На правах рукописи

Тарасов Владимир Маркелович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ РЕЖИМАМИ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

С РЕЗКОПЕРЕМЕННОЙ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск – 2012

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий.

Научный руководитель – доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», кандидат технических наук, доцент Газизова Ольга Викторовна

Официальные оппоненты:

декан приборостроительного факультета, заведующий кафедрой автоматики и управления ФГБОУ ВПО «Южно- Уральский государственный университет»

(НИУ), доктор технических наук, профессор Казаринов Лев Сергеевич;

профессор кафедры электротехники и электротехнических систем ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.

Носова», кандидат технических наук, доцент Мугалимов Риф Гарифович.

Ведущая организация – ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет им. первого президента России Б.Н. Ельцина».

Защита состоится 13 декабря 2012 г. в 10 часов 00 минут в ауд. главного учебного корпуса на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ, с авторефератом – на официальном сайте ВАК www.vak.ed.gov.ru и на официальном сайте ЮУрГУ www.susu.ac.ru.

Автореферат разослан «_» 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.

Ленина, 76, гл. корпус, Ученый совет ЮУрГУ на имя ученого секретаря, тел./факс: (351) 267-91-23.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.298.05, д.т.н., профессор Ю.С. Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Система электроснабжения современного металлургического предприятия представляет собой комплекс сложного энергоемкого технологического оборудования и генерирующих мощностей. В настоящее время увеличивается как единичная мощность, так и общая доля электроустановок с резкопеременным характером потребления электроэнергии. В системе электроснабжения промышленного предприятия (СЭПП) к данным нагрузкам относятся электроприемники прокатного передела и электросталеплавильного производства. Наличие таких потребителей приводит к ухудшению качества напряжения в сети, качанию роторов синхронных генераторов (СГ) собственных электростанций промышленных предприятий и снижению устойчивости отдельных машин переменного тока и СЭПП в целом.

В современных рыночных условиях промышленные предприятия с целью снижения энергозатрат на производство заинтересованы в развитии собственных электростанций. Малые капитальные вложения и возможность использования вторичных энергетических ресурсов металлургического производства стимулируют использование объектов малой энергетики в виде СГ, приводимых газовыми турбинами и газопоршневыми двигателями. Это существенно усложняет конфигурацию промышленных электрических сетей, а при наличии энергоемких резкопеременных нагрузок делает актуальными проблемы обеспечения устойчивости самих генераторов и системы электроснабжения в целом.

Таким образом, параллельная работа объектов малой энергетики и мощных электроприемников с резкопеременной нагрузкой в СЭПП сопровождается эксплуатационными переходными режимами (ЭПР). Особенно утяжеляет такие переходные процессы выход электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в результате срабатывания релейной защиты или противоаварийной автоматики. Управление подобными режимами является задачей диспетчерского персонала электростанций и электрических сетей крупного промышленного предприятия.

Поэтому в сформулированных выше условиях актуальна разработка методики и программного обеспечения (ПО) расчета и анализа ЭПР с целью повышения эффективности оперативно-диспетчерского управления СЭПП сложной конфигурации.

Актуальность рассматриваемых вопросов отмечена в Федеральном законе «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», основных положениях энергетической стратегии развития России до 2020 года, «Основных направлениях развития энергетики Челябинской области на период до 2015 года», приказах ОАО «ММК» «О снижении расхода энергетических ресурсов в 2009 - 2012 году». Выполненные НИР в МГТУ: работа по договору с ОАО «ММК» «Управление эксплуатационными режимами системы электроснабжения ОАО «ММК» с учетом ввода в эксплуатацию новых производственных мощностей со специфической нагрузкой на период до 2012 г.» и работа в рамках федеральной целевой программы «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по темам «Создание энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электрической энергии на металлургическом предприятии с полным технологическим циклом» (государственный контракт № 02.740.11.0755) и «Создание энергосберегающих систем производства, распределения и потребления тепловой энергии в топливно-энергетическом хозяйстве города средствами регулируемого электропривода и автоматизированных систем управления технологическими процессами» (государственный контракт № 14.В37.21.0334) также подтверждают актуальность работы.

