автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Влияние параметров электротехнических систем на расчетные показатели устойчивости узлов нагрузки промышленных комплексов с учетом достоверности исходных данных

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ

1.1. Характеристика электропотребителей и технологических объектов, проблема устойчивости электротехнических систем газоперерабатывающих комплексов

1.2. Методика расчета параметров устойчивости узлов электрической нагрузки промышленных предприятий

1.3. Влияние исходных параметров и их достоверности на результаты расчетов параметров устойчивости узлов электрической нагрузки

1.4. Задачи исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ДОСТОВЕРНОСТИ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ НА РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ КОМПЛЕКСОВ

2.1. Расчетные схемы систем электроснабжения для тестовой оценки влияния достоверности исходных данных на значения параметров устойчивости

2.2. Анализ влияния исходных параметров на параметры устойчивости узлов с однородной и неоднородной нагрузкой

2.3. Факторные математические модели для оценки влияния исходных данных и их достоверности на параметры устойчивости

2.4. Компьютерное моделирование влияния исходных данных и их достоверности на параметры устойчивости электротехнической системы Астраханского

2.5. Итоги исследования и выводы

3. ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПИТАЮЩЕИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПАРАМЕТРОВ УСТОЙЧИВОСТИ УЗЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

3.1. Метод экспериментального определения параметров питающей энергосистемы

3.2. Экспериментальная проверка методов определения параметров питающей энергосистемы

3.3. Оценка эффективности метода экспериментального определения параметров энергосистемы для повышения достоверности результатов расчета параметров устойчивости

3.4. Итоги исследования и выводы

4. ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ И ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКИ ДЛЯ РАСЧЕТОВ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ 84 4.1. Экспериментальное определение показателей инерционности электроприводов

4.2. Определение фактического коэффициента загрузки двигателей электроприводов

4.3. Приемы и правила эквивалентирования электродвигательной нагрузки при расчетах устойчивости

4.4. Оценка эффективности экспериментального определения параметров электроприводов для повышения достоверности результатов расчета параметров устойчивости

4.5. Итоги исследований и выводы

Актуальность проблемы. Исследования выполнены на примере электротехнических систем газоперерабатывающих промышленных комплексов. Газоперерабатывающие комплексы (ГК) являются крупными промышленными предприятиями, характеризующимися непрерывной технологией, большой (сотни МВт) установленной мощностью потребителей электроэнергии и отдельных электроприемников. Свыше 90% электроприемников составляют электродвигатели переменного тока. Более половины потребителей электроэнергии ГК по надежности электроснабжения относятся к первой категории, поэтому в системах электроснабжения таких предприятий предусмотрено наличие не менее двух взаимно резервируемых источников питания. Основными источниками питания ГК являются источники внешнего электроснабжения - вводы от энергосистемы на напряжение 35, 110 или 220 кВ. Одновременные длительные отключения питания предприятий со стороны энергосистемы маловероятны. Наибольшее число отказов электроснабжения, сопровождаемых массовыми отключеньями основных потребителей электроэнергии ГК, обусловлено кратковременными (доли секунды) нарушениями электроснабжения. Так по данным эксплуатации системы электроснабжения Астраханского газоперерабатывающего завода за несколько лет число отключений основных узлов нагрузки из-за кратковременных нарушений электроснабжения превышало 30 отключений за год. Такие нарушения проявляются в основных узлах нагрузки (шины распределительных устройств на напряжение 6 (10) кВ) предприятия в виде провалов напряжения различной глубины и длительности. Как правило, провалы напряжения происходят из-за коротких замыканий в системах внутреннего и, особенно, внешнего электроснабжения, неизбежных при эксплуатации протяженных электрических сетей. Критические провалы напряжения могут приводить к нарушениям устойчивости узлов электрической (электродвигательной) нагрузки, которые проявляются в том, что после провала напряжения электроприемники и электротехническая система в целом не может выйти на исходный рабочий режим. В этом случае на ГК предусмотрено аварийное отключение узлов с последующим автоматическим повторным включением групп электроприемников. Тем не менее, внезапные массовые отключения электрооборудования приводят к нарушению технологических процессов предприятия, что сопровождается не только сокращением выпуска продукции, но и прямыми потерями сырья. Для газовых комплексов, работающих на сырье с высоким содержанием токсичных веществ (например, сероводорода), проблема усугубляется ухудшением экологической обстановки из-за выбросов не полностью переработанного сырья в атмосферу. Для того чтобы отключения происходили только при критичных провалах напряжения, что позволит сократить число необоснованных отключений узлов нагрузки в ситуациях, при которых их устойчивость сохраняется, необходимо рассчитать границы устойчивости узлов. Расчетные параметры устойчивости используются для обоснованного выбора параметров релейных защит и автоматики, действующих при потере питания.

