима работы. Есть основания полагать, что это связано с недостаточным быстродействием системы АВР, полное время срабатывания которой обычно находится в пределах нескольких секунд. Есть н другие сложности: ножаро- и взрывоопасность исходного сырья и конечных продуктов, высокая токсичность. Решением таких проблем может быть повышение устойчивости ЭТС предприятия к внешним многопараметрическим возмущениям, это позволит снизить частоту массовых отключений электрооборудования и облегчит их последствия. Проблема устойчивости узлов элсктродвигательной нагрузки разрабатывались многими исследователями [3-11]. Отдельные вопросы устойчивости промышленных ЭТС нефтегазовых комплексов и исследованы в диссертационных работах [12,13]. Некоторыми авторами были разработаны математические модели вполне удовлетворительно и достаточно просто описывающие поведение электрических машин в послеаварийных режимах [14-24]. Современные нефтегазовые комплексы оснащены как асинхронными, так и синхронными электроприводами. Соответствие асинхронных и синхронных приводов на разных предприятиях составляет от 10:1 до 1:10. Вопросы устойчивости ЭТС с асинхронной нафузкоп исследованы достаточно, в то время как ЭТС с асинхронно-синхронной (смешанный состав) нагрузкой исследовалась в меньшей степени. Таким образом, предлагаемая тема работы представляется весьма актуальной.

Большой вклад в решение проблемы устойчивости узлов электродвигательпой нагрузки внесли многие исследователи: А.И. Важнов, В.А. Веников, С.И. Гамазнн, А.А. Горев, Ю.Е. Гуревич, М.С. Ершов, П.С. Жданов, Е.Я. Казовекий, К.П. Ковач, В. Лайон, Б.Г. Меньшов, А.А. Горев, В.Ф. Снвокобылепко, И.А. Сыромятников и другие. На результатах и выводах, полученных этими учеными, во многом строились исследования автора. Представляемая работа выполнена в рамках научной школы «Надежность, устойчивость и безопасность электротехнических систем нефтяной и газовой промышленности», основанной профессором Б.Г. Меньшовым в Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина.

Цель работы заключается в разработке методов количественной оценки устойчивости ЭТС и способов увеличения устойчивости промышленных ЭТС для повышения надежности работы предприятия с непрерывным технологическим процессом при различном составе электродвигательпой нагрузки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выбрать средства моделирования электромеханических переходных процессов, а также модели двигателей и питающей энергосистемы, обосновать их применимость.

2. Выполнить анализ устойчивости ЭТС с асинхронными электроприводами при внешних возмущениях с целыо разработки стратегии управления режимом системы внутреннего электроснабжения при изменении режима работы источника электроснабжения.

3. Исследовать устойчивость ЭТС смешанного состава при внешних возмущениях в условиях различной мощности питающей энергосистемы. Выполнить сопоставление характеристик устойчивости ЭТС различного состава.

4. Разработать рекомендации для оценки и повышения устойчивости при проектировании и эксплуатации ЭТС, имеющих электродвигательную нагрузку различного состава.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в представленной работе являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС. В работе использовались положения и методы следующих областей знаний: теория электрических цепей, теория электрических машин, теория электропривода, математический анализ, математическое и компьютерное моделирование электротехнических систем, теория устойчивости электротехнических систем, теория катастроф.

Научная новизна результатов исследований. В представленной работе получены следующие новые научные результаты:

1. Предложен и обоснован количественный критерий оценки устойчивости ЭТС произвольного состава. Данный критерий позволяет учесть показатели устойчивости ЭТС и параметры противоаварийных релейной защиты и автоматики.

2. Приведено исследование устойчивости ЭТС со смешанным составом нагрузки. Получено описание границы устойчивости, определены параметры, достаточно адекватно описывающие устойчивость ЭТС, исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на показатели устойчивости таких ЭТС.

3. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности возмущения. Показано, что при возмущениях большой интенсивности потеря устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного двигателя, в то время как при возмущениях меньшей интенсивности потеря устойчивости вызывается нарушением устойчивости асинхронной составляющей электродвигательной на1рузки.

4. Разработана стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС при изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющая не снижать количественные характеристики устойчивости системы. Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Определение и способ вычисления коэффициента устойчивости ЭТС произвольного состава.

2. Основные закономерности, описывающие границу устойчивости ЭТС смешанного состава, физический смысл параметров, характеризующих устойчивость таких систем.