Степень научной разработанности проблемы. Методы расчета переходных процессов систем электроснабжения приведены в работах В.А.

Веникова, Л.А. Жукова, Ю.Е. Гуревича, П.С. Жданова, П. Андерсона, С. Бернаса. Моделирование СГ при расчете переходного режима изложено работах П.С. Жданова, Э. Кимбарка. Описание систем регулирования скорости генераторов, приводимых различного рода первичными двигателями, представлено в работах В.Н. Веллера, И.И. Кириллова, И.В. Котляра, Л.В. Арсеньева, Б.В. Сазанова, И.В. Крутова. В работах М.М. Фотиева, О.А. Маевского, Б.И.

Фираго приведены основные уравнения зависимостей параметров режимов работы двигателей, питающихся от тиристорных преобразователей, от параметров питающей сети. Основные способы расчета показателей качества электроэнергии и влияния резкопеременной нагрузки изложены в работах И.В. Жежеленко, Б.И. Кудрина, В.С. Иванова, Ю.С. Железко, М. Томпсона.

Проведенный обзор существующей литературы показывает, что не достаточно проработаны вопросы управления ЭПР и анализа устойчивости промышленных систем электроснабжения сложной конфигурации, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку. Математические модели СГ, приводимых газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания, и резкопеременной нагрузки не адаптированы к расчету ЭПР.

Целью работы является повышение эффективности управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, за счет прогнозирования эксплуатационных режимов и принятия решений по адаптивной реконфигурации сети.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. Получены математические модели синхронных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, и упрощенные математические модели промышленных электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для расчета эксплуатационных переходных режимов при раздельной и параллельной работе с энергосистемой.

2. Разработана методика оперативного расчета и анализа эксплуатационных переходных режимов сложнозамкнутых промышленных систем электроснабжения при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом энергоемких резкопеременных нагрузок и объектов малой энергетики.

3. Предложен алгоритм оперативно-диспетчерского управления режимами систем электроснабжения промышленных предприятий с целью снижения влияния резкопеременной нагрузки на колебания напряжения и повышения устойчивости машин переменного тока.

4. Выполнена программная реализация разработанных методики и алгоритма.

5. Проведен анализ эксплуатационных переходных режимов при работе резкопеременной нагрузки в условиях системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» («ММК») при помощи разработанного ПО и даны рекомендации по адаптивной реконфигурации системы с целью сохранению устойчивости и снижению колебаний напряжения.

Методы исследования.

Решение поставленных задач велось на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории вероятности и математической статистики, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирования. Исследования проводились с помощью оригинального ПО.

Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:

1) соответствием результатов вычислительного эксперимента экспериментальным данным в виде осциллограмм напряжений;

2) корректным использованием методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов;

3) использованием реальных технических характеристик оборудования и апробированием ПО на действующем промышленном предприятии.

Научная новизна.

1. Разработана методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и работе резкопеременной нагрузки, позволяющая анализировать и прогнозировать подобные режимы при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

2. Получен алгоритм управления ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, позволяющий разработать мероприятия по повышению качества электроэнергии, устойчивости СЭПП и снижению электрических потерь, отличающийся возможностью принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Созданы математические модели СГ, приводимых газопоршневыми двигателями и газовыми турбинами, с целью расчета ЭПР при наличии резкопеременной нагрузки, отличающиеся учетом типа системы автоматического регулирования скорости (АРС) и возможностью использования при исследовании режимов выхода электростанции с нагрузкой на раздельную работу с энергосистемой в условиях дефицита мощности.

