автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Влияние параметров системообразующих связей на режимы и процессы в промышленных электротехнических системах

□□34769Ш

На правах рукописи

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМООБРАЗУЮЩИХ СВЯЗЕЙ НА РЕЖИМЫ И ПРОЦЕССЫ В ПРОМЫШЛЕННЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2009

003476918

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

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Егоров Андрей Валентинович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Белоусенко Игорь Владимирович

кандидат технических наук, доцент Пупин Валерий Михайлович

Ведущая организация - ОАО "Газавтоматика"

Защита диссертации состоится « /3 » 2009 года в часоц/^ минут на

заседании диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа им. И.М. Губкина по адресу: Ленинский проспект, 65, Москва, ГСП-1, 119991, Россия, ауд. 308.

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

Автореферат разослан « ¿У» 2009 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета д.пед.н., проф.

.ЛГШатуновский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Повышение надежности, стабильности и управляемости процессов электроснабжения промышленных комплексов с непрерывным технологическим циклом производства по-прежнему остается одной из актуальных задач, особенно для предприятий нефтяной и газовой отрасли. Степень работоспособности и исправное функционирование всего нефтегазового комплекса в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.

Характерными особенностями, отличающими предприятия нефтяной и газовой промышленности, являются: сложность и напряженность технологических процессов, укрупнение основных производственных ресурсов, критично высокая цена остановки производства, риск обострения экологической обстановки. Электротехническая система (ЭТС) таких предприятий представляет собой совокупность сложных многомашинных подсистем, и состоит из системы электроснабжения и приемников электрической энергии, число которых может достигать десятков тысяч, а единичная мощность нескольких мегаватт.

Специфика становления нефтегазового комплекса обусловила появление и развитие основных промысловых производств и предприятий транспорта и переработки сырья в достаточном удалении от центральных областей с более совершенной электроэнергетической инфраструктурой. Следствием этого является применение собственных источников электроэнергии - электростанций собственных нужд (ЭСН), работающих автономно или параллельно с энергосистемой (ЭС). При этом расширилось представление о самой системе электроснабжения промышленных предприятий, которая стала включать в себя не только преобразовательные пункты и распределительные сети, но и автономные генерирующие подсистемы.

Обычно электроснабжение промышленных предприятий, в том числе и нефтегазовой отрасли, осуществлялось централизованно от единой энергосистемы, которая должна была обеспечивать требуемый высокий уровень надежности электроснабжения. Однако, участившиеся в последнее время кризисные явления различного масштаба, приводящие к возмущениям в энергосистеме, свидетельствуют о негативном изменении ситуации в сторону снижения уровня надежности электроснабжения от централизованного источника питания. В этом проявляется определенный конфликт потребностей промышленных электротехнических систем и возможностей питающей энергосистемы, который сопровождается увеличением частоты аварийных остановок производства, ускоренным износом оборудования, потерей сырья и конечных продуктов, ухудшением качества продукции, осложнением экологической обстановки, значительными финансовыми затратами на восстановление нормального технологического режима.

Для борьбы с причинами нарушения нормального режима электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами на сегодняшний день существуют различные подходы и методы, которые продолжают совершенствоваться по мере развития соответствующей научно-технической базы. Основные способы решения обсуждаемых проблем заключаются в повышении устойчивости ЭТС предприятий к внешним возмущениям и бесперебойности их режима электроснабжения, что позволяет сократить или исключить вовсе массовые

отключения критичного электрооборудования, а значит и снизить затраты на ликвидацию последствий различного рода нарушений.

Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями. Некоторые вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в отдельных публикациях и диссертационных работах. Разработанные и успешно применяемые специализированные программные продукты предоставляют возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление данной области знаний, а также пересмотреть и дать более строгую оценку приемлемым погрешностям и вводимым допущениям. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с ЭСН раскрывает существующие в этой сфере проблемы, частично касающиеся неполноты соответствующей научной базы, особенно в области режимного управления. Для принятия обоснованных и правильных решений на стадии проектирования и реконструкции подобных систем ощущается нехватка научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов.

Предлагаемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными и асинхронными машинами и разработке рекомендаций, способствующих получению более точных и строгих оценок параметров различных режимов для повышения надежности электроснабжения таких систем, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в повышении точности и достоверности оценки результатов расчетов режимов и устойчивости электротехнических комплексов нефтяной и газовой промышленности и получении более строгих представлений о разграничении ряда задач с общепринятыми допущениями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ существующего положения, касающегося основных используемых допущений и степени их применимости к задачам расчета режимов и устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными машинами.

2. Определить адекватные модели переходных и установившихся процессов, а также провести анализ соответствующих моделей электрических машин и систем электроснабжения, выбрать инструменты расчетов, обосновать их применимость.

3. Исследовать устойчивость ЭТС с синхронными и асинхронными машинами при изменении параметров системы электроснабжения с целью получения количественных и качественных оценок их влияния на основные показатели устойчивости и установления приемлемого математического описания такого влияния.

4. Исследовать условия транзита мощности в электротехнических системах с ЭСН при различных схемах и вариантах реализации транзитного канала мощности для обоснованного выбора подходящей стратегии регулирования и управления параметрами генераторов электростанций.

5. Сформировать основные предложения и рекомендации, способствующие повышению точности и достоверности результатов расчетов устойчивости узлов электродвигательной нагрузки, а также совершенствованию методов режимного

управления в электротехнических системах с синхронными и асинхронными машинами.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. В качестве иллюстраций проведения исследований для удобства рассмотрения полученных результатов используются несколько характерных примеров электротехнических систем и их фрагментов с синхронными и асинхронными машинами. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Показано существенное и неоднозначное влияние характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Проведена количественная и качественная оценка такого влияния.

2. Получены приемлемые математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от параметров сопротивления системы электроснабжения. Обоснована целесообразность решения отдельных задач устойчивости синхронных электроприводов только численными методами.

3. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН. Установлено, что выбор методов управления экспортом электроэнергии определяется преобладающим характером сопротивления транзитной линии, который выступает как некий ограничивающий фактор.

4. Получены аналитические зависимости, способствующие совершенствованию методической базы расчета и анализа устойчивости электротехнических систем, содержащих синхронные машины.

5. Предложены рекомендации и указаны ограничения, которые могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электротехническими системами с ЭСН, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации таковых.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Количественная и качественная оценка влияния характера эквивалентного сопротивления ЭС и системы электроснабжения в целом на основные показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами.

2. Математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от характера сопротивления системы электроснабжения.

3. Целесообразность уточнения и дополнения представления о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН.

4. Рекомендации и ограничения режимного управления транзитом активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования

электротехнических систем, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Разработаны рекомендации, способствующие проведению более точных расчетов устойчивости электротехнических систем с синхронными машинами. Получены аналитические зависимости, достаточно полно характеризующие основные показатели устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки.

2. Выполнен анализ статических режимов транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, показаны основные условия и ограничения. Предложен подход к определению пропускной способности транзитного канала мощности.

3. Подготовлено и внедрено в учебный процесс учебное пособие - "Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением", - предназначенное для студентов высших учебных заведений по нефтегазовому образованию.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах:

• на 60-ой Межвузовской студенческой конференции "Нефть и газ - 2006" (Москва, 2006);

• на 7-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2007);

• на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2007);

• на научно-практической конференции "Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы" (Москва, 2008);

• на IX Международной конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2009);

• на научных семинарах кафедры "Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (2006-2009гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, и одно учебное пособие с грифом УМО.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 38 рисунков и 4 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, задачи и методы исследования, определены основные научные положения, выносимые на защиту, отмечена их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ состояния и уровня развития теоретической и практической базы в области исследования и моделирования режимов и процессов в электротехнических системах. Акцентируются вопросы о различных факторах, в той или иной мере влияющих на протекающие в системах процессы. Анализируются основные допущения и границы их применимости, введенные и принятые еще ранними исследователями, а также указываются причины таких решений.