3. Закономерности влияния питающей энергосистемы на показатели устойчивости ЭТС смешанного состава.

4. Стратегия управления режимами работы промышленной ЭТС при изменениях режима питающей энергосистемы.

Обоснованность и достоверность результатов основных выводов подтверждается применением апробированных методов исследования, корректностью исходных предположений и допущений, совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Практическое значение работы заключается в следующем:

1. Разработана инженерная методика но определению количественной оценки устойчивости асинхронных и асинхронно-синхронных ЭТС, позволяющая выполнять количественную оценку изменения устойчивости ЭТС при реализации мероприятий, направленных па повышение устойчивости. При наличии информации о законе распределения параметров возмущающих воздействий данный данный параметр позволяет получать количественные оценки интенсивности нарушения устойчивости ЭТС.

2. Разработаны рекомендации по повышению устойчивости промышленных ЭТС за счет оптимального управления режимами нх работы при изменениях режима питающей энергосистемы, позволяющие увеличить устойчивость систем при незначительном увеличении потерь мощности.

3. Разработаны рекомендации по использованию компенсирующей способности синхронных двигателей для повышения устойчивости ЭТС смешанного состава. Учет особенностей характеристик устойчивости асинхронно-синхронных ЭТС на стадии их проектирования позволит существенно снизить частоту аварийных возмущений и облегчить их последствия.

Апробаиия работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

• на 53 Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-99» (Москва, 1999г),

• на 71-ом Всероссийском семинаре с международным участием им, ЮЛI. Руденко «Методические вопросы надежности больших систем энергетики» (Вышний Волочек, 2000г),

• 4-ой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России «Новые технологии в газовой промышленности» (Москва 2001 г),

• на 4-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 300-летию Инженерного образования в России (Москва 2001 г),

• на 6-ой научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», посвященной 75-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И.М. Губкина (Москва 2005г),

• на VII Международной конференции «Новые идеи в пауках о земле», (Москва 2005г),

• на научных семинарах кафедры «Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 1999-2005гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ. Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 75 наименований. Работа изложена па 135 страницах машинописного текста, содержит 41 рисунок и 9 таблиц.

4.5. Выводы и рекомендации

1. Статическая устойчивость узла «Пермяк 2 проектная» удовлетворительная, в целом статическая устойчивость узлов нагрузки низка (есу> 0,7).

2. Неудовлетворительной является динамическая устойчивость узлов нагрузки для которых г0<0,5 с - это узлы: «Хохряково 1 действующая», «Хохряково 2 действующая», «Пермяк 2 действующая», «Кошильская 2 проектная». По ПС «Хохряково 1 действующая» динамическая устойчивость определяется выпадением из синхронизма СД, для остальных узлов - опрокидыванием асинхронной нагрузки.

3. Узлы нагрузки «Пермяк 1 действующая», «Пермяк 1 проектная», «Кошильская 1 проектная» имеют ку равный единице, ку «Кошильская 2 проектная» наименьший.

4. Разделение нагрузки «Пермяк 2 действующая» существенно улучшает ситуацию с уровнем устойчивости, но остается низкой динамическая устойчивость нагрузки ПС «Кошильская 2 проектная».

Такие параметры устойчивости как еСУ и т0 не дают возможности полновесно оценивать техническую эффективность мероприятий по реконструкции системы электроснабжения Хохряковско-Пермяковского узла нагрузки. Введение такого параметра, как ку, позволяет сравнивать эти параметры и давать общую характеристику устойчивости ЭТС в целом. Так, например, ЭДС статической устойчивости узла нагрузки «Пермяк 1 действующая» низкая, а время динамической устойчивости при провале напряжения до нуля высокое, но так как ку равен единице, то общую устойчивость ЭТС можно считать удовлетворительной.

Таким образом, оценена техническая эффективность мероприятий по реконструкции системы электроснабжения, используя ку, показана целесообразность реконструкции ЭТС путем разукрупнения нагрузки, введения дополнительных центров питания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе уточненных определений понятий статической и динамической устойчивости подробно исследована устойчивость ЭТС с асинхронной элскгродвигатслыюй нагрузкой при внешних многопараметричсских возмущениях. Для таких ЭТС выполнено исследование влияния питающей энергосистемы на основные показатели устойчивости.