Определение параметров границ устойчивости производится на основании расчетов электромеханических переходных процессов электротехнической системы (системы электроснабжения и электроприемников). Параметры устойчивости узлов нагрузки зависят от многих исходных характеристик источников питания и нагрузки. Вопросы расчета устойчивости промышленных электротехнических систем разрабатывались исследователями различных отечественных и зарубежных научных школ и отражены во многих научных трудах [1-11]. В этих трудах основное внимание было уделено разработке математических моделей, алгоритмов, программ и методик компьютерного моделирования устойчивости, вопросам управления электротехническими системами в аварийных и послеаварийных режимах. Вопросам информационного обеспечения расчетов уделялось меньшее внимание. В то же время, расчеты показывают, что изменение даже отдельных исходных параметров может оказывать большое влияние на результаты определения параметров устойчивости, на их точность. Назрела необходимость оценки влияния достоверности исходных данных на точность определения параметров устойчивости, необходимость обобщения и развития методов более достоверного определения тех данных, которые в наибольшей степени влияют на результаты расчета параметров устойчивости узлов электрической нагрузки электротехнических промышленных систем. Решение этой задачи должно способствовать более адекватной оценке устойчивости узлов нагрузки систем промышленного электроснабжения и, как следствие, сокращению необоснованных отключений электрооборудования, уменьшению экономических потерь. В соответствии с выше отмеченными особенностями технологии задача является особенно актуальной для электротехнических систем газоперерабатывающих комплексов.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является повышение достоверности определения параметров устойчивости узлов электрической нагрузки для более эффективного управления и повышения надежности работы систем электроснабжения промышленных комплексов при аварийных возмущениях.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи.

1. Разработать факторные математические модели для оценки влияния точности исходных данных на достоверность расчетных параметров устойчивости узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов.

2. Разработать методику экспериментального определения эквивалентных параметров питающей энергосистемы, ориентированную на применение в системах электроснабжения предприятий с непрерывным производством.

3. Разработать методику, предназначенную для массового экспериментального определения показателей загрузки двигателей и инерционности электроприводов в процессе эксплуатации.

4. Выполнить проверку и модификацию существующих методов эквивалентирования электродвигательной нагрузки и определить правила и ограничения эквивалентирования при расчетах параметров устойчивости узлов электрической нагрузки промышленных комплексов.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования явились электротехнические системы промышленных комплексов газовой отрасли. Исследования выполнены с использованием теории планирования эксперимента, теории электрических цепей, теории электропривода, теории устойчивости электротехнических систем и методов математического моделирования электротехнических систем.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Факторные математические модели для оценки влияния исходных данных и их точности на расчетные параметры устойчивости узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов и их достоверность.

2. Метод экспериментального определения используемых в расчетах устойчивости эквивалентных параметров источников питания, ориентированный на применение в системах электроснабжения предприятий с непрерывным производством, включая газоперерабатывающие комплексы.

3. Методика экспериментального определения инерционности электроприводов и показателей загрузки электродвигателей в процессе эксплуатации многомашинных электротехнических систем.

4. Правила эквивалентирования электроприводов при расчетах параметров устойчивости узлов электрической нагрузки промышленных комплексов.

Научная новизна результатов исследований.

1. Получены регрессионные зависимости, позволяющие оценить степень влияния наиболее значимых исходных факторов (параметров: сопротивления и ЭДС источника питания; коэффициента загрузки и момента инерции электроприводов) на параметры устойчивости узлов промышленной электрической нагрузки. Выполнено ранжирование исходных параметров по степени влияния на параметры устойчивости. Получены оценки влияния точности исходных параметров на достоверность расчетных параметров устойчивости.

2. Разработан и апробирован метод экспериментального определения параметров источников питания (эквивалентных сопротивления и ЭДС) узлов электрической нагрузки. Предложенный метод отличается тем, что позволяет сократить объем проводимых экспериментов, ограничиться опытами двух рабочих режимов и исключить опыт холостого хода, связанный с отключением нагрузки узла, что обеспечивает преимущество его применения в системах электроснабжения промышленных комплексов с непрерывными технологическими процессами.

3. Предложена модификация методов экспериментального определения момента инерции электроприводов и коэффициента загрузки электродвигателей, положенных в основу методики оценки указанных параметров, ориентированной на применение в процессе эксплуатации многомашинных электротехнических систем.

4. Установлены правила и предложены уточняющие математические выражения для эквивалентирования электроприводов при расчетах параметров устойчивости узлов электрической нагрузки многомашинных электротехнических систем промышленных комплексов.