Одним из важных и основополагающих допущений является представление о чисто индуктивном характере входного сопротивления энергосистемы. Однако распространять такое предположение на весь круг задач и вопросов устойчивости, без проведения подробного анализа и получения его точных результатов, строго говоря, не обоснованно. Особенно, если принять во внимание, что появление и широкое использование программных объектно-ориентированных комплексов для расчета установившихся и переходных режимов ЭТС предоставляет возможность учитывать факторы, которыми ранее в целях упрощения допускалось пренебречь. В этой связи предлагается учесть активную составляющую и характер в целом эквивалентного сопротивления ЭС, как факторы, способные оказать некоторое влияние на основные показатели устойчивости электротехнических систем смешанного состава.

Наряду с этим, подобное допущение, но уже в отношении отсутствия реактивной составляющей эквивалентного сопротивления линий электропередачи, широко используется при расчетах режимов кабельных сетей на среднем (6, 10 кВ) и низком (до 1000 В) напряжениях. Строго говоря, пренебрежение какой-либо составляющей эквивалентного комплексного сопротивления канала передачи мощности является причиной неполноты представления о характере его сопротивления и связанных с ним определений. В этих условиях осуществляется формирование научно-методической базы по решению задач перетоков мощности между генерирующими узлами систем, относящихся к сфере малой энергетики. Данные обстоятельства подталкивают к дополнительному обсуждению влияния активной составляющей эквивалентного комплексного сопротивления транзитной линии, а также его характера в целом на условия экспорта мощности в электротехнических системах с ЭСН.

Для расчета и анализа статических режимов электропередачи и условий перетоков мощности в ЭТС с электростанциями собственных нужд приемлемо рассмотрение явлений только электрического и электромагнитного характеров. Напротив, при исследовании устойчивости и длительных переходных процессов многомашинных электротехнических систем основное внимание уделяется моделям электромеханических процессов в узлах электродвигательной нагрузки.

Применяемые в работе математические модели асинхронных и синхронных двигателей широко известны и достаточно хорошо апробированы. Модель, определяющая электромеханические переходные процессы единичного асинхронного электропривода, построена с использованием Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя. Любой режим асинхронного привода достаточно полно описывается одним дифференциальным уравнением движения и набором алгебраических в комплексных переменных и трансцендентных уравнений.

Электромеханическая модель синхронного электродвигателя опирается на существенно упрощенные схему замещения и соответствующую ей векторную диаграмму неявнополюсных синхронных машин. Электропривод с синхронным

двигателем описывается сокращенной формой дифференциального уравнения движения без учета влияния демпферной короткозамкнутой обмотки и набором вспомогательных уравнений. Принципиально важным свойством выбранных электромеханических моделей двигателей является невозможность мгновенного скачкообразного изменения во времени их определенного ряда параметров.

В зависимости от конкретной задачи рабочие механизмы исследуемых электроприводов моделируются полиноминальной зависимостью, хотя в некоторых случаях обоснованно использованы и более примитивные модели агрегатов с постоянным моментом нагрузки.

По целому ряду причин, свойственным ЭТС промышленных предприятий, и с учетом того, что в работе моделируются только симметричные аварийные режимы, используемая модель питающей энергосистемы выражена вектором с несколько сокращенным набором параметров ее состояния:

Q = {E„Zc,f}, (1)

где £/ - значение эквивалентной ЭДС прямой последовательности; Z, -комплексное эквивалентное входное сопротивление энергосистемы; / - частота питающей энергосистемы.

Описанные модели в составе общих алгоритмов расчета переходных электромеханических процессов в системах внутреннего электроснабжения реализованы в программном комплексе SAD. Указанный комплекс послужил основным инструментом для расчетов и анализа устойчивости ЭТС смешанного состава при влиянии различных исследуемых факторов. Программный комплекс SAD имеет государственную регистрацию, и прошел длительную апробацию на многих предприятиях нефтегазовой отрасли, показавшую высокую степень соответствия расчетных параметров режимов ЭТС их реальным значениям.

Во второй главе приведены результаты исследования влияния активной составляющей и в целом характера эквивалентного сопротивления питающей энергосистемы, а также системы электроснабжения на показатели устойчивости ЭТС смешанного состава. Выполнен анализ и проведена качественная оценка статической и динамической устойчивости узлов синхронной элеюродвигателыюй нагрузки.

В условиях поставленных и решаемых задач для исследований вполне оправданно принято наиболее полное описание входного сопротивления системы электроснабжения в виде комплексной эквивалентной величины:

ZC=RC+ jXc = Zce'¥<, (2)

где Rc, Хс - активная и реактивная составляющие эквивалентного сопротивления энергосистемы, соответственно; Z(, у/с - модуль и аргумент эквивалентного комплексного сопротивления энергосистемы, соответственно.

В качестве примера для проведения вычислительных экспериментов выбран один из вводов крупного предприятия нефтегазовой промышленности, в составе которого находятся асинхронные и синхронные электроприводы, а также различная статическая нагрузка. Укрупненная расчетная схема демонстрационного примера электротехнической системы с указанием основных параметров исходного нормального режима приведена на рис. 1.

Оценка влияния параметров сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость выбранной электротехнической системы проводилась по изменению основных показателей, определяющих устойчивость ЭТС смешанного состава к внешним возмущениям. Среди таковых: ЭДС статической устойчивости (Есу);

время динамической устойчивости системы при провале напряжения на вводе до нуля граничное значение остаточной ЭДС (Еост), при которой происходит разрыв функции устойчивости (ЕгрУ, величина скачка (Л I) функции устойчивости от значения г,р / до значения Т,р 2-

Рис. 1. Пример фрагмента электротехнической системы предприятия

Проведенные вычислительные эксперименты позволили в некоторой степени оценить сложность взаимной связи основных показателей устойчивости ЭТС исследуемого типа с различными составляющими эквивалентного сопротивления энергосистемы, в том числе и при неизменном его значении по абсолютной величине (ц/с = уаг). Результаты, представленные графически на рис. 2, наглядно демонстрируют существенный и неоднозначный характер изменения исследуемых показателей устойчивости.

Установлено, что в значительной степени влиянию активной составляющей эквивалентного сопротивления питающей энергосистемы, да и его характера в целом, подвержены показатели статической устойчивости ЭТС смешанного состава. При тех же условиях выполняемых расчетных операций показатели, определяющие динамическую устойчивость, изменяются в менее заметных пределах. Обнаруженный факт не случаен, и находит свое объяснение в наличии разнородного характера электродвигательной нагрузки исследуемой ЭТС.

Существенный интерес представляют отмеченные на графиках положения экстремумов и точек перегиба. Функция ЭДС статической устойчивости (£„,) близка к симметрии по отношению к изменению характера сопротивления системы электроснабжения, что указывает на равноценное влияние той, или иной составляющей этого сопротивления. Кривая зависимости времени динамической устойчивости имеет явно выраженный локальный максимум также при значении аргумента приблизительно равном 45° и две расположенные симметрично точки минимума, в которых потери напряжения при внешних возмущениях будут максимальными.

Рис. 2. Зависимости параметров устойчивости (Есу и т0) от активной составляющей Rc (Хс = const) и аргумента у/(. (Zr = ccms/) эквивалентного сопротивления ЭС

Для некоторой количественной оценки влияния характера эквивалентного сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость ЭТС смешанного состава определена зависимость представленная на рис. 3. Полученная поверхность отражает достаточно непростую форму изменения множества значений времени динамической устойчивости (т0) исследуемой электротехнической системы от входного импеданса системы электроснабжения в целом.