2. Предложена стратегия управления режимом ЭТС при изменениях параметров питающей энергосистемы, позволяющая не снижать устойчивость узлов электродвигательной нагрузки при уменьшении мощности источника электроснабжения. Разработанная стратегия может быть использована в АСУ эпергоснабжающих промышленных предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям нормального режима работы электроснабжения.

3. Предложен и обоснован количественный критерий оценки степени устойчивости ЭТС произвольного состава. Установлены расчетные соотношения, позволяющие определить данный коэффициент по значениям параметров устойчивости ЭТС и уставок защиты. Данный критерий позволяет учесть как собственно показатели устойчивости ЭТС, так и параметры противоаварийных релейной защиты и автоматики и применим для запаса устойчивости при внешних провалах напряжения, так и при внутренних возмущениях.

4. Исследована устойчивость ЭТС предприятий при наличии в их составе синхронных электроприводов к внешним возмущениям. Установлен вид границ динамической устойчивости ЭТС с синхронными электроприводами. Предложено математическое описание границы устойчивости, показан физический смысл основных параметров, характеризующих устойчивость ЭТС смешанного состава.

5. Исследовано влияние параметров питающей энергосистемы на показатели устойчивости ЭТС с синхронной нагрузкой. Для ЭТС с различного рода нагрузкой показано отличие характеристик устойчивости и различие влияния на основные показатели устойчивости параметров питающей энергосистемы, показана необходимость учета параметров питающей энергосистемы при выборе типов электроприводов основных механизмов для предприятий, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

6. Установлено, что физические процессы, приводящие к потере устойчивости, имеют различную природу в зависимости от интенсивности возмущения. Показано, что при возмущениях большой интенсивности потеря устойчивости обусловлена асинхронным режимом синхронного двигателя, в то время как при возмущениях меньшей интенсивности потеря устойчивости вызывается нарушением устойчивости асинхронной составляющей электродвигателыюй нагрузки.

7. Показано, что использование синхронных двигателей значительной мощности в приводах с низкой степенью ответственности способно существенно улучшить показатели устойчивости ЭТС в целом. Так, например, в ЭТС предприятий по добыче нефти целесообразно использование синхронных приводов, отключаемых на первой ступени разгрузки при возмущениях в системе внешнего электроснабжения, в системах ППД. При разработке программ АПП для восстановления нормального режима работы ЭТС после критичных возмущений, целесообразно, по возможности размещать синхронные приводы на начальных ступенях пуска.

8. Выполнено исследование устойчивости распределенной ЭТС нефтедобывающего предприятия с асинхронной и синхронной элсктродвигательной нагрузкой. Показана целесообразность реконструкции ЭТС путем разукрупнения нагрузки, введения дополнительных центров питания. Показано, что проводимая реконструкция позволит снизить частоту критичных возмущений.

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

2. Меньшов Б.Г., Шкута А.Ф., Федоров В.А., Ершов М.С., Егоров A.B. Астраханский ГПЗ: анализ надежности электроснабжения. // Газовая промышленность, 1990, № 4. С.22 - 25.

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

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

5. Страхов C.B. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. -М.: Госэнергоиздат,1960.

6. Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. М.: Энергия, 1970.

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

8. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Энергия, 1980.

9. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. -М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960.

10. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Okiiii A.A. Расчеты устойчивости и нротивоаварийиой автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

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

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

13. Горюнов О.Л. Метод оценки надежности и эффективности резервирования источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Дисс. . канд. техн. паук. М., 1999.

14. Горев Л.Л. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Госэнергоиздат, 1950.

15. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1962.

16. Ковач К.Л., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Л.: Госэнергоихдат, 1963.

17. Лайон В. Анализ переходных процессов в электрических машинах переменного тока. Л.: Госэнергоиздат, 1958.

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

19. Чабан В.И. Основы теории переходных процессов электромашинных систем. Львов: Вища школа, 1980.

20. Электромагнитные переходные процессы в асинхронном электроприводе. / М.М. Соколов, Л.П. Петров, Л.Б. Масандалов, В.А. Ледензон. М.: Энергия, 1967.

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

22. Гамазин С.И., Садыбеков Т.А. Переходные процессы в системах электроснабжения с электродвигательной нагрузкой. Алма-Ата: Гылым, 1991.

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

24. Казовский Е.Я., Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г., Рубисов Г.В. Анормальные режимы работы крупных синхронных машин. Л.: Наука, 1969.

