Лысикова Светлана Васильевна

Электротехнический факультет

Специальность: Электрические станции

Тема выпускной работы:

Исследование электромеханических переходных процессов в системах собственных нужд электростанции при перерывах электроснабжения

Автореферат по теме выпускной работы

Актуальность темы

Одной из основных задач электроэнергетики является повышение надёжности электроснабжения страны. Составная часть этой задачи заключается в обеспечении надёжной работы систем собственных нужд (СН), определяющих устойчивость работы генерирующих узлов энергосистем. Для обеспечения безаварийной работы названных систем требуется проведение экспериментально-расчетного исследования переходных режимов их работы, возникающих при коротком замыкании (к.з.), переключениях источников питания, пусках и переключениях электродвигателей и др. Поэтому расчётные методы должны обеспечивать точности расчётов и возможности моделирования требуемых практикой проектирования и эксплуатации электростанций сложных каскадных режимов.

Поэтому к расчётным методом исследования предъявляются требования, как в отношении точности расчётов, так и возможности моделирования требуемых практикой проектирования и эксплуатации электростанций сложных каскадных режимов.

Таким образом, исследование переходных процессов в системе СН тепловых электрических станций, требуемое для повышения надёжности их работы, является актуальной задачей.

Цель работы

Дальнейшее совершенствование методов математического моделирования переходных процессов в системах СН тепловых электрических станций (ТЭС).

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка информационно-вычислительного комплекса для расчетов электромеханических переходной процессов в системе СН ТЭС, позволявшего моделировать сложные виды коммутаций оборудования этих систем.

2. Создание информационной базы данных, содержащей параметры математических моделей оборудования систем СН.

3. Исследование переходных процессов в системах СН ряда тепловых электростанций и разработка на его основе рекомендаций по повышению надёжности их работы.

4.Разработка математического обеспечения базы данных асинхронных двигателей (АД), позволяющего использовать при расчёте их параметров исходные данные, получаемые в справочной литературе, расчётным или экспериментальным путём.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан новый метод расчёта параметров и характеристик глубокопазных АД, который с целью более точного их моделирования предусматривает учёт вытеснения тока в роторе и минимизацию отклонения расчётных данных от исходных каталожных или экспериментальных.

2. Выполнен анализ способов синтеза эквивалентных многоконтурных схем замещения и разработан на его основе метод, отличающийся более высокой точностью аппроксимации исходных характеристик АД.

3. Проведено исследование свойств применяемых при определении параметров эквивалентных многоконтурных схем замещения АД систем нелинейных алгебраических уравнений, позволившее выбрать эффективные методы их решения.

4. Разработана структура и математическое обеспечение информационно-вычислительного комплекса для расчета переходных процессов в системе СН ТЭС, что отличается улучшенными вычислительными характеристиками и разрешает рассчитывать сложные каскадные режимы в многоузловых, многомашинных системах электроснабжения (ММСЭ).

Содержание работы

Рассмотрены способы моделирования основных элементов системы СН одной из газовых ТЭС России и методы получения параметров глубокопазных асинхронных двигателей (АД), используемых в расчетах электромеханических переходных процессов.

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, составляющие основную часть нагрузки СН, отличаются большим многообразием типов и сложностью получения достоверных исходных данных. Это определяет необходимость создания для них баз данных на машинных носителях информации.

В работе показано, что погрешности исходных данных АД приводят в ряде случаев к неверному суждению о пригодности схем питания СН с точки зрения обеспечения успешного самозапуска АД.

Сделан вывод о необходимости создания такого математического обеспечения баз данных АД, которое бы позволило использовать разнотипные исходные данные двигателей, получаемые в справочной литературе, расчетным или экспериментальным путём с использованием различных методов исследования.

Рассмотрены методы получения параметров глубокопазных АД, используемых в расчетах электромеханических переходных процессов.

Дана количественная оценка двум основным группам методов, основанных на формуле Клосса и эквивалентных схемах замещения АД с параметрами, зависящими от скольжения.