о

Рис. 3. График количественной оценки влияния входного импеданса системы электроснабжения на динамическую устойчивость (т0) ЭТС

Интересно и важно, что представленная в пространстве (йс, Хс, т0) поверхность непрерывна во всей рассмотренной области изменения параметров эквивалентного сопротивления питающей энергосистемы. В целом с помощью программного комплекса SAD и реализованных в нем численных методов установлено, что пренебрежение активной составляющей эквивалентного сопротивления системы электроснабжения, а также его характером может вызвать значительную погрешность результатов расчета и анализа устойчивости ЭТС смешанного состава.

Очевидно, что методы, основанные на аналитических описаниях, по своему определению обладают более широким инструментарием. Ряд попыток вывода приемлемых математических выражений для основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки привел к неоднозначным и заслуживающим внимания результатам. Отметим, что получение аналитических выражений только для узлов синхронной электродвигательной нагрузки вполне обосновано и справедливо. Граница устойчивости ЭТС смешанного состава обладает разрывным характером, и каждый ее участок обусловлен потерей устойчивости либо за счет синхронной, либо за счет асинхронной части электродвигательной нагрузки в отдельности.

В основу аналитических описаний ЭДС статической устойчивости (Есу) узлов синхронной электродвигательной нагрузки положены обобщенная схема замещения эквивалентной синхронной машины и системы электроснабжения, а также соответствующая полной цепи векторная диаграмма, показанные на рис. 4.

Рис. 4. а) Обобщенная схема замещения синхронной машины и ее системы питания; б) векторная диаграмма, соответствующая схеме замещения полной цепи

На основании выражений для токов и мощности, вытекающих из векторной диаграммы, момент неявнополюсного синхронного двигателя может быть записан в следующем упрощенном виде:

Im(q;

Re(d;

где Ес - эквивалентная ЭДС системы электроснабжения; Еч - синхронная ЭДС двигателя по поперечной оси; m - число фаз обмотки статора или системы электроснабжения; - эквивалентное сопротивление полной цепи; са0 ~

синхронная угловая скорость; S - угол сдвига фаз между синхронной ЭДС машины и ЭДС системы электроснабжения; а - угол, дополняющий величину arg(Z„„ ) до 90°.

В соответствии с принятыми условиями потери статической устойчивости синхронным двигателем \МЛ=МС;

= (4)

[dS dS '

в самом общем случае искомое аналитическое описание выражается полиномом второго порядка:

а-Е2су+Ь-Есу-с = 0. (5)

Здесь Л/,. - момент сопротивления рабочего механизма; а, Ь, с - некие константы, определяемые режимом синхронного электропривода и параметрами системы электроснабжения в момент времени до возмущения.

Единственное решение последнего уравнения, обладающее явным физическим смыслом, позволяет получить математическое описание ЭДС статической устойчивости {Есу) узла нагрузки с неявнополюсным синхронным двигателем в зависимости от параметров (Rc, Хс) эквивалентного сопротивления системы электроснабжения:

ф1 + 4тЪР{га + Rc ) -Ь)(ха + X, ) --' (6)

где га, ха - активная и реактивная составляющие эквивалентного сопротивления якорной обмотки синхронного двигателя, соответственно; P=(Mcco0)l{mEq) -некоторый коэффициент, определяемый параметрами системы до возмущения.

Полученное решение удовлетворяет принятым условиям и обладает достаточной информативностью. Подробный анализ выражения (6) показал, что с увеличением активной составляющей (R,) эквивалентного сопротивления системы электроснабжения ЭДС статической устойчивости исследуемого типа узла нагрузки снижается приблизительно по линейной траектории. На основании выражения (6) графически определена зависимость Есу(у/с), вид которой указал на заметную нелинейность искомой функции, обусловленную значительным преобладанием реактивного характера сопротивления синхронного двигателя. По мере увеличения величины аргумента (у/с) эквивалентного импеданса системы электроснабжения ЭДС статической устойчивости (Е„.) неявнополюсного синхронного двигателя возрастает, перемещаясь с крутого на более пологий участок кривой.

Качественный анализ условий статической устойчивости явнополюсных синхронных двигателей выявил множество трудностей, обусловленных спецификой данного типа машин, а именно различием их индуктивных сопротивлений по магнитным осям. Получить столь же приемлемое аналитическое описание ЭДС статической устойчивости для узла электродвигательной нагрузки с явнополюсной синхронной машиной не представляется возможным. Тем не менее, приняв ряд значимых допущений и предположений, конечная цель все же может быть достигнута. Однако итоговое выражение громоздко, не предполагает упрощения и совершенно не пригодно для анализа в инженерных целях.

Выполненный анализ качественной оценки динамики электроприводов с синхронными двигателями значительно прояснил вопрос аналитического описания границы устойчивости подобных узлов электродвигательной нагрузки. В приложении к практическим целям подобная задача может быть решена только численными методами. Данный факт обусловлен спецификой дифференциального уравнения движения синхронного привода, которое даже в простейшем случае доводится только до известной степени упрощения - обобщенного уравнения Дуффинга.

Аналитически граница динамической устойчивости синхронного двигателя определяется интегральным уравнением, которое не имеет непосредственного решения. Для неявнополюсного двигателя интегральная зависимость, описывающая границу его динамической устойчивости, выражается следующим образом:

r0=) ■ iS 2 (7)

1 J2(AEC eos5 + КЕС sinS-LE^S+Вд+С,)

где S0, ёкр, - начальное и критическое значения угла сдвига между ЭДС машины и ЭДС питающей энергосистемы, соответственно; А, К, L, В, C¡ - некие константы, определяемые из начальных условий.

Численное решение уравнения (7) позволило получить семейство кривых устойчивости при различных значениях эквивалентного сопротивления системы электроснабжения (рис. 5).

Рис. 5. Кривые динамической устойчивости синхронного электропривода при различных значениях 2',х

Вычислительными экспериментами установлено, что граница динамической устойчивости синхронного двигателя асимптотически приближается к значению ЭДС статической устойчивости (£„), которое для данного узла нагрузки представляет собой граничное значение остаточной ЭДС (Егр). С учетом

последнего отметим, что характер изменения показателя Егр. схож с аналогичной зависимостью, полученной при решении задачи статической устойчивости аналитическим путем.

Определенный интерес в рамках проводимых исследований представляет вопрос качественной оценки асинхронного момента синхронного двигателя. В динамических процессах его допустимо представить линейной функцией угловой скорости. Константы линеаризации определяются из стандартных условий достижения "подсинхронной" угловой скорости. В этом случае результирующее уравнение динамики синхронного двигателя приобретает еще более сложную форму - дифференциального уравнения второго порядка, не допускающего понижения степени. Результаты вычислительных экспериментов, проведенные с учетом предложенной модели асинхронного момента, подтвердили его положительное действие при динамических возмущениях в системе питания: время динамической устойчивости заметно увеличивается, а положение границы динамической устойчивости смещается левее.

В третьей главе рассмотрены вопросы экспорта мощности в электротехнических системах, транзитные линии связи между генерирующими узлами которых, построены на сетях среднего (6, 10 кВ) и даже низкого (до 1000 В) напряжения. Проведен анализ влияния характера сопротивления транзитных каналов на режимы электропередачи в ЭТС с электростанциями собственных нужд, что позволило уточнить и расширить представление о ключевых условиях и ограничениях транзита мощности.

Основным ограничивающим фактором экспорта электроэнергии является пропускная способность транзитного канала мощности. Под понятием ограничивающего фактора предлагается представлять не только величину полного сопротивления транзитной линии связи между генерирующими узлами, но и, что не менее важно, его характер. Для анализа режимов электропередачи между генерирующими узлами выбрана достаточно упрощенная математическая модель системы, схема замещения которой показана на рис. 6. Генераторы, представленные эквивалентными источниками ЭДС, с укрупненными нагрузками (7„; и 2„2) на собственных шинах каждого, соединены транзитной линией связи обобщенным комплексным сопротивлением:

где Rce , Хсв - активная и реактивная составляющие эквивалентного сопротивления транзитного канала, соответственно; Zce, у/,„ - модуль и аргумент эквивалентного комплексного сопротивления транзитного канала, соответственно.

