ДонНТУ   Портал магистров

Юрченко Людмила Николаевна

Электротехнический факультет

Кафедра Электрические станции

Специальность Электрические станции

Разработка математической модели режимов работы БАВР в системе электроснабжения с двигательной нагрузкой

Научный руководитель: д.т.н., проф. Сивокобыленко Виталий Федорович

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты
• 3. Устранение провалов напряжения в системах собственных нужд
• 4. Математическая модель для анализа переходных процессов в системе собственных нужд
• 5. Разработка программы расчета переходных процессов
• 5.1 Описание программной среды и алгоритма
• 5.2 Описание работы программы
• Выводы
• Список источников

Введение

Собственные нужды тепловой электрической станции (ТЭС) – одна из самых ответственных частей энергообеспечения блоков. В современных системах собственных нужд основной нагрузкой являются синхронные и асинхронные двигатели.

Вследствие коротких замыканий происходят большие снижения напряжения или перерывы питания. В момент отключения или значительного снижения напряжения у двигателей быстро снижается частота вращения. Этот процесс, продолжающийся у маломощных двигателей доли секунды, а у крупных двигателей – до 10 с, называется выбегом. На выбеге постепенно затухают токи в обмотках, ЭДС, магнитные потоки. Пока они не затухли полностью, двигатели на выбеге работают как генераторы, расходуя запасенную ими энергию вращения на поддержание в неотключенной от них сети остаточного напряжения.

Надежность электроснабжения значительно повышается, если для электродвигателей с приводными механизмами, от которых зависят бесперебойная работа, предусматривается самозапуск.

Для определения двигателей, которые могут участвовать в самозапуске, необходимо осуществить анализ переходных процессов, рассчитанных с высокой степенью точности.

Данная работа посвящена усовершенствованию математических моделей и созданию соответствующих программных продуктов для расчета переходных процессов и дальнейшее их использование в разработках микропроцессорного автоматического ввода резерва (АВР), для обеспечения успешного самозапуска.

1. Актуальность темы

Обеспечение бесперебойной работы электрической станции (ЭС) зависит от создания надежной системы электроснабжения собственных нужд. При понижении напряжения для двигателей наиболее ответственных производственных механизмов предусматривается самозапуск. Поэтому актуальным является вопрос усовершенствования математических моделей и создание соответствующих программных продуктов для расчета переходных процессов, а также дальнейшего их использования в разработках микропроцессорного автоматического ввода резерва (АВР).

2. Цель и задачи исследования, планируемые результаты

Цель данной работы является разработка математической модели для исследования переходных режимов при снижении питающего напряжения в системе собственных нужд и переходе на резервный источник.

Основные задачи исследования:

1. Усовершенствование математических моделей для расчета переходных процессов.
2. Создание соответствующих программных продуктов.

Предметом исследования являются методы и алгоритмы для моделирования математической модели переходных процессов на электростанции.

В качестве практических результатов планируется разработка программного продукта на языке С++ и дальнейшее его использование при реализации алгоритма работы микропроцессорного АВР.

3. Устранение провалов напряжения в системах собственных нужд

Наиболее распространенными способами устранения провалов напряжения на сегодняшний день являются:

1. Создание схем надежного питания систем возбуждения для повышения устойчивости работы синхронных электродвигателей;
2. Согласование схем подключения катушек управления магнитными пускателями со схемой обмоток питающего силового трансформатора 6(10)/0,4 кВ для уменьшения вероятности отключения магнитных пускателей ответственных электродвигателей при наиболее частых видах повреждений;
3. Применение контакторов управления с защелкой, удерживающей их во включенном положении независимо от наличия напряжения в цепи управления;
4. Использование специальных схем, предусматривающих повторное включение электродвигателей несколькими последовательными очередями;
5. Применение схемы управления электродвигателями с дополнительным промежуточным реле;
6. Применение современной микропроцессорной релейной защиты и автоматики, позволяющих: увеличивать быстродействие защит; сокращать ступени селективности по времени; применять в необходимых случаях принцип логической селективности и отказаться от ступеней селективности по времени; осуществлять диагностику состояния электрооборудования и тем самым предотвращать возможные аварии [1];
7. Использование схемы обычного АВР или автоматического повторного включения. Обычное АВР обеспечивает включение резервного питания после отключения вводного выключателя и после затухания напряжения на резервируемой секции. На промышленных предприятиях необходимо обеспечивать безотказную работу схем АВР на напряжении 10(6) и 0,4 кВ.
8. Внедрение специальных устройств для выполнения быстродействующего АВР (БАВР) на напряжении 10 (6) кВ;

4. Математическая модель для анализа переходных процессов в системе собственных нужд

На рисунке 4.1 изображена принципиальная схема электрической системы с асинхронными и синхронными электродвигателями.

Расчетную схему составляют на основе заданной принципиальной схемы электрической системы и схем замещения ее отдельных элементов, которые с некоторыми упрощениями используются в данной работе.