Методы первой группы позволяет добиться совпадения исходных и расчётных характеристик вращающего момента только в трёх точках, соответствующих номинальному режиму работы (Sн), заторможенному ротору (S=1) и максимальному значению вращающего момента (Sкр). Однако, в средней части диапазона скольжений 0 < S < 1 рассматриваемые методы не позволяют получить удовлетворительные результата аппроксимации исходных характеристик для ряда типов АД из-за принятых фиксированных зависимостей изменения добавочного момента от скольжения.

Этим же недостатком обладают многие методы, основанные на расчёте параметров эквивалентных схем замещения с фиксированными зависимостями сопротивлений ротора от скольжения. Изменение формы характеристики вращающего момента в среднем диапазоне скольжений, необходимое для получения удовлетворительных условий аппроксимации, стало возможным лишь после введения изменяемых зависимостей сопротивлений АД от скольжения.

В методе, предложенном Ю. Е. Гуревичем, используется кусочно-линейная зависимость индуктивного сопротивления ротора от скольжения с изменяемой координатой одной из двух точек излома. Однако, указанный излом проявляется на пусковых характеристиках АД, приводя к искажению формы указанных характеристик.

Предложенная проф. А. К. Черновцом плавкая зависимость декремента роторных контуров от скольжения в виде степенного полинома с изменяемыми коэффициентами, при расчёте которых используется величина вращающего момента при S = 0.5, позволила избежать недостатков предыдущего метода. Однако, введение изменяемых зависимостей лишь декрементов роторных контуров не позволяет влиять одновременно на форму пусковых характеристик и вращающего момента и тока статора. Рассмотренный метод также не позволяет использовать другие формы исходных данных, что в случае отсутствия значения вращающего момента при S = 0.5 приводит к приближённым расчётам.

В разработанном методе изменяемые зависимости активных и индуктивных сопротивлений ротора от скольжения были получены за счет выбора оптимальных значения высоты эквивалентного прямоугольного паза ротора hэ и коэффициентов аr, ax, определяющих лобовые части соответственно активных и индуктивных сопротивлений цели ротора в известных выражениях, предложенных И. А. Сыромятниковым для этих сопротивлений

Это позволило изменять форму одновременно обоих пусковых характеристик, что улучшило условия их аппроксимации.

Каталожные данные, зависимости коэффициентов вытеснения тока от скольжения для различных форм пазов обмотки ротора, а также исходные пусковые характеристики, полученные расчетным или экспериментальным путём. В последнем случае достигается наиболее высокая точность моделирования глубокопазных АД.

С использованием разработанного метода, проведено исследование влияния выбора величины индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора на пусковые и рабочие характеристики АД. Показано, что величина указанного сопротивления может выбираться произвольной из диапазона от нуля до величины входного сопротивления электродвигателя при заторможенном роторе. Полученный результат исключает необходимость в проведении сложного натурного эксперимента для определения рассматриваемого сопротивления.

В качестве примера для асинхронного двигателя ДАЗО-19-10-12 (РН = 1700 кВт, UН = 6 кв, cos Н = 0.8, Н = 0.9435, SН = 0.008, Kі = 4.5, mп = 0.8, mm = 2.25) были получены зависимости роторных сопротивлений от скольжения, которые приведены на рис. 1.

Рисунок 1 – Зависимость параметров схемы замещения для ДАЗО-19-10-12

Проведенные многочисленные расчёты показали, что удовлетворительные результаты аппроксимации характеристик глубокопазных АД различных типов получаются при двухконтурной схеме замещения цепи ротора. Для повышения точности в отдельных случаях количество контуров увеличивалось до 3, 4, что однако, не приводит к усложнению алгоритма расчёта переходных процессов.

Выполнена разработка структуры информационно-вычислительного комплекса и отдельных его компонентов. С этой целью был сделан анализ существующих методов, алгоритмов и программ расчета на ЭВМ переходных процессов в системах СН ТЭС. Было определено, что немашинные методы расчёта могут использоваться лишь для анализа простых переходных процессов, например, нарушения и последующего восстановления режима работы отдельных секций СН.

Машинные методы позволяют выполнять расчёты различных переходных процессов в многомашинных, многоузловых системах электроснабжения с использованием дифференциальных уравнений, описывающих процессы в отдельных элементах расчётной схемы, а также уравнений связи, приводящих режимные параметры отдельных групп элементов к единой системе координат. Однако, выполнить расчёт переходных процессов сложной структуры с помощью таких программ затруднительно из-за сложности определения начальных условий интегрируемых величин. Отличается трудоёмкостью также процесс создания и отладки подобных программ.

Основной отличительной особенностью комплекса является реализация принципа разобщения процесса расчёта переходного процесса на два относительно независимых этапа: расчёт параметров математических моделей АД и приводных механизмов и расчёт переходных процессов. Это позволяет обособленно проводить сбор, обработку и систематизацию исходной информации и после получения параметров математических моделей заносить их в специально созданные базы данных, расположенные на машинных носителях информации. В данном случае в базах данных хранится информация об основных типах асинхронных двигателей газовой ТЭС напряжением 10 кВ и 0.4 кВ приводных механизмов СН.

Основной программой режимной части комплекса является программа расчета режимов ММСЭ. Для моделирования сложных каскадных режимов ее алгоритм предусматривает расчленение анализируемого режима на отдельные подрежимы, отличающиеся различным состоянием расчетной схемы за счет выполненных коммутаций ее элементов или шунтов к.з.

Изменение структуры расчетной схемы, используемой в отдельных подрежимах, производится путем исключения из расчета отдельных ветвей и узлов. Это приводит к переформированию проводимостей ветвей и задающих токов.

Для расчетов динамических режимов используются параметры двухконтурных эквивалентных схем замещения АД из их баз данных. Алгоритм программы основан на решении систем полных дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в АД, шунтах нагрузки и к.з., а также ветви системы. Структура комплекса позволяет дополнять его другими программами и наборами данных, а также вносить изменения в существующие.

Рассмотрены результаты применения разработанного комплекса для анализа переходных процессов в системах СН ТЭС.

В качестве примера использования комплекса приведен анализ надежности работы систем СН газовой ТЭС. Для данной станции было рассмотрено шесть различных вариантов изменения работ.

В качестве примера рассмотрим расчет группового самозапуска электродвигателей (ЭД) 0.4 кВ секций 1-Б (3-Б) и 2-Б (4-Б) блока при нарушении питания продолжи 1.0 с при следующих условиях: повреждение ТСН-1 (ТСН-2) во время пуска (остановки) блока, по условию, когда работает ПМН и могут работать СМН и МНВПУ, которые принимают участие в самозапуске в этом случае. Питание подается от резервного шинопровода 0.4 кВ, резервный трансформатор ТСН-6 отключенный и резервное питание осуществляется от рабочего трансформатора ТСН-3 по схеме неявного резерва.

Расчетная схема этого варианта приведена на рис. 2.

Рисунок 2 - Расчетная схема

Результаты расчета в виде зависимостей от времени частот вращения агрегатов СН, напряжений и токов секций с двигательными нагрузками, изменение сопротивлений секций приведены на рис. 3- 6.

Рисунок 3– Изменение частоты вращения (о.е.) 0.4 кВ газовой ТЭС в процессе самозапуска АД после перерыва питания продолжительностью 1 с

Рисунок 4 – Изменение напряжения (о.е.) в узлах расчетной схемы 0.4 кВ газовой ТЭС в процессе самозапуска АД после перерыва питания продолжительностью 1 с

Рисунок 5 – Изменение токов секций СН (кА) в процессе самозапуска АД после перерыва питания продолжительностью 1 с (анимация: 7 кадров, 7 повторений, 38.2 Кб)

Рисунок 6 – Изменение сопротивлений СН (Ом) в процессе самозапуска АД после перерыва питания продолжительностью 1 с

Результатом работы

Является разработанная методика, алгоритм и программа расчета параметров схем замещения и пусковых характеристик глубокопазных АД. Сделаны расчеты параметров и пусковых характеристик двигателей СН напряжением 10 и 0.4 кВ газовой ТЭС. Разработана методика, алгоритм и программа самозапуска двигателей после их индивидуального или группового выбега применительно к многоузловым схемам питания систем СН электростанций. Рассчитаны режимы самозапуска двигателей СН газовой ТЭС.

Заключение

В результате выполнения данной магистерской работы могут быть сделаны следующие выводы.

1. Существующие методы и программы расчета на ЭВМ не в полной мере удовлетворяют растущим требованиям практики проектирования, наладки и эксплуатации современных мощных тепловых электростанций. Увеличение количества расчетов переходных процессов в системах с.н. электростанций и повышение сложности структуры расчетов требуют повышения эффективности программного обеспечения этих задач.

2. Разработан информационно-вычислительный комплекс, включающий информационную базу данных для асинхронных двигателей и приводных механизмов СН, а также программы расчета режимов с улучшенными вычислительными характеристиками.

3. Создано математическое обеспечение баз данных АД, которое в отличие от существующих методов расчета параметров двигателей имеет повышенную точность. Это достигается за счет учета как ограниченного, так и расширенного объема исходных данных, получаемых расчетным или экспериментальным путем.

4. С использованием существующих методов расчета параметров и пусковых характеристик не могут быть полученные удовлетворительные результаты, особенно АД с большими значениями критического скольжения.

5. Разработанная методика, алгоритм и программа расчета пусковых характеристик, которая основана на коррекции формулы Клосса с помощью ступенчатого полинома, и отличается от предыдущих полным совпадением расчетных данных для точек скольжения Sn, Sk и S=1.

6. Разработанная методика, алгоритм и программа расчета параметров схемы замещения глубокопазного АД, которая отличается от предыдущих полным совпадением расчетных значений момента обращения и тока статора с каталожным их значениями для точек скольжения Sn, Sk и S=1.

7. Разработанная методика, алгоритм и программа расчета режимов самозапуска АД после индивидуального и группового выбега относительно сложных, много узловых схем питания собственных потребностей электростанций.

8. С помощью разработанной программы выполненные расчеты режимов самозапуска механизмов собственных нужд газовой ТЭС, которые разрешили эксплуатации этой электростанции выбрать оптимальные режимы работы станции.

Литература

1. Сивокобиленко В.Ф., Павлюков В.А. Розрахунок параметрів заступних схем і пускових характеристик глибокопазних асинхроних машин.// Електричество, 1979, №10, с. 35 – 39.
2. Сивокобиленко В.Ф., Костенко В.И. Математичне моделювання електродвигунів власних потреб электрических станцій. Донецьк, ДПІ, 1979. – 110 с.
3. Сивокобиленко В.Ф. Перехідні процеси у багатомашиних системах електропостачання електростанцій. Уч. посібн, Донецьк, ДПІ, 1984. - 116 с
4. Георгіаді В. Х. Методика розрахунку режимів перерви живлення і самозапуску електродвигунів 3-10 кВ власних потреб електричних станцій спрощеними методами. – М.: СПД ОРГРЕС, 1993 р, - 139 с.
5. Методичні вказівки до випробування ЕД власних потреб електричних станцій і розрахунку режимів їх роботи при перервах живлення. Під редакцією Георгіаді В. Х.: – М.: СПД Союзтехенерго, 1983 р, 2 частина.
6. Ойрех Я. А., Сивокобиленко В.Ф. Режими самозапуска асинхроних двигунів. - М.: Энергия, 1974. – 96с.
7. Сиромятніков И.О. Режими роботи асинхроних і синхроних двигунів / Під ред. Л.Г. Мамиконянца :– М.: Енергоатомвидавн, 1984. – 240 с.
8. Георгиади В.Х. Поведение энергоблоков ТЭС при перерывах электроснабжения собственных нужд – М.: НТФ “Энергопрогресс”, 2003. – 88 с.; ил. [Библиотека электротехника, приложение к журналу “Энергетик”; Вып. 6 (54)].
9. Лирин В.Н., Георгиади В.Х. Методические указания по испытаниям электродвигателей собственных нужд электростанций и расчетам режимов их работы при перерывах питания – М.: СПО “Союзтехэнерго”, 1982г. –[Часть1, Часть2].
10. Баков Ю.В. Проектирование електрической части електростанций с применением ЭВМ: Уч. пособ. – М.: Енергоатомвидавн, 1991. – 272 с.
11. Курбангалиев У. К. Самозапуск двигателей собственных нужд электростанций - М.: Энергоиздат, 1982 - 56 с.