Z„ = Rc,+jXa^Zc,e

(8)

S,=2С MB A

S,=20 MBA

Рис. 6. Схема замещения демонстрационного примера системы генерации, потребления и передачи электрической мощности

Для решения вопросов режимного управления в сетях среднего уровня напряжения не существует строгих нормативных документов и методических указаний. Обычно расчет условий транзита активной (Рсв,) и реактивной Шсв) мощностей основывается на хорошо известных выражениях:

V К а, + % е..

(9)

Здесь т - число фаз системы передачи мощности; С//, 1/2 - действующие фазные значения напряжений в генерирующих узлах; у - угол сдвига фаз между мгновенными значениями напряжений в генерирующих узлах.

Однако на практике часто оказывается, что столь упрощенное решение не способно адекватно описать реально протекающие процессы и действительную физику явлений. Воспользовавшись принципом суперпозиций для схемы на рис. 6, характеристики электропередачи по активной и реактивной мощностям могут быть представлены более полными формами записи: V) со.ч1//св - У ,Ц2 + у)

¿сш.

_ т и1 "»Ус* -и,и2 Г)

Ысв Б - т"

(10)

с(

В случае с выражениями (10) потоки активной и реактивной мощностей явно зависят от аргумента (у/св) эквивалентного комплексного сопротивления транзитной линии связи, а значит подвержены более очевидному влиянию характера этого сопротивления.

Сравнительная оценка двух рассматриваемых вариантов (9) и (10) расчета режимов электропередачи позволила выявить их существенные различия в определении ключевых условий транзита мощности между двумя генерирующими узлами. Графическое сопоставление результатов вычислительных экспериментов представлено на рис. 7.

Вследствие пренебрежения аргументом эквивалентного комплексного сопротивления транзитного канала может возникнуть ошибочное предположение об увеличении перетока реактивной мощности при тех же условиях, что и для потока активной мощности. Согласно полученным выражениям (10) вносимая поправка на величину аргумента у/св_, оказывает заметное влияние не только на значение экспорта электроэнергии, но что более важно - на направление транзита реактивной мощности (£2св ).

Крутизна и угол наклона характеристик электропередачи отражает степень регулирования величины и направления перетоков мощности. При этом знак угла наклона характеристик однозначно определяется характером сопротивления транзитной линии. Аналитически это можно обосновать дифференцированием по углу у выражений традиционного (9) и предлагаемого (10) способов расчета режимов электропередачи. Очевидно, что в первом случае (9) характеристики активной и реактивной мощности обладают острым углом наклона в силу положительного знака их производных. В действительности же знак угла наклона исследуемых характеристик может совпадать только при подавляющем реактивном характере сопротивления транзитного канала мощности.

Рис. 7. Угловые характеристики электропередачи при i//>f/2'- по упрощенным выражениям (9) - кривые Рсе(А) и Qce (A); по выражениям (10) - кривые Ясв (Б) и QceAr,»

В тоже время оба сравниваемых подхода к определению режимов электропередачи позволяют дать абсолютно равнозначную оценку полной пропускной способности транзитного канала мощности:

Ju] - 2U)U, cos у+и]и]

---—-—— • (И)

св.

На основании выражения (11) можно качественно определить необходимые и достаточные условия транзита мощности в некоторых стационарных режимах:

er-O

2и2 sin(^)

2) UI =U2 =U => Sce = т-—2-, (12)

¿се.

Тем не менее, для получения более строгих и полных расчетных данных о величине и направлении перетоков активной и реактивной мощностей в отдельности необходимо использовать выражения (10). Следуя предлагаемому подходу и условиям из него вытекающим, максимально точно могут быть определены ключевые условия поддержания заданного режима электропередачи: предельно допустимые уровни напряжения в генерирующих узлах и угол сдвига фаз между ними.

На рис. 8 изображен ряд кривых, полученных по расчетным значениям мощности электропередачи с изменением аргумента полного импеданса транзитной линии. Построенные графики позволили наглядно и достаточно подробно оценить влияние характера эквивалентного сопротивления транзитного канала любого исполнения на величину и направление потоков активной и реактивной мощности.

Рис. 8. Семейство кривых потоков активной (Рсе) и реактивной {Qce} мощностей через транзитную линию при изменении аргумента ц/св

Представленные кривые подтверждают, что транзит активной мощности в заданном направлении осуществим при любом характере эквивалентного сопротивления транзитной линии. С другой стороны, экспорт реактивной мощности в том же направлении возможен по транзитному каналу, сопротивление которого носит преимущественно реактивный характер.

Анализ влияния параметров сопротивления нескольких транзитных каналов мощности на режимы электропередачи в ЭТС проводился с использованием примеров параллельной работы генерирующих узлов на общую нагрузку. Практически равный интерес с этой точки зрения представляют исследования режимов электропередачи генерирующих узлов как бесконечной мощности (ЭС), так и ограниченной мощности отдачи (ЭСН).

В целом установлено, что единственным реально достижимым условием экспорта в энергосистему избыточных мощностей, генерируемых ЭСН, является соблюдение приемлемого соотношения разности фаз напряжений в генерирующих узлах. Напряжение условно объединенного узла электростанции собственных нужд должно опережать по фазе напряжение обобщенного узла ЭС, что соответствует несинфазному режиму электропередачи. Указанное ограничение в направлении экспорта мощности определяется строго реактивным характером сопротивления транзитного канала между ЭСН и энергосистемой. Регулирование разности уровней напряжения в генерирующих узлах также позволяет реализовать требуемый режим электропередачи, но в значительно меньших пределах.

В случае автономной параллельной работы электростанций собственных нужд экспорт активной мощности в нагрузку осуществим при любом соотношении основных параметров генерирующих узлов. Однако и здесь присутствуют некоторые ограничения. Управление режимом электропередачи по активной мощности в широких пределах достигается только регулированием уровней

напряжения в узлах. По соображениям условий статической устойчивости электрогенерирующей системы в целом такое регулирование весьма критично. Напротив, режимы электропередачи двух генерирующих узлов по реактивной мощности при любых соотношениях угла разности фаз (у) напряжений обладают взаимно противоположенными свойствами. Экспорт реактивной мощности в нагрузку одновременно от обоих ЭСН возможен лишь в весьма узком диапазоне регулирования угла у.

Аналитически обосновано, что при необходимости могут быть подобраны такие значения параметров сопротивления транзитных каналов, при которых потоки активной мощности в нагрузку будут возрастать во всем интервале увеличения угла разности фаз напряжений в генерирующих узлах.

Особенное значение при исследовании условий и ограничений транзита мощности в системах среднего напряжения приобретает вопрос достоверной оценки влияния поверхностного эффекта, что обусловлено преобладающим активным характером сопротивления системных связей. В некоторых практических случаях для построения транзитного канала на одну фазу укладывают несколько кабелей. При этом суммарная пропускная способность канала не всегда остается удовлетворительной.

В рамках проводимых исследований выполнен сравнительный анализ действительной пропускной способности двух вариантов реализации транзитного канала мощности: одна кабельная жила на фазу напряжения; и три кабельных жилы также на фазу напряжения, при условии равного суммарного сечения. Расчеты по прогнозируемой величине транзита мощности без учета явления поверхностного эффекта приводят к выбору заниженных значений регулируемых параметров генерирующих узлов ({//, II2, у). Такие результаты слабо соответствует реальной пропускной способности транзитного канала. Особенно сильно это проявляется в случае горизонтальной укладки в одной плоскости трех кабелей на фазу напряжения системы передачи мощности. Таким образом установлено, что в некоторых отдельных случаях поверхностный эффект может выступить заметным ограничивающим фактором транзита мощности, влиянием которого нельзя пренебрегать.