25. Новоселова Ю.В., Ефименко П.Н. Исследование устойчивости многомашинных электротехнических комплексов при внешних многопараметрических возмущениях. Тезисы докладов 53 Межвузовской студенческой конференции «Нефть и газ-99». М., 1999.

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

27. Ершов М.С. Развитие теории, разработка методов и средств повышения надежности и устойчивости электротехнических систем многомашинных комплексов с непрерывными технологическими процессами. Дисс. . докт. техн. наук. М., 1995.

28. Ершов М.С., Егоров A.B., Яцспко Д.Е. Методы определения показателей качества электроснабжения промышленных комплексов. // Электричество, 1997, № 12.-С.2-7.

29. Ершов М.С., Егоров A.B. Вопросы повышения устойчивости электрической нагрузки промышленных систем электроснабжения. // Промышленная энергетика, 1994, № 3.

30. Меньшов Б.Г., Ершов М.С. Надежность электроснабжения газотурбинных компрессорных станций. М.: Недра, 1995.

31. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей. 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1985.

32. Важнов А.И. Электрические машины. -JL: Энергия, 1969.

33. Костенко М.П., Пиотровский J1.M. Электрические машины. Л.: Энергия, 1973.

34. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. Л.: Энергоатомиздат, 1983.

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

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

37. Казовский Е.Я., Рубисов Г.В. Переходные процессы в синхронных машинах при анормальных режимах в энергосистеме. СПб.: Наука, 1994.

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

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

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

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

42. Пиотровский Л.М. Электрические машины. -M.-JL: Госэнергоиздат, 1956.

43. Круг К.Л. Физические основы электротехники. 6-е изд. псрсраб. M.-JL: Госэнергоиздат, 1946.

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

45. Петренко Л.И. Электрические сети и системы. Киев: Вища школа, 1981.

46. Федоров A.A. Основы электроснабжения промышленных предприятий. -М.: Энергия, 1972.

47. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем.-М.: Энергоатомиздат, 1988.

48. Справочник по проектированию электроэнергетических систем. / Под ред. С.С. Рокотяна и И.М. Шапиро. 3-е изд. М.: Энергоатомиздат, 1985.

49. Ершов М.С., Егоров A.B., Трсгубова С.И. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания узлов электрической сети. // Промышленная энергетика, 1990, № 11. С.26- 28.

50. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров A.B. Определение эквивалентных параметров питающей сети для расчета короткого замыкания узла нагрузки. /Электричество, 1993, № 10.-С.19-22.

51. Егоров A.B. Устойчивость промышленных электротехнических систем при возмущениях в системах электроснабжения. Дисс. . докт. техн. наук. М. 2004.

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

53. Белоусенко И.В., Югай В.Ф. О влиянии точности основных исходных данных на расчет параметров устойчивости узла электрической нагрузки. // Промышленная энергетика, 2003, № 2. С.25-28.

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

55. Ершов М.С., Егоров A.B., Яцспко Д.Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. // Промышленная энергетика, 1997, № 5. -С.26-28.

56. Ершов М.С., Егоров A.B., Одинец A.C. Энергетические показатели устойчивости асинхронных многомашинных промышленных комплексов. // Промышленная энергетика, 1999, № 2. С.20-23.

57. Егоров A.B., Новоселова Ю.В. Устойчивость асинхронных многомашинных комплексов при внешних многопараметрических возмущениях. // Промышленная энергетика, 2000, № 11. С.24-27.

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

59. Меньшов Б.Г., Суд И.И. Электрификация предприятий нефтяной и газовой промышленности. М.: Недра, 1984.

60. Арнольд В.И. Теория катастроф. М.: Наука, 1990.

61. Томпсон Дж.М.Т. Неустойчивость и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985.

62. Новоселова Ю.В. (Репина) Количественная оценка запаса устойчивости электротехнической системы. Коэффициент запаса устойчивости. Тезисы докладов VII Международная конференция «Новые идеи в науках о земле» 2005г Москва.

63. Осин И.Л., Шакарян Ю.Г. Электрические машины. Синхронные машины. -М.: Высшая школа, 1990.

64. Абрамович Б.Н., Круглый A.A. Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных двигателей. JL: Энергоатомиздат, 1983.

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

66. Ершов М.С., Егоров A.B., Федоров В.Л., Великий С.Н. Адаптация управления системами промышленного электроснабжения на базе автоматизированных средств защиты и методов искусственного интеллекта. // Промышленная энергетика, 2000, № 7. С.24 - 28.

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