Расчетная схема замещения представлена сопротивлениями (активным, индуктивным) и ЭДС системы, сопротивлениями выключателей, шунта КЗ, заземлителя и сопротивлениями статора асинхронного и синхронного электродвигателей мощностью 4000 и 6000 КВт соответственно.

Математическая модель, которая создана на основе полных дифференциальных уравнений, позволяет исследовать переходные процессы в системе собственных нужд ТЭС намного точнее, чем методики, основанные на простейших алгебраических уравнениях.

Данная работа направлена на устранение недостатков упрощенных методов расчета и для усовершенствования реализации математических моделей.

Математическая модель данной схемы состоит из дифференциальных уравнений для ее основных элементов.

Для описания асинхронного двигателя (АД) будем использовать его двухконтурную схему замещения, которая позволяет достаточно точно учесть явление вытеснения тока в роторе [2]. Будем использовать известный метод получения параметров двухконтурной схемы замещения на основе каталожных данных.

Дифференциальные уравнения, описывающие поведение АД в переходном режиме, в неподвижной системе координат можно представить как:

где:

– результирующие векторы напряжения, токов и потокосцеплений статора и ротора;

– вращающий момент двигателя и момент сопротивления механизма;

– постоянная времени агрегата;

w – частота вращения ротора.

Явнополюсные синхронные двигатели, с целью возможности обеспечения асинхронного пуска снабжаются пусковой обмоткой, стержни которой закладываются в полюсные башмаки ротора и электрически соединяются между собой, а также со стержнями соседних полюсных башмаков. В результате образуется так называемая полная пусковая обмотка в осях d и q и обмотка возбуждения по оси d.

Определение параметров схем замещения синхронной машины по каталожным данным.

Параметры обмотки возбуждения:

где:

Математическое моделирование переходных процессов производится для мгновенных значений токов и напряжений. Для этой цели воспользуемся законами Ома и Кирхгофа, в соответствии с которыми требуется составить дифференциальные уравнения для токов и напряжений ветвей и узлов заданной схемы. Алгоритмы расчетов составим на основе матричных методов.

5. Разработка программы расчета переходных процессов

5.1 Описание программной среды и алгоритма

Для разработки программы использовался кроссплатформенный инструментарий Qt для разработки программного обеспечения на языке С++.

Он позволяет запускать написанное с его помощью ПО в большинстве современных операционных систем, путем простой компиляции программы для каждой ОС без изменения исходного кода. Включает в себя все основные классы, которые могут потребоваться при разработке прикладного программного обеспечения, начиная от элементов графического интерфейса и заканчивая классами для работы с сетью, базами данных и т.д.

Также был использован Qwt или Qt Widgets for Technical Applications – набор Qt–виджетов и вспомогательных классов, необходимых для создания графического представления числовых данных.

5.2 Описание работы программы

Для расчета переходного процесса предварительно были найдены параметры схемы замещения в доаварийном режиме.

Расчет будем вести по мгновенным значениям переменных, путем численного решения дифференциальных уравнений (ДУ). Шаг расчета примем равным 0.001 секунды.

Считаем, что ЭДС генераторов и источники тока изменяются по синусоидальному закону с частотой 50 Гц, а их начальные фазы определяем из доаварийного режима.

Для построения графиков переходных процессов в элементах системы необходимо решить дифференциальные уравнения. Для этого был использован математический метод Рунге – Кутты [3].

Классический метод Рунге – Кутты 4-го порядка описывается следующей системой пяти равенств:

где:

Существует не один, а группа методов Рунге – Кутты, отличающихся друг от друга порядком, т.е. количеством параметров kj. В данном случае мы используем метод 4-го порядка, который является одним из наиболее применяемых на практике, так как обеспечивает высокую точность и в то же время отличается сравнительной простотой.

Реализация метода Рунге – Кутты в Qt:

void func_RK(Matrix &I, double t, double h, double Q1, double Q2, double Totk, double RQ1otk, double RQ1, double RQ2otk, double RQ2, double LQ1otk, double LQ1, double LQ2otk, double LQ2, Matrix &pr, Matrix &NvTR1, Matrix &NvTR2, Matrix &Tm1, Matrix &Tm2, Matrix &Nv_Q1,Matrix &Nv_Q2, double Um, double w, double Tkz, double Totk_kz, int KZ, double Rsh, double Rsh_KZ, double Lsh, double Lsh_KZ, Matrix &Nv_Sh_KZ, Matrix &R, Matrix &L, Matrix &P, Matrix &E, Matrix &Nv_E, Matrix &V, Matrix &Uuzl, Matrix &Uvet, Matrix &Dif, Matrix &RK)

{

int i;

double t2=t+(h/2), t3=t+h;

Matrix k1(I.rows);

Matrix I2(I.rows);