Обоснованность и достоверность результатов. Определяется применением апробированных методов исследования, использованием достаточных объемов статистических данных, подтверждается совпадением расчетных и экспериментальных результатов.

Практическое значение работы. Результаты работы доведены до инженерных рекомендаций по расчету параметров устойчивости узлов промышленной электрической нагрузки. Применение разработанных методик позволяет повысить точность определения параметров устойчивости, обеспечить более обоснованный выбор параметров защит от потери питания, более полно использовать запас устойчивости узлов, сократить число массовых отключений электрооборудования при возмущениях в системах электроснабжения действующих промышленных комплексов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й и 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России (г. Москва, 2001 и 2003 гг.), на Всероссийской научной конференции «Новые технологии в газовой промышленности» (г. Москва, 2002 г.), на научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2000 - 2003 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 40 наименований. Общий объем работы составляет 164 печатных страниц, в том числе 123 страниц основного текста и 40 страниц приложений. Текст работы содержит 38 рисунков и 35 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена важная научно-техническая задача, заключающаяся в исследовании влияния параметров электротехнических систем на устойчивость узлов электрической нагрузки и повышении достоверности расчетных параметров устойчивости для более эффективного управления и повышения надежности работы систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. При этом получены следующие основные результаты:

1. Разработаны факторные математические модели и получены регрессионные зависимости для оценки влияния исходных данных и их точности на расчетные параметры устойчивости узлов электрической нагрузки газоперерабатывающих комплексов и на их достоверность;

2. Установлено, что на напряжение статической устойчивости наибольшее влияние в порядке убывания оказывают следующие параметры электротехнической системы: сопротивление питающей энергосистемы и значения коэффициента загрузки электродвигателей. На время динамической устойчивости наибольшее влияние в порядке убывания оказывают следующие параметры электротехнической системы: момент инерции электроприводов; сопротивление питающей энергосистемы; эквивалентная ЭДС питающей энергосистемы; коэффициент загрузки электродвигателей;

3. Установлено, что в условиях реальной достоверности исходных данных погрешность результатов расчета напряжения статической устойчивости может считаться удовлетворительной. Для получения достоверных расчетных значений времени динамической устойчивости необходимо разработать методы более точного определения параметров энергосистемы и электроприводов. Определены требования к точности исходных данных;

4. Разработан метод экспериментального определения параметров источников питания (эквивалентных сопротивления и ЭДС) узлов электрической нагрузки, отличающийся тем, что позволяет сократить объем проводимых экспериментов и исключить полные отключения нагрузки узла в процессе опытов, что обеспечивает преимущество его применения в системах электроснабжения газоперерабатывающих комплексов;

5. Разработаны модифицированные методы определения момента инерции электроприводов и коэффициента загрузки электродвигателей, а также предложены правила подготовки исходных данных по электроприводам. Разработана методика оценки параметров электроприводов, предназначенная для применения в процессе эксплуатации многомашинных электротехнических систем газоперерабатывающих комплексов;

6. Предложены уточняющие математические выражения для эквивалентирования электроприводов узлов электрической нагрузки. Установлены правила эквивалентирования, рекомендованные к применению при расчетах параметров устойчивости узлов электрической нагрузки многомашинных электротехнических систем газоперерабатывающих комплексов;

7. Показано, что применение предложенных методов определения исходных параметров повышает достоверность расчета параметров устойчивости и в итоге может способствовать снижению числа необоснованных отключений узлов электрической нагрузки на 15%.

1. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. Л. А. Жукова. -М.: Энергия, 1979 г.

2. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и устойчивость: Пер. с англ./ Под ред. Я. Н. Лугинского. М.: Энергия, 1980 г.

3. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 1985 г.

4. Воропай Н. И. Упрощение математических моделей динамики электроэнергетических систем. Новосибирск: Наука, 1981 г.

5. Идельчик В. И., Крумм Л. А. К расчету режимов электроэнергетических систем при неопределенном характере исходной информации// Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1973 г. - №3.

6. Гамазин С. И., Ставцев В. А., Цырук С. А. Переходные процессы в системах промышленного электроснабжения, обусловленные электродвигательной нагрузкой. М.: Издательство МЭИ, 1997 г.

7. Гамазин С. И. Устойчивость узлов нагрузки в системах электроснабжения. М.: МЭИ, 1977 г.

8. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Окин А. А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

9. McCauley Т. М. Disturbance dependent electromechanical equivalent for transient stability studies// IEEE Power Eng. Soc. Conf., N.Y., 1975 yars.

10. Меньшов Б. Г., Ершов М. С., Яризов А. Д. Электротехнические установки и комплексы в нефтегазовой промышленности: Учеб. для вузов. -М.: Недра, 2000 г.

11. Методика определения границ устойчивости, показателей надежности и выбора параметров защит узлов электрической нагрузки системэлектроснабжения газовых комплексов// М. С. Ершов, А. В. Егоров, И. В. Белоусенко и др. М.: ОАО «Газпром», 2001 г.

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

13. Правила устройства электроустановок. Издание 6-е переработанное и дополненное с изменениями. — М.: Главгосэнергонадзор России, 1998 г.

14. Справочник по проектированию электроснабжения/ Под ред. Ю. Г. Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

15. Меньшов Б. Г., Ершов М. С., Шкута А. Ф., Егоров А. В. Астраханский ГПЗ: анализ надежности электроснабжения. Газовая промышленность, 1990 г., №4.

16. Ершов М. С., Егоров А. В., Федоров В. А. Некоторые вопросы повышения устойчивости электроприводов многомашинных комплексов с непрерывными технологическими процессами при возмущениях в системе электроснабжения. Промышленная энергетика, 1992 г., №7.

17. Ершов М. С., Егоров А. В., Яценко Д. Е. О влиянии параметров энергосистемы на устойчивость узлов электрической нагрузки промышленных предприятий. Промышленная энергетика, 1997 г., №5.

18. Ершов М. С., Егоров А. В. Влияние параметров электротехнической системы на устойчивость узлов электрической нагрузки. Промышленная энергетика, 1998 г., №3.

19. Майер В. Я., Галак И. J1. практическое определение параметров коротеого замыкания на секциях подстанций. Промышленная энергетика, 1989 г., № 6.

20. Адлер Ю. П. Введение в планирование эксперимента. М.: Металлургия, 1969 г.

21. Финни Д. Введение в теорию планирования эксперимента/ Пер. с англ. М.: Наука, 1970 г.

22. Планирование эксперимента в технике/ Под ред. Б. П. Креденце-ра. Киев: Техшка, 1984 г.

23. Белоусенко И. В., Югай В. Ф. Оценка влияния основных параметров систем промышленного электроснабжения на устойчивость узлов электрической нагрузки. Промышленная энергетика, 2002 г., № 10.

24. Югай В. Ф. Исследование влияния параметров нагрузки и энергосистемы на устойчивость системы внутреннего электроснабжения/Тезисы докладов в кн.: «Новые технологии в газовой промышленности». М.: Нефть и газа, 2001 г.

25. Бронштейн И. Н., Семендяев К. А. Справочник по математике для инженеров. М.: Наука, 1980 г.

26. Югай В. Ф. О влиянии точности основных исходных данных на адекватность расчета параметров устойчивости узлов электрической нагрузки/ Тезисы докладов в кн.: «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», 2003 г.

27. Белоусенко И. В., Югай В. Ф. О влиянии точности основных исходных данных на расчет параметров устойчивости узла электрической нагрузки. Промышленная энергетика, 2003 г., №2.

28. Ершов М. С., Егоров А. В., Трегубова С. И. Экспериментальное определение параметров источника питания узла нагрузки. Промышленная энергетика, 1990 г., №11.

29. Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин. -JL: Энергоатомиздат, 1984 г.

30. Михайлов О. П. Динамика электромеханического привода. М.: Машиностроение, 1989 г.

31. Гольдберг О. Д. Испытания электрических машин. Учеб. Для вузов. М.: Высш. Шк., 1990 г.

32. Голодное Ю. М. Самозапуск электродвигателей. 2-е изд., пере-раб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985 г.

33. Справочник по электрическим установкам высокого напряжения/ Под ред. И. А. Баумштейна, С. А. Бажанова. М.: Энергоатомиздат, 1989 г.

34. Собственные нужды тепловых электростанций/Э. М. Аббасова, Ю. М. Голоднов, В. А. Зильберман, А. Г. Мурзаков; Под ред. Ю. М. Го-лоднова. -М.: Энергоатомиздат, 1991 г.

35. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ/ В. И. Корогодский, С. JI. Кужеков, JI. Б. Паперно. М.: Энергоатомиздат, 1987 г.

36. Гуревич Ю. Е., Либова JI. Е., Хачатрян Э. А. Устойчивость нагрузки электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1981 г.

37. Коварский Е. М., Янко Ю. И. Испытание электрических машин. -М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

38. Справочник по электропотреблению в промышленности/ Под ред. Г. П. Минина и Ю. В. Копытова. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия, 1978 г.

39. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий: Проектирование и расчет/ А. С. Овчаренко и др. Киев: Техшка, 1985 г.