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданное ПО позволяет осуществить расчет и анализ ЭПР СЭПП и оценить динамическую устойчивость машин переменного тока при работе резкопеременной нагрузки и наличии объектов малой энергетики.

2. Использование программного комплекса дает возможность оценить отклонения и колебания напряжения во всех точках исследуемой сложнозамкнутой СЭПП с учетом взаимного влияния обобщенных резкопеременных нагрузок и отдельных машин переменного тока.

3. Разработанный алгоритм позволяет повысить эффективность управления эксплуатационными режимами сложнозамкнутых СЭПП за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации сети с целью повышения качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

4. Разработанный применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» комплекс мероприятий, направленный на снижение уровня колебаний напряжения, позволяет уменьшить ущерб от дополнительных потерь мощности, возникающих при работе резкопеременной нагрузки, а также повысить устойчивость СГ собственных электростанций.

Реализация результатов работы.

1. Разработано ПО расчета ЭПР СЭПП с местными тепловыми электростанциями и объектами малой энергетики при параллельной и раздельной работе с энергосистемой и наличии резкопеременной нагрузки. Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №201261209 от 24.02.2012 г.).

2. Созданы базы данных по объектам малой энергетики Магнитогорского энергетического узла (МЭУ), энергоемким электроприемникам с резкопеременной нагрузкой и компенсирующим устройствам системы электроснабжения ОАО «ММК», предназначенные для использования совместно с разработанным программным комплексом.

3. Полученное ПО использовано для оперативного прогнозирования ЭПР СЭПП, анализа динамической устойчивости и принятия решений по адаптивной реконфигурации системы при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

4. Разработанная программа для ЭВМ прошла апробацию в группе режимов Центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и на оперативнопроизводственном участке цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», получила положительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.

5. Разработаны и переданы для последующего внедрения мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить колебания напряжения и потери мощности при работе стана горячей прокатки 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК». Расчетный экономический эффект от внедрения разработанных мероприятий составляет 1,7 млн. руб. в год.

6. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах» и «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.

Носова» и повышении квалификации руководящих работников энергослужб.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

2. Алгоритм управления ЭПР СЭПП, имеющих собственные электростанции, позволяющий повысить качество напряжения и устойчивость машин переменного тока при действии резкопеременной нагрузки за счет принятия решений по адаптивной реконфигурации системы.

3. Математические модели промышленных генераторов, входящих в состав объектов малой энергетики, предназначенные для расчета ЭПР, вызванных действием резкопеременных нагрузок.

4. Результаты расчета и анализа устойчивости и показателей качества электроэнергии, полученные с помощью разработанных методики и алгоритма в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».

Апробация работы.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные аспекты глав обсуждались на следующих конференциях и семинарах: Междунар.

научно-техн. конф. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), IV и VI Междунар. молодежных научн. конф.

«Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009 г., 2011 г.), VIII и X Междунар. научнопракт. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С-Петербург, 2009 г., 2010 г.), II Междунар. научнопрактич. конф. «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2011 г.), Междунар. научно-практ. конф.

«Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса» (г. Омск, 2011 г.), Междунар. научно-техн. конф. «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.), X и XI Всерос. научнопрактич. конф. «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России»

(г. Магнитогорск, 2009 г., 2010 г.), Всерос. конф. с элементами научной школы для молодежи «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.), III Всерос. научно-техн. конф. «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.), VII Всерос. научно-техн. конф., посвященной 50-летию первого полета человека в космос «Молоджь и наука» (г. Красноярск, 2011 г.), 67-й научнотехн. конф. по итогам научно-исслед. работ (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й межрегион. научно-техн. конф. «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2010 г.).

По результатам исследований опубликовано 17 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 121 наименования и 10 приложений.

Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 85 рисунков и 18 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, дана общая характеристика работы и названы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится анализ состояния и обзор исследований в области управления режимами СЭПП, методов расчета переходных режимов при параллельной и раздельной работе с энергосистемой, методов анализа влияния резкопеременной нагрузки на показатели качества напряжения, а также обзор существующих ПО, позволяющих рассчитывать ЭПР СЭПП.