DD(I, t, Q1, Q2, Totk, RQ1otk, RQ1, RQ2otk, RQ2, LQ1otk, LQ1, LQ2otk, LQ2, pr, NvTR1, NvTR2, Tm1, Tm2, Nv_Q1, Nv_Q2, Um, w, Tkz, Totk_kz, KZ, Rsh, Rsh_KZ, Lsh, Lsh_KZ, Nv_Sh_KZ, R, L, P, E, Nv_E, V, Uuzl, Uvet, Dif);

for(i=0;i

{

k1[i][0]=h*Dif[i][0];

I2[i][0]=I[i][0]+(k1[i][0]/2.0);

}

Matrix k2(I.rows);

DD(I2, t2, Q1, Q2, Totk, RQ1otk, RQ1, RQ2otk, RQ2, LQ1otk, LQ1, LQ2otk, LQ2, pr, NvTR1, NvTR2, Tm1, Tm2, Nv_Q1, Nv_Q2, Um, w, Tkz, Totk_kz, KZ, Rsh, Rsh_KZ, Lsh, Lsh_KZ, Nv_Sh_KZ, R, L, P, E, Nv_E, V, Uuzl, Uvet, Dif);

for(i=0;i

{

k2[i][0]=h*Dif[i][0];

I2[i][0]=I[i][0]+(k2[i][0]/2.0);

}

Matrix k3(I.rows);

DD(I2, t2, Q1, Q2, Totk, RQ1otk, RQ1, RQ2otk, RQ2, LQ1otk, LQ1, LQ2otk, LQ2, pr, NvTR1, NvTR2, Tm1, Tm2, Nv_Q1, Nv_Q2, Um, w, Tkz, Totk_kz, KZ, Rsh, Rsh_KZ, Lsh, Lsh_KZ, Nv_Sh_KZ, R, L, P, E, Nv_E, V, Uuzl, Uvet, Dif);

for(i=0;i

{

k3[i][0]=h*Dif[i][0];

I2[i][0]=I[i][0]+k3[i][0];

}

Matrix k4(I.rows);

DD(I2, t3, Q1, Q2, Totk, RQ1otk, RQ1, RQ2otk, RQ2, LQ1otk, LQ1, LQ2otk, LQ2, pr, NvTR1, NvTR2, Tm1, Tm2, Nv_Q1, Nv_Q2, Um, w, Tkz, Totk_kz, KZ, Rsh, Rsh_KZ, Lsh, Lsh_KZ, Nv_Sh_KZ, R, L, P, E, Nv_E, V, Uuzl, Uvet, Dif);

for(i=0;i

{

k4[i][0]=h*Dif[i][0];

RK[i][0]=I[i][0]+(k1[i][0]+2.0*k2[i][0]+2.0*k3[i][0]+k4[i][0])/6.0;

}

}

В программе смоделированы различные виды коротких замыканий в сети собственных нужд и получены графики изменения токов в фазах.

Выводы

В результате научно-исследовательской работы были собраны и изучены материалы по вопросам, связанным с темой магистерской работы. В среде программирования Qt была разработана программа расчета установившегося режима сети, а также смоделирован переходный процесс при различных видах КЗ. Данный программный продукт может быть использован для разработки и усовершенствования быстродействующего АВР, чтобы минимизировать время переключения на резервный источник питания.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. ГОСТ Р 54149–2010 ССБТ. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [Текст]. – М.: Изд-во стандартов, 2012. – 20 с.
2. Вольдек А.И «Электрические машины» Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений.-3-3 изд., перераб.- Л.: Энергия, 1978. – 832с
3. Методические указания к выполнению курсовой работы по курсу «Математические задачи электроэнергетики» для студентов специальности 7.090601 «Электрические станции». ДонНТУ, 2007 – 58с
4. Сивокобыленко В.Ф., Лебедев В.К. «Переходные процессы в системах электроснабжения собственных нужд электростанций» Учебное пособие для ВУЗОВ.– ДонНТУ, 2002 – 135с
5. Неклепаев Б. Н., Крючков И.П. «Электрическая часть электростанций и подстанций»: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для ВУЗОВ. – Энергоатомиздат, 1989г. – 608 с.;
6. Сивокобыленко В.Ф. Математическое моделирование характеристик асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором с учётом потерь в стали / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 7 (128). – Донецьк, 2007. – С. 126 – 131.
7. Голоднов Ю.М.Самозапуск электродвигателей. / Голоднов Ю.М. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985.– 1З6 с.
8. Винославский В.Н., Пивняк Г.Г., Несен Л.И. и др. Переходные процессы в системах электроснабжения: Учебник / Под ред. В. Н. Винославского. К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 422 с.
9. Крючков И.П. Переходные процессы в электроэнергетических системах / И. П. Крючков. 2008. – 416 с.
10. Ойрех Я. А., Сивокобыленко В. Ф. Режимы самозапуска асинхронных двигателей. – М.: Энергия, 1974. – 96с.