В четвертой главе выполнен анализ условий транзита мощности на объектах обустройства морского месторождения нефти и газа "Белый тигр" на основании предложенного подхода (10). Определены существенные ограничения на реализацию заданного режима электропередачи, даны практические рекомендации по устранению и преодолению, существующих ограничений.

Главная специфика выбранных объектов исследования заключается в абсолютной автономности их объединенной системы электроснабжения, что само по себе является ограничением. По существу добывающее предприятие представлено двумя основными Центральными технологическими комплексами -ЦТК-2 и ЦТК-3. В силу отдаленного расположения рассматриваемых объектов в акватории Южно-Китайского моря электрическая связь между стационарными платформами указанных комплексов реализована необычным образом. В одной горизонтальной плоскости на одну фазу напряжения системы передачи мощности проложено три кабельных жилы, что обусловлено существенными техническими трудностями.

В процессе эксплуатации транзитного канала мощности выявлены проблемы, связанные с несоответствием реального значения пропускной способности построенной электрической связи принятым стратегиям режимного управления.

Для осуществления экспорта мощности заданной величины (3000 кВт) приходится неоправданно завышать уровень напряжения на общих шинах ЦТК-3, что негативно сказывается на качестве электроэнергии, подводимой к нагрузке.

Для подробного рассмотрения потенциально возможных ограничивающих факторов экспорта мощности выполнен сравнительный анализ двух вариантов транзитного канала. Действующей кабельной системе передачи мощности сопоставлен наиболее простой вариант исполнения электрической связи, где на фазу напряжения приходится одна кабельная линия. Суммарное расчетное сечение в обоих случаях одинаково. Основное отличие заключается в их индивидуальных электротехнических свойствах.

Наибольший интерес с практической точки зрения представляет пропускная способность транзитного канала преимущественно по активной мощности. Решение поставленной задачи построено на основании предложенного для подобных целей выражения:

-Ц,Ц2 С05(Уа. + У)

Св. гу

¿св.

Расчет базовых установившихся симметричных режимов электропередачи для сравниваемых вариантов выполнен в два этапа:

- без учета дополнительного воздействия поверхностного эффекта;

- с учетом влияния поверхностного эффекта.

Согласно результатам первого этапа действующий вариант системы передачи мощности более предпочтителен. Пропускная способность транзитного канала, состоящего из трех кабельных жил на фазу напряжения, существенно выше, чем, выполненного из одной кабельной жилы на фазу. При пересчете действительной пропускной способности транзитных каналов с учетом дополнительного влияния поверхностного эффекта, итоговое сопротивление существующей электрической связи возросло более значительно, чем для предполагаемого варианта.

Таким образом, выбранную стратегию режимного управления допустимо оставить неизменной только в случае простой организации транзитного канала мощности - одна жила кабеля на фазу напряжения. Тогда требуемый режим электропередачи возможно реализовать с минимальными потерями. Переносить же принятую стратегию управления параметрами генераторов электростанций ЦТК-2 и ЦТК-3 на совершенно иное, более худшее значение пропускной способности транзитного канала необоснованно. Как показывают расчеты и практика, это приводит к снижению желаемого значения транзита мощности по линии связи.

Для существующего варианта транзитного канала мощности погрешность определения его пропускной способности составила почти 0,92 МВт, это 30,8 % от ранее предполагаемого значения. Пренебрежение столь значительной величиной погрешности при проведении расчетов условий транзита мощности между генерирующими узлами нельзя считать допустимым.

Дополнительный расчет определения предельно допустимых параметров генерирующих узлов показал, что для реализации заданного режима электропередачи необходимо существенно повысить уровень напряжения на шинах платформы ЦТК-3 (при прежних условиях режима фазового сдвига напряжений в генерирующих узлах).

Для сохранения уровня напряжения на шинах обоих Центральных технологических комплексов в допустимых границах необходимо скорректировать выбранную стратегию режимного управления или модернизировать существующий

вариант исполнения транзитного канала. Выполненные расчеты по установке линейного регулировочного трансформатора на стороне платформы комплекса ЦТК-3 привели к интересным выводам. Увеличиваемое за счет последовательно установленной обмотки трансформатора реактивное сопротивление транзитного канала способствует облегчению условий экспорта и сохранению прежней стратегии управления даже при нулевом положении регулирующего устройства.

На основании последнего, а также в силу того, что для исследуемого объекта характерна проблема со стойкостью ряда установленного оборудования к токам КЗ, в рассечку транзитного канала мощности целесообразно установить токоограничивающий реактор. Результаты расчетов пропускной способности транзитного канала с учетом его возросшего реактанса после уставки токоограничивающего реактора подтвердили возможность реализации требуемого режима электропередачи без необходимости удержания уровня напряжения на шинах платформы ЦТК-3 выше номинального значения.

Тем не менее, важно отметить, что излишнее значение индуктивного сопротивления токоограничивающего реактора или последовательной обмотки линейного регулировочного трансформатора может напротив ухудшить ситуацию и еще более снизить пропускную способность транзитного канала. Использование предложенного подхода позволило весьма достоверно определить необходимые условия транзита мощности и эффективно оценить возможные способы решения для обеспечения заданного режима электропередачи.

Результаты исследования по обеспечению транзита мощности между комплексами ЦТК-2 и ЦТК-3 объединенной электроэнергетической системы месторождения "Белый тигр" внедрены в практическую деятельность НИПИморнефтегаз СП "Вьетсовпетро".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Установлено достаточно существенное и в тоже время неоднозначное влияние параметров эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на основные показатели устойчивости ЭТС, содержащих синхронные и асинхронные машины; проведена качественная и количественная оценка такого влияния. Наибольшей степенью чувствительности к характеру входного сопротивления системы электроснабжения обладают параметры статической устойчивости. Параметры динамической устойчивости при изменении аргумента эквивалентного сопротивления системы электроснабжения меняются в существенно меньшей степени. Показано, что пренебрежение активной составляющей входного сопротивления может внести заметную погрешность в расчетные параметры устойчивости электротехнических систем с синхронными машинами.

2. Выполнен анализ условий сохранения статической и динамической устойчивости синхронных электроприводов при возмущениях в их системе питания. Предложены и обоснованы аналитические выражения, характеризующие статическую устойчивость узлов синхронной электродвигательной нагрузки с различной степенью сложности и точности, входящих в эти выражения параметров.

3. Обоснована рациональность применения исключительно численных методов решения задач расчета и анализа динамической устойчивости ЭТС с

синхронными и асинхронными машинами. Раскрыты принципиальные причины отсутствия какой-либо возможности в получении доступного для инженерных расчетов аналитического описания границы динамической устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами в условиях общепринятых исходных предположений и допущений.

4. Исследованы разнообразные статические режимы транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд при различных моделях стандартных схемных решений. Показано, что для узлов бесконечной и ограниченной генерируемой мощности в их различных условиях взаимодействия необходимо выбирать разные стратегии регулирования основных параметров генерирующих узлов при задании одинаковых величин и направления перетоков мощности.

5. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в системах среднего и низкого уровней напряжения. Расширенное представление об исходных параметрах транзитной линии способствует повышению точности расчетов условий передачи активной и реактивной мощностей и адекватности выбора методов их регулирования.

6. Предложены рекомендации по определению условий транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, позволяющие провести более строгую и достоверную оценку расчетных параметров. Разработанные рекомендации могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электростанциями собственных нужд, а также использованы на стадии проектирования и в процессе эксплуатации электротехнических систем с ЭСН, что позволит обеспечить требуемые режимы транзита мощности.