Анализ показал, что необходим пересмотр структуры существующих методов управления режимами, мало применимых к СЭПП, имеющих объекты малой энергетики, и не предназначенных для управления ЭПР при работе резкопеременных нагрузок. Рассмотренные методы расчета переходных электромеханических процессов ориентированы на крупные энергосистемы и не позволяют учесть работу комплексной и индивидуальной резкопеременной нагрузки, а также действие АРС первичных двигателей генераторов в составе объектов малой энергетики. Методы анализа влияния резкопеременной нагрузки на качество напряжения основываются либо на использовании экспериментальных данных, полученных в реальных условиях работы, либо на теоретических расчетах, применимых для сетей простейшей конфигурации. Отсутствуют программные комплексы расчета ЭПР СЭПП сложной конфигурации, возникающих при работе резкопеременной нагрузки и электрически близко расположенных к ней объектов малой энергетики.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей СГ, входящих в состав объектов малой энергетики, и электроприемников с резкопеременной нагрузкой, позволяющих производить расчет ЭПР.

Созданы математические модели СГ, входящих в состав паротурбинной (ПТУ), одно- и двухвальной газотурбинных (ОГТУ и ДГТУ) и газопоршневой установок (ГПУ), а также приводимых газовыми утилизационными бескомпрессорными турбинами (ГУБТ). В процессе моделирования для анализа изменения угла ротора и динамической устойчивости синхронной машины получены уравнения небалансов мощностей на валу роторов, учитывающие синхронную PC и асинхронную PAс мощности, а также мощности, обусловленные потерями в роторе РРот и статоре РСтат СГ (табл. 1).

Определение небалансов мощностей на валу роторов СГ пп. энергетики ДГТУ, турбина высокого давления (ТВД) В процессе математического моделирования СГ, входящих в состав объектов малой энергетики, исследованы системы АРС первичных двигателей. На основании уравнений движения элементов системы регулирования получены зависимости мощности, обусловленной действием регуляторов скорости, от изменения угла ротора, коэффициента неравномерности и постоянных времени T (табл. 2). Выход на раздельную работу с энергосистемой электростанции с нагрузкой при дефиците активной мощности может сопровождаться лавиной частоты, поэтому были сформулированы зависимости механической мощности нерегулируемых первичных двигателей от частоты сети (табл. 2).

В расчет переходного режима синхронные машины вводятся переходной ЭДС E'=E'd+jE'q за переходным индуктивным сопротивлением по продольной оси x'd, так как исследуются ЭПР и режимы выхода на раздельную работу, в общем случае не сопровождающиеся существенным изменением напряжения и значительным изменением потоков реакции статора синхронных машин. Действие автоматического регулирования возбуждения (АРВ) учитывается соответствующим изменением вынужденной ЭДС. Полученные математические модели СГ использованы при разработке методики расчета ЭПР СЭПП, сопровождающихся действием резкопеременной нагрузки.

ОГТУ, АРС прямого действия (обороты) (нагрузка) В работе получены упрощенные математические модели двигателей переменного тока, питающихся непосредственно от сети, и двигателей постоянного и переменного тока, питающихся от тиристорных преобразователей, с резкопеременным моментом на валу, а также обобщенной резкопеременной нагрузки. При расчете ЭПР модели позволяют определять активные и реактивные мощности двигателей с учетом параметров режима сети.

В третьей главе разработаны методика расчета (рис. 1) и алгоритм управления (рис. 2) ЭПР СЭПП сложнозамкнутой конфигурации при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки.

Разработанная методика расчета ЭПР основана на сочетании метода последовательного эквивалентирования для расчета режима в фиксированый Ввод параметров расчетной схемы Ввод графиков активной и реактивной Расчет исходного установившегося режима Определение параметров векторной диаграммы синхронной машины в установившемся режиме Фиксирование необходимого изменения в схеме и угла ротора на первом интервале

НПЧ ПТУ

ДСП Расчет мощности в соответствии с Расчет вынужденной ЭДС действия АРВ Обобщенная Расчет мощности в соответствии момент времени и метода последовательных интервалов для определения приращения параметров режима, что позволяет учесть действие АРВ и АРС СГ и резкопеременной нагрузки. Данный подход дает возможность свести расчет к взаимодействию одномашинной системы с эквивалентными характеристиками остальной части системы, полученными при расчете установившегося режима, взамен решения сложной системы уравнений.

Ввод исходных данных работе резкопеременной нагрузки вость генераторов сохранилась Устойчивость

QКУ QПОТР

напряжения Рис. 2. Алгоритм управления ЭПР при работе резкопеременной нагрузки В полученной методике на каждом шаге расчета работа электроприемников с резкопеременной нагрузкой учитывается изменением потребляемых активных и реактивных мощностей в соответствии с графиками нагрузки. Изменение мощностей электроприемников, тип первичного двигателя и работа АРС учитывается в расчете небаланса мощностей на валу СГ, оказывая влияние на устойчивость системы и показатели качества напряжения.

Предложенная методика расчета ЭПР позволяет производить анализ режимов сложнозамкнутой системы электроснабжения крупного промышленного предприятия, имеющего собственные разнородные источники электроэнергии и энергоемкую резкопеременную нагрузку при параллельной работе и выходе на раздельную работу с энергосистемой.

Использование разработанной методики, положенной в основу соответствующего программного комплекса «КАТРАН 6.0», дает возможность усовершенствовать процессы управления ЭПР. На рис. 2 показан полученный алгоритм управления режимами СЭПП, предусматривающий расчет исследуемого переходного режима с последующей проверкой показателей устойчивости и качества напряжения. Алгоритм позволяет повысить эффективность управления ЭПР за счет разработки мероприятий по снижению качаний машин переменного тока и повышению качества электроэнергии, предусматривающих адаптивную реконфигурацию сети.

В четвертой главе исследована динамическая устойчивость при коротком замыкании СГ, входящих в состав объектов малой энергетики с учетом типа первичного двигателя, выполнен статистический анализ графиков нагрузки дуговой сталеплавильной печи ОАО «ММК», произведен расчет и анализ ЭПР в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК», подробно рассмотренный на примере ЛПЦ-4.

С целью анализа влияния рода первичного двигателя и соответствующего ему АРС на динамическую устойчивость промышленных СГ был произведен расчет режима трехфазного короткого замыкания различной электрической удаленности и длительности. Определено, что наибольшей динамической устойчивостью обладает СГ, приводимый газовой турбиной.

Исследование ЭПР СЭПП проводилось на примере Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) (рис. 3). МЭУ является одним из наиболее сложных объектов промышленной энергетики и имеет сложнозамкнутую конфигурацию.

В его состав входят 11 линий связи с энергосистемой, центральная (ЦЭС), паровоздуходувная (ПВЭС) электростанции и теплоэлектроцентраль (ТЭЦ) ОАО «ММК», а также большое число энергоемких электроприемников с резкопеременной нагрузкой (технологическое оборудование ЛПЦ №№ 4, 5, 8, 9, 10, и электросталеплавильного цеха (ЭСПЦ) ОАО «ММК»). К объектам малой энергетики относятся ПТУ турбинного участка паросилового цеха (ТУ ПСЦ) ОАО Н ФКУ

ЦЭС ТЭЦ

32 Мвар Рис. 3. Упрощенная схема Магнитогорского энергетического узла ленные на ГПЭС ООО «Магнитогорская энергетическая компания».

С помощью разработанного ПО проведены расчеты ЭПР МЭУ при параллельной работе с энергосистемой и выходе ТЭЦ с нагрузкой на раздельную работу. Согласно исследованиям, показатели качества напряжения на ряде подстанций превышают допустимые нормы, например на шинах ПС (колебания напряжения Ut – 2,52%, кратковременная доза фликера Pst – 0,89), ПС 88 (Ut – 3,33%, Pst – 0,63), ПС 94 (Ut – 3,62%, Pst – 0,42) и ПС (рис. 4, табл.3), на примере которой велись детальные исследования. Ниже приведен график изменения напряжения на шинах 10 кВ ПС 22 с резкопеременной нагрузкой (рис. 5) при работе стана 2500 ЛПЦ-4 ОАО «ММК».

Рис. 4. Схема электроснабжения ПС 22 ЛПЦ-4 ОАО «ММК»

Колебания частоты при работе прокатного стана ЛПЦ-4 на шинах кВ ПС 22 составили 0,08 Гц, что не превышает допустимую величину 0,2 Гц.

На примере ПС 22 исследовано влияние способа представления питающей сети на параметры ЭПР. На рис. 5 и 6 приведены графики изменения Исследуемые показатели качества напряжения на шинах ПС 22 ЛПЦ- напряжения на шинах 10 кВ 1 секции ПС 22 при подключении потребителей к эквивалентной системе бесконечной мощности (Pst – 1,29, Ut – 8,09%) и к реальной системе электроснабжения с источниками конечной и бесконечной мощности (Pst – 1,16, Ut – 6,67%) соответственно. Как показали расчеты, представление источника питания шинами неизменного напряжения за сопротивлением связи дает большую погрешность при расчетах ЭПР, чем представление в виде сложнозамкнутой СЭПП.

Рис. 5. Изменение напряжения при Рис. 6. Изменение напряжения при питапитании от сложнозамкнутой сети нии от системы бесконечной мощности Проанализировано взаимное влияние электроприемников с резкопеременной нагрузкой, питающихся от электрически удаленных друг от друга подстанций, на уровень колебаний напряжения на их шинах. На рис. 7 приведен график изменения напряжения, полученный при представлении в расчетной схеме в виде резкопеременной нагрузки только потребителей ЛПЦ- (Pst– 0,21, Ut – 1,57%), тогда как остальные потребители отнесены к спокойной, а на рис. 8 – при учете всей резкопеременной нагрузки МЭУ, за исключением нагрузки исследуемой подстанции, которая принята за спокойную (Pst – 0,31, Ut – 1,71%). Очевидно, что работа электрически удаленной резкопеременной нагрузки приводит к росту колебаний напряжения даже на 110 кВ.

Рис. 7. Изменение напряжения при Рис. 8. Изменение напряжения при учете работе только ЛПЦ-4 ЛПЦ-4 в виде «спокойной» нагрузки С помощью разработанного ПО проведено исследование ЭПР ПС 22 в перспективной схеме, предполагающей подключение объектов малой энергетики. Результаты расчетов показали, что при работе резкопеременной нагрузки предложенные к установке ГТУ менее устойчивы по сравнению с ПТУ в силу большей инерционностью последних.

При параллельной работе с энергосистемой в ЭПР устойчивость собственных СГ ОАО «ММК» сохраняется. Это объясняется большим числом линий связи МЭУ с энергосистемой. Однако в режимах ограниченной связи с энергосистемой при аварийных отключениях питающих линий действие резкопеременной нагрузки приводит к небольшим качаниям роторов СГ (рис. 9).

Рис. 9. Качания собственных углов роторов синхронных генераторов Исследование режима выхода на раздельную работу производилось на примере ТЭЦ ОАО «ММК» совместно с ЛПЦ-9, электроприемники которого представляют собой резкопеременную нагрузку суммарной мощностью 26 МВт.

Устойчивость СГ сохраняется (рис. 10), так как рассматриваемый узел является избыточным по активной (34 МВт) и реактивной (19 Мвар) мощности. Возрастание взаