Шахова Татьяна Юрьевна

АВТОРЕФЕРАТ квалификационной работы магистра

«Математическое моделирование электромеханических переходных процессов в системах
собственных нужд современных блочных агрегатов мощностью 200 МВт»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ

2 СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ, ПЛАНАМИ, ТЕМАМИ 

3 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

4 ПРЕДПОЛАГАЕМАЯ НАУЧНАЯ НОВИЗНА ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

5 ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ 

6 АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

7 ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК ПО ТЕМЕ

8 ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Быстрое развитие цифровых вычислительных машин способствовало разработке новых методов математического моделирования и расчета стационарных и переходных режимов работы электротехнических и электроэнергетических систем. Это позволило по-новому подойти ко многим вопросам проектирования и эксплуатации различного рода объектов. В общем случае процессы в объекте могут быть описаны аналитическими зависимостями, основу которых составляют системы нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений. При этом при наличии информации о параметрах системы и топологических связях между ее элементами может быть построена математическая модель объекта, с помощью которой выполняется анализ его поведения в различных режимах работы.

В настоящее время повсеместно используется математическое моделирование, и имеются соответствующие программы расчета электрических режимов, токов короткого замыкания, электрических и магнитных полей. Эта информация используется для оптимизации проектирования и управления электротехническими объектами. Надежная и экономичная работа современных тепловых электрических станций в большей степени зависит от надежности работы механизмов собственных нужд. Основным видом привода наиболее ответственных механизмов собственных нужд электростанции являются асинхронные и синхронные двигатели 6 кВ. Непрерывное увеличение единичной мощности блоков приводит к росту установленной мощности двигательной нагрузки, единичной мощности и пусковых токов АД и СД, что в ряде случаев затрудняет обеспечение удачного самозапуска и динамической устойчивости двигательной нагрузки при коротких замыканиях и кратковременных понижениях напряжения. Это может привести к аварийному отклонению блоков электростанций и понижению надежности функционирования всей энергосистемы в целом. Все это способствует математическому моделированию электромеханических переходных процессов в системах собственных нужд современных блочных агрегатов мощностью 200 Мвт.

Квалификационная работа магистра выполнялась на протяжении 2009-2010 гг. согласно с научным направлением кафедры «Электрические станции» Донецкого национального технического университета.

С целью дальнейшего совершенствования и развития многомашинных систем энергоснабжения в работе рассматриваются следующие вопросы: разработка и создание математической модели, позволяющей исследовать особенности переходных процессов в системах собственных нужд современных блочных агрегатов, расчет стационарных режимов, с использованием упрощенных уравнениях Парка-Горева, анализ динамической и статической устойчивости узлов энергосистем с двигательной нагрузкой. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. создать математическую модель системы собственных нужд ТЭС;
2. исследовать переходные процессы в асинхронных двигателях с учетом зависимостей параметров от вытеснения токов и насыщения магнитных цепей;
3. использовать в модели методы узловых напряжений для определения напряжения в многоузловых системах;
4. создать комплекс алгоритмов и программ для формирования различного типа математических моделей, основанных на полных или упрощенных уравнениях Парка-Горева или на алгебраических уравнениях для стационарных режимов.

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

Объектом исследования является математическая модель электромеханических переходных процессов собственных нужд современных блочных агрегатов.

Методы исследований.  В работе использованы методы совершенствования численного интегрирования и повышения численной устойчивости дифференциальных уравнений,  метод структурного моделирования.  

В последнее время в связи с бурным развитием вычислительной техники, а также в связи с повышением требованием к точности моделирования при разработке и создания высоконадежных систем электроснабжения ТЭС и других ответственных установок с крупными асинхронными двигателями и синхронными двигателями, значительно возрос интерес к моделям многомашинным систем электроснабжения. В связи с этим научная новизна состоит в математическом моделировании электромеханических переходных процессов собственных нужд современных блочных агрегатов. Актуальным является создание универсальной модели, позволяющей исследовать как кратковременные, так и длительные процессы в группе машин с учетом их взаимного влияния, с учетом зависимостей параметров от вытеснения токов и насыщения магнитных цепей. Математическая модель создана в среде MathCAD 2001.

Математическая модель, может иметь широкое практическое применение не только на электрических станциях, но и на любом предприятии, использующем большое количество асинхронных двигателей, бесперебойная работа которых должна обеспечивать безаварийное производство, что особенно важно для больших предприятий Донбасса. В системах собственных нужд ТЭС применяются асинхронные с короткозамкнутым ротором двигатели большой единичной мощности. С целью улучшения пусковых характеристик таких двигателей их ротор выполняют глубокопазным. При разработке математических моделей такого типа двигателей требуется учет эффекта вытеснения тока в роторе. Из-за указанного эффекта активное и индуктивное сопротивления зависят от частоты тока в роторе, в связи, с чем их часто представляют в виде функциональных зависимостей от скольжения.

27 апреля 2010 года участвовала на конференции посвященной «Дню науке» на кафедре «Электрические станции». Доклад был на тему «Электромеханические переходные процессы, протекающие при нагреве электродвигателя собственных нужд». Главной особенностью систем электроснабжения собственных нужд электростанций является применение трансформаторов рабочего и резервного питания с расщепленной обмоткой низшего напряжения, а также применение асинхронных двигателей большой единичной мощности (200-8000 кВт), короткозамкнутый ротор которых выполняется глубокопазным с целью улучшения пусковых и рабочих характеристик за счет использования эффекта вытеснения тока.

В настоящее время для анализа режимов работы энергосистем широко применяют методы математического моделирования. Если сделать локальный обзор, то обнаружим, что многие темы магистерских работ нашей кафедры связаны с моделированием математическим. Только моделируют разные модели, например, «Разработка и реализация математической модели электрической станции для анализа переходных процессов в схеме главных электрических соединений», «Математическое моделирование переходных процессов в схемах собственных нужд электрических станции» т.д. Это объясняется тем, что математическая модель играет важную роль не только на электрическихм станциях, но и на любом предприятии. Если двигатели будут работать непрерыно, то это поднимит потенциал Донбасса, а затем и Украины. Отсюда видно, что и на национальном обзоре данные разработки имееют перспективы. На глобальном обзоре, можно заметить, что многие фирмы занимаются разработками математического моделирования переходных процессов. Вот например, программа «Динамика» предназначена для моделирования электромеханических переходных процессов с учетом изменения частоты при различных коммутациях и событиях, происходящих в системе и анализа динамической устойчивости системы.

Для анализа динамической устойчивости отображаются параметры системы в ходе переходного процесса, а также анализируются следующие ситуации:

- выход параметров за установленные диапазоны;

- превышение заданных пределов взаимных углов по линиям;

- разделение системы на асинхронно работающие части;

- работа автоматики.

Применяется оригинальная математическая модель, основными особенностями которой являются:

- учет изменения частоты вращения синхронных машин в уравнениях всех элементов;

- моделирование асинхронных машин с учетом не только механического движения, но и переходных процессов в контурах ротора;

- строгий учет автоматических регуляторов возбуждения в соответствии с их передаточными функциями, с моделированием форсировки возбуждения, с учетом скачков входных сигналов в момент коммутации [1].

Высоковольтные асинхронные двигатели выполняются с двухклеточным или глубокопазным ротором для улучшения их пусковых характеристик. Параметры таких машин нелинейные вследствие вытеснения токов в роторе и насыщения путей для магнитных потоков. Явление вытеснения тока имеет место лишь в пазовой части ротора асинхронной машины и практически отсутствует в короткозамкнутых кольцах.

Достоинство многоконтурных схем замещения машин переменного тока заключается в универсальности их использования как для расчета переходных, так и установившихся режимов работы. Кроме того, информация об их параметрах весьма удобна для хранения в памяти и использовании при расчетах на АВМ и ЦВМ [2].

Рисунок 8.1 – Схема замещения глубокопазного асинхронного двигателя с двухконтурным ротором

Рисунок 8.2 – Исходные данные

Выполним расчёт параметров двухконтурной схемы замещения АД инженерным методом. Расчет выполняем в относительных единицах в следующей последовательности: Скорректируем значения номинальных КПД и коэффициента мощности [3]:

                                                                                                                                                     (8.1)

                                                                                                                                                     (8.2)

                                                                                                                         (8.3)

1. Определяем индуктивное сопротивление рассеяния статора

                                                                                                                            (8.4)

2. Находим ток холостого хода, который принимаем равным току намагничивания

                                                                                                                      (8.5)

3. Находим индуктивное сопротивление ветви намагничивания

                                                                                                                                   (8.6)

4. Определяем входные сопротивления двигателя в номинальном режиме при Sн

                                                                                                                                   (8.7)

5. Определяем входные сопротивления двигателя в пусковом режиме при S=1

                                                                                                                                   (8.8)

6. Находим проводимости ротора при номинальном скольжении

                                                                                                                                   (8.9)

7. Принимаем параметры первого контура ротора равными результирующему сопротивлению ротора в номинальном режиме

                                                                                                                                   (8.10)

8. Находим проводимости ротора в пусковом режиме:

                                                                                                                                   (8.11)

9. Параметры второго контура ротора находим как разность между результирующей проводимостью ротора при S=1 и проводимости первого контура ротора при S=1:

                                                                                                                                   (8.12)

Параметры, полученные инженерным методом, уточняем путём решения системы нелинейных алгебраических уравнений (СНАУ). Для этого составляем программы расчёта параметров схемы замещения более точным методом [5].

Рисунок 8.3 - Подпрограмма расчета входного сопротивления, тока статора, момента АД

Рисунок 8.4 - Подпрограмма расчета максимального момента

Рисунок 8.5 - Подпрограмма расчета потерь в АД
(анимация: объем - 33,3 Kбайт; размер - 640х400; состоит из 9 кадров; задержка между кадрами - 120 мс; задержка между последним и первым кадрами - 0 мс; количество циклов повторения - 6)

Уточним параметры схемы замещения путём решения СНАУ с помощью блока решений Given – Minerr в пакете MathCad. Уравнения составляются из условия совпадения расчётных и каталожных токов статора, вращающих моментов при S=1 и SН, а также потерь в номинальном режиме:

                                                                                                                                   (8.13)

Проверяем теперь совпадение расчетных значений токов, моментов и КПД с каталожными:

                                                                                                                                   (8.14)

Рисунок 8.6 - Пусковая характеристика двигателя

Рассчитаем вспомогательные коэффициенты для ДУ:

                                                                                                                                   (8.15)

Составим в форме Коши систему дифференциальных уравнений АД:

                                                                                                                                   (8.16)

Систему ДУ будем решать с помощью метода Рунге-Кутта. Последовательность расчёта указана в главной программе AD_RK_1, в которой приведены также описанные выше подпрограммы. Время пуска задаем, например 6 сек. При шаге расчёта 0,314 радиан и зная, что одна секунда равняется 314 радиан, время пуска составит 1884 рад и потребуется 6000 шагов[6].

Рисунок 8.7 - Полученные графики при расчете пуска АД