7. Проанализировано негативное влияние поверхностного эффекта на условия транзита мощности и пропускную способность транзитного канала в целом. Проведена приблизительная оценка степени погрешности, оказываемой вследствие пренебрежения явлением поверхностного эффекта, на определение максимальной пропускной способности транзитного канала.

8. Выполнен анализ пропускной способности транзитного канала мощности между электротехническими системами с автономным электроснабжением объектов обустройства морского месторождения нефти и газа. Даны рекомендации по обеспечению заданного режима транзита мощности для преодоления непредвиденно ухудшенной пропускной способности транзитного канала путем модернизации системы передачи мощности.

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих

публикациях:

1. Лебедев A.A. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. Тезисы докладов 60-ой Межвузовской студенческой конференции "Нефть и газ - 2006" апрель 2006. - М.: РГУ нефти и газа. - С. 26.

2. Лебедев A.A. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. Сборник трудов студенческого научного общества за 2006 год. - М.: РГУ нефти и газа, 2007. -С. 109-115.

3. Ершов М.С., Горюнов O.A., Лебедев A.A., Егоров A.B. Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением. Учебное пособие. - М.: РГУ нефти и газа, 2007. - 40 с.

4. Лебедев A.A. Влияние параметров автономных источников электроснабжения на режимы работы промышленных электротехнических систем. Тезисы докладов 7-ой научно-технической конференции "Аетуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" январь 2007. - М.: РГУ нефти и газа, 2007. - С. 414-415.

5. Лебедев A.A. Условия обеспечения транзита мощности в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд. Тезисы докладов Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" сентябрь 2007. - М.: РГУ нефти и газа. - С. 28.

6. Ершов М.С., Егоров A.B., Репина Ю.В., Лебедев A.A., Нгуен Т.А. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. // Промышленная энергетика, 2008, №3. - С. 21-24.

7. Репина Ю.В. Лебедев A.A. Влияние характера сопротивления транзита на условия передачи мощности в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд. Материалы научно-практической конференции "Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы" апрель 2008. - М.: РГГРУ. -С. 228-229.

8. Ершов М.С., Егоров A.B., Лебедев A.A. Условия передачи мощности в системах с электростанциями собственных нужд с учетом влияния характера сопротивления транзитной линии. // Промышленная энергетика, 2009, №3.-С. 22-27.

9. Лебедев A.A. Аналитические методы решения задач устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными электроприводами. Тезисы докладов IX Международной конференции «Новые идеи в науках о земле». Т.2. Москва - 2009. - С. 259.

Подписано к печати О У. Формат 60x90/16 Бумага офсетная Усл. п. л.

Тираж {00 экз. Заказ №

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел. (499) 233-93-49

Введение 4.

1. Постановка задачи. Определение рационального подхода к решению рассматриваемого круга задач 11.

1.1. Устойчивость режима промышленных электротехнических систем. Основные факторы, влияющие на устойчивость 11.

1.2. Режимы передачи мощности в сложных системах. Условия и ограничения 16.

1.3. Обоснование и границы применимости выбранных моделей описания установившихся и переходных процессов 20.

1.4. Анализ и выбор модели асинхронного электропривода 21.

1.5. Анализ и выбор модели синхронного электропривода 27.

1.6. Модели статических устройств, энергосистемы и распределительной сети 33.

1.7. Информационное, алгоритмическое и программное обеспечение расчетов 37.

1.8. Основные итоги 40.

2. Исследование влияния характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем с асинхронными и синхронными электроприводами 42.

2.1. Основные понятия. Модели и инструменты расчетов 42.

2.2. Характеристика показателей устойчивости ЭТС смешанного состава при внешних симметричных возмущениях 48.

2.3. Качественная оценка статической устойчивости синхронных систем 55.

2.4. Качественная оценка основных показателей динамической устойчивости систем с синхронными электроприводами 75.

Актуальность работы. Повышение надежности, стабильности и управляемости процессов электроснабжения промышленных комплексов с непрерывным технологическим циклом производства по-прежнему остается одной из первостепенных задач, особенно для предприятий нефтяной и газовой отрасли. Степень работоспособности и исправное функционирование всего нефтегазового комплекса в настоящее время напрямую определяют стабильность экономического развития страны.

Характерными особенностями, отличающими предприятия нефтяной и газовой промышленности, являются: сложность и напряженность технологических процессов, укрупнение основных производственных ресурсов, критично высокая цена остановки производства, риск обострения экологической обстановки. Электротехническая система (ЭТС) таких предприятий представляется совокупностью сложных многомашинных подсистем, и состоит из системы электроснабжения и приемников электрической энергии, число которых может достигать десятков тысяч, а мощность одной единицы нескольких мегаватт [1, 2].

Специфика становления нефтегазового комплекса обусловила появление и развитие основных промысловых производств и предприятий транспорта и переработки сырья в достаточном удалении от центральных областей с более совершенной электроэнергетической инфраструктурой. Следствием этого является применение собственных источников электроэнергии — электростанций собственных нужд (ЭСН), работающих автономно или параллельно с энергосистемой (ЭС). При этом расширилось представление о самой системе электроснабжения промышленных предприятий, которая стала включать в себя не только преобразовательные пункты и распределительные сети, но и автономные генерирующие системы.

Обычно электроснабжение промышленных предприятий, в том числе и нефтегазовой отрасли, осуществлялось централизованно от единой энергосистемы, которая должна была обеспечивать требуемый высокий уровень надежности электроснабжения. Однако возникающие и участившиеся в последнее время кризисные явления различного масштаба, связанные с определенного рода возмущениями в энергосистеме, свидетельствуют о негативном изменении ситуации в сторону снижения уровня надежности электроснабжения от централизованного источника питания. В этом проявляется определенный конфликт потребностей промышленных электротехнических систем и возможностей питающей энергосистемы, который сопровождается увеличением частоты аварийных остановок производства, ускоренным износом оборудования, потерей сырья и конечных продуктов, ухудшением качества продукции, осложнением экологической обстановки, значительными финансовыми затратами на восстановление нормального технологического режима.

Для борьбы с причинами нарушения нормального режима электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами на сегодняшний день существуют различные подходы и методики, которые обладают как преимуществами, так и своими недостатками, поэтому продолжают совершенствоваться по мере развития соответствующей научно-технической базы. Основные способы решения обсуждаемых проблем заключаются в повышении устойчивости ЭТС предприятий к внешним возмущениям и бесперебойности их режима электроснабжения, что позволяет сократить или исключить вовсе массовые отключения категорийного электрооборудования, а значит и снизить затраты на ликвидацию последствий различного рода нарушений.

Общие вопросы устойчивости, как крупных многомашинных комплексов, так и отдельных узлов электродвигательной нагрузки изучались многими исследователями [3-11]. Отдельные вопросы устойчивости и надежности электроснабжения ЭТС объектов нефтегазовой промышленности исследованы в диссертационных работах [12-14] и научных публикациях. Разработанные • и успешно применяемые специализированные программные продукты предоставляют возможность уточнить полученные ранее результаты и расширить представление о рассматриваемой области знаний, а также пересмотреть и дать более строгую оценку принимаемым погрешностям и вводимым допущениям. Наряду с этим опыт эксплуатации электротехнических систем промышленных предприятий с ЭСН раскрывает существующие в этой сфере проблемы, частично касающиеся неполноты соответствующей научной базы, особенно в области режимного управления. Для принятия обоснованных и правильных решений на стадии проектирования и реконструкции подобных систем ощущается нехватка научной базы для проведения расчетов и анализа режимных вопросов.

Предлагаемая работа посвящена анализу режимов и устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными и асинхронными машинами и разработке рекомендаций, способствующих получению более точных и строгих оценок параметров различных режимов для повышения надежности электроснабжения таких систем, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в повышении точности и достоверности оценки результатов расчетов режимов и устойчивости электротехнических комплексов нефтяной и газовой промышленности и получении более строгих представлений о разграничении ряда задач с общепринятыми допущениями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Выполнить анализ существующего положения, касающегося основных используемых допущений и степени их применимости к задачам расчета режимов и устойчивости электротехнических систем с асинхронными и синхронными машинами.

2. Определить адекватные модели переходных и установившихся процессов, а также провести анализ соответствующих моделей двигателей и систем электроснабжения, выбрать инструменты расчетов, обосновать их применимость.

3. Исследовать устойчивость ЭТС с синхронными и асинхронными машинами при изменении параметров системы электроснабжения с целью получения количественных и качественных оценок их влияния на основные показатели устойчивости и установления приемлемого математического описания такого влияния.

4. Исследовать условия транзита мощности в электротехнических системах с ЭСН при различных схемах и вариантах реализации транзитного канала мощности для обоснованного выбора подходящей стратегии регулирования и управления параметрами генераторов электростанций. 5. Сформировать основные предложения и рекомендации, способствующие повышению точности и достоверности результатов расчетов устойчивости узлов электродвигательной нагрузки, а также совершенствованию методов режимного управления в электротехнических системах с асинхронными и синхронными машинами.

Объекты и методы исследования. Объектами исследования в предлагаемой работе являются отдельные узлы электродвигательной нагрузки и целые электротехнические системы предприятий нефтяной и газовой промышленности. В качестве иллюстраций проведения исследований для удобства рассмотрения полученных результатов используются несколько характерных примеров электротехнических систем и их фрагментов с синхронными и асинхронными машинами. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электрических машин, теории электропривода, математического анализа, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, элементы теории устойчивости электротехнических систем.

Научная новизна результатов исследований.

1. Показано существенное и неоднозначное влияние характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на показатели устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Проведена количественная и качественная оценка такого влияния.

2. Получены приемлемые математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от параметров сопротивления системы электроснабжения. Обоснована целесообразность решения отдельных задач устойчивости синхронных электроприводов только численными методами.

3. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в электротехнических системах с ЭСН. Установлено, что выбор методов управления экспортом электроэнергии определяется преобладающим характером сопротивления транзитной линии, который выступает как ограничивающий фактор.

4. Получены аналитические зависимости, способствующие совершенствованию методической базы расчета и анализа устойчивости электротехнических систем, содержащих синхронные машины.

5. Предложены рекомендации и указаны ограничения, которые могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электротехническими системами с ЭСН, как на стадии проектирования, так и в процессе эксплуатации таковых.

Основные научные положения, выносимые на защиту.

1. Количественная и качественная оценка влияния характера эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на основные показатели устойчивости ЭТС с синхронньши и асинхронными машинами.

2. Математические описания основных показателей устойчивости узлов синхронной электродвигательной нагрузки в зависимости от характера сопротивления системы электроснабжения.

3. Целесообразность уточнения и дополнения представления о пропускной способности транзитного канала мощности в элекгротехнических системах с ЭСН в целях принятия более адекватных мер режимного управления.

4. Рекомендации и ограничения режимного управления транзитом активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд.

Обоснованность и достоверность результатов подтверждается использованием апробированных методов математического моделирования электротехнических систем, корректностью исходных предположений и допущений, хорошей сходимостью расчетных и экспериментальных результатов.

Практическая ценность работы и ее реализация.

1. Разработаны рекомендации, способствующие проведению более точных расчетов устойчивости электротехнических систем с синхронными машинами. Получены аналитические зависимости, достаточно полно характеризующие основные показатели устойчивости узлов с синхронной электр о двигательной нагрузкой.

2. Выполнен анализ статических режимов транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, показаны основные условия и ограничения. Предложена методика определения пропускной способности транзитного канала мощности.

3. Подготовлено и внедрено в учебный процесс учебное пособие - "Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением", - предназначенное для студентов высших учебных заведений по нефтегазовому образованию.

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

• на 60-ой Межвузовской студенческой конференции "Нефть и газ - 2006" (Москва, 2006);

• на 7-ой научно-технической конференции "Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2007);

• на Седьмой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2007);

• на научно-практической конференции "Геологические и инженерно-геологические проблемы развития гражданского и промышленного комплексов города Москвы" (Москва, 2008);

• на IX Международной конференции "Новые идеи в науках о земле" (Москва, 2009);

• на научных семинарах кафедры "Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности" РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина (2006-2009гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 2 в издании, рекомендованном ВАК РФ, и одно учебное пособие с грифом УМО.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 70 наименований. Работа изложена на 148 страницах машинописного текста и содержит 38 рисунков и 4 таблицы.

4.4. Основные выводы и рекомендации

В целом на основании проведенного сравнительного анализа пропускной способности возможного и принятого вариантов реализации транзитного канала мощности, а также рекомендуемых решений по облегчению условий транзита можно заключить следующее:

1. В любом случае, и при учете поверхностного эффекта, и без него в условиях рассмотренной задачи пропускная способность транзитного канала мощности при использовании нескольких кабелей на фазу напряжения выше, чем при стандартном способе построения системы передачи мощности - один кабель на одну фазу. Однако относительное снижение пропускной способности транзитного канала вследствие влияния поверхностного эффекта в случае нескольких кабелей также существенно выше.

2. Осуществляя расчет условий перетоков мощности по линии связи между двумя генерирующими узлами, а также, выбирая и принимая методы регулирования и управления параметрами генераторов электростанций, сосредоточенных в данных узлах важно предусмотреть те случаи, при которых необходимо делать поправку на ухудшение пропускной способности транзитного канала мощности вследствие влияния поверхностного эффекта.

3. Сохранить требуемые режимы транзита мощности между Центральными технологическими комплексами при ухудшении пропускной способности транзитного канала можно, проведя его модернизацию. Например, установкой линейного регулировочного трансформатора на стороне, от которой осуществляется экспорт, либо установкой последовательно в цепь транзитных линий токоограничивающего реактора. Это поможет избежать неоправданного завышения уровня напряжения на шинах собственной нагрузки сосредоточенного генерирующего узла платформы ЦТК-3. Очевидно, что вариант с установкой токоограничивающего реактора более выгоден.

Заключение

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Установлено достаточно существенное и в тоже время неоднозначное влияние параметров эквивалентного сопротивления системы электроснабжения на основные показатели устойчивости ЭТС, содержащих синхронные и асинхронные машины; проведена качественная и количественная оценка такого влияния. Наибольшей степенью чувствительности к характеру входного сопротивления системы электроснабжения обладают параметры статической устойчивости. Параметры динамической устойчивости при изменении аргумента эквивалентного сопротивления системы электроснабжения меняются в существенно меньшей степени. Показано, что пренебрежение активной составляющей входного сопротивления может внести заметную погрешность в расчетные параметры устойчивости электротехнических систем с синхронными 4 машинами.

2. Выполнен анализ условий сохранения статической и динамической устойчивости синхронных электроприводов при возмущениях в их системе питания. Предложены и обоснованы аналитические выражения, характеризующие статическую устойчивость узлов синхронной электродвигательной нагрузки с различной степенью сложности и точности, входящих в эти выражения параметров.

3. Обоснована рациональность применения исключительно численных методов решения задач расчета и анализа динамической устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами. Раскрыты принципиальные причины отсутствия какой-либо возможности, в получении доступного для инженерных расчетов аналитического описания границы динамической устойчивости ЭТС с синхронными и асинхронными машинами в условиях общепринятых исходных предположений и допущений.

4. Исследованы разнообразные статические режимы транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с электростанциями собственных нужд при различных моделях стандартных схемных решений.

Показано, что для узлов бесконечной и ограниченной генерируемой мощности в их различных условиях взаимодействия необходимо выбирать разные стратегии регулирования основных параметров генерирующих узлов при задании одинаковых величин и направления перетоков мощности.

5. Уточнено и дополнено представление о пропускной способности транзитного канала мощности в системах среднего и низкого уровней напряжения. Расширенное представление об исходных параметрах транзитной линии способствует повышению точности расчетов условий передачи активной и реактивной мощностей и адекватности выбора методов их регулирования.

6. Предложены рекомендации по определению условий транзита активной и реактивной мощностей в электротехнических системах с ЭСН, позволяющие провести более строгую и достоверную оценку расчетных параметров. Разработанные рекомендации могут быть положены в основу построения стратегий режимного управления электростанциями собственных нужд, а также использованы на стадии проектирования и в процессе эксплуатации электротехнических систем с ЭСН, что позволит обеспечить требуемые режимы транзита мощности.

7. Проанализировано негативное влияние поверхностного эффекта на условия транзита мощности и пропускную способность транзитного канала в целом. Проведена приблизительная оценка степени погрешности, оказываемой вследствие пренебрежения явлением поверхностного эффекта, на определение максимальной пропускной способности транзитного канала.

8. Выполнен анализ пропускной способности транзитного канала мощности между электротехническими системами с автономным электроснабжением объектов обустройства морского месторождения нефти и газа. Даны рекомендации по обеспечению заданного режима транзита мощности для преодоления непредвиденно ухудшенной пропускной способности транзитного канала путем модернизации системы передачи мощности.

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

2. Белоусенко И.В., Шварц Г.Р., Великий С.Н., Ершов М.С., Яризов А.Д. Новые технологии и современное оборудование в электроэнергетике нефтегазовой промышленности. М.: Недра, 2007.

3. Страхов С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока. М.: Госэнергоиздат, 1960.

4. Кимбарк Э. Синхронные машины и устойчивость электрических систем. М,-JL: Госэнергоиздат, 1960.

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

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

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. JL: Энергия, 1980.

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

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

11. Гуревич Ю.Е., ЛибоваЛ.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990.

12. ЮгайВ.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. Репина Ю.В. Устойчивость промышленных электротехнических систем с асинхронными и синхронными электроприводами. Дисс. . канд. техн. наук. -М„ 2005.

14. Горюнов О.А. Метод оценки надежности и эффективности резервирования источников питания систем электроснабжения газоперерабатывающих комплексов. Дисс. . канд. техн. наук. М., 1999.

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

16. Расчет и анализ режимов работы сетей. / Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергия, 1974.

17. ИдельчикВ.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.

18. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. -М.: Энергоатомиздат, 1989.

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

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

21. Трифонов А.А., Жуков А.Е. Математическая модель электромеханической системы станка-качалки с асинхронным приводом. / Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России. Тезисы докладов. — М.: РГУ нефти и газа, 2003.

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

23. Лайбль Т. Теория синхронной машины при переходных процессах. M.-JL: Госэнергоиздат, 1957.

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

25. Егоров А.В. Устойчивость промышленных электротехнических систем при возмущениях в системах электроснабжения. Дисс. . докт. техн. наук. М. 2004.

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

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

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

29. CEI/IEC 865-1(1993). Short-circuit currents Calculation of effects. Parti: Definitions and calculation methods.

30. CEI/IEC 909 (1988). Short-circuit current calculation in three-phase a.c. systems.

31. ГОСТ 27514-87. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кВ.

32. ГОСТ 28249-89. Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением до 1 кВ.

33. РД 152-34.0-20.527 (1998). Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования. ВНИИЭ, 2002.

34. Егоров А.В., Новоселова Ю.В. Устойчивость асинхронных многомашинных комплексов при внешних многопараметрических возмущениях. // Промышленная энергетика, 2000, №11.

35. Ершов М.С., Егоров А.В., Трифонов А.А., Рудина Е.И. Некоторые вопросы устойчивости промышленных электротехнических систем с генераторами собственных нужд. // Промышленная энергетика, 2006, №8.

36. Федоров А.А. Основы электроснабжения промышленных предприятий. — М.: Энергия, 1972.

37. Ершов М.С., Егоров А.В., Трегубова С.И. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания узлов электрической сети. // Промышленная энергетика, 1990, №11.

38. Меньшов Б.Г., Ершов М.С., Егоров А.В. Определение эквивалентных параметров питающей сети для расчета короткого замыкания узла нагрузки. / Электричество, 1993, № 10.

39. Лебедев А.А. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. Сборник трудов студенческого научного общества за 2006 год. М.: РГУ нефти и газа, 2007.-С. 109-115.

40. Ершов М.С., Егоров А.В., Репина Ю.В., Лебедев А.А., Нгуен Т.А. Влияние характера сопротивления питающей энергосистемы на устойчивость электротехнических систем смешанного состава. // Промышленная энергетика, 2008, №3.

41. Лебедев А.А. Аналитические методы решения задач устойчивости промышленных электротехнических систем с синхронными электроприводами. Тезисы докладов IX Международная конференция «Новые идеи в науках о земле». Т.2. Москва 2009.

42. Вольдек А.И. Электрические машины. 2-е изд. доп. и перераб. — Л.: Энергия, 1974.

43. Костенко М.П., Пиотровский Л.М. Электрические машины. М.-Л.: Энергия, 1965.

44. Неклепаев Б.Н., Крючков И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций. 4-е изд. доп. и перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

45. Шеховцов В.П. Электрическое и электромеханическое оборудование. 2-е изд. -М.: Форум, 2008.

46. Кудрин Б.И., Минеев А.Р. Электрооборудование промышленности. М.: Академия, 2008.

47. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике (для научных сотрудников и инженеров). Пер. с амер. 2-е. изд. перераб / Под ред. И.Г. Арамановича - М.: Наука, 1973.

48. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Пер. с нем. 4-е изд. испр. - М.: Наука. 1971.

49. МудровА.Е. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск: МП "Раско", 1991.

50. СлодаржМ.И. Режимы работы, релейная защита и автоматика синхронных электродвигателей. М.: Энергия, 1977 г.

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

52. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. М.: Физматлит, 2004.

53. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978.

54. Ершов М.С., Егоров А.В., Лебедев А.А. Условия передачи мощности в системах с электростанциями собственных нужд с учетом влияния характера сопротивления транзитной линии. // Промышленная энергетика, 2009, №3.

55. Гуревнч Ю.Е., Кабиков К.В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребителя. -М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005.

56. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. 9-е изд. доп. и перераб. - М. Высшая школа, 1996.

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

58. Справочник по проектированию электроэнергетических сетей. / Под ред. Д.Л. Файбисовича. 2-е изд. М.: НЦ ЭНАС, 2006.

59. Белоруссов Н.И., Саакян А.Е., Яковлева А.И. Электрические кабели, провода и шнуры. Справочник. / Под ред. Н.И. Белоруссова. 2-е изд. доп. и перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1988.

60. Ершов М.С., Горюнов О.А., Лебедев А.А., Егоров А.В. Управление режимами электротехнических систем нефтегазовых комплексов с автономным электроснабжением. Учебное пособие. М.: РГУ нефти и газа, 2007.

61. Нетушил А.В., Поливанов К.М. Основы электротехники. В 3-х т. М.: Госэнергоиздат, 1956.

62. Электротехнический справочник. В 4-х т. Т.З. Производство, передача и распределение энергии. / Под общ. ред. Профессоров МЭИ. 8-е изд. - М.: МЭИ, 2002.

63. Ефимов И.Е., Шермина Г.Н. Волноводные линии передачи. М.: Связь, 1979.

64. Шмелев В.Е., Сбитнев С.А. Теория электромагнитного поля. М.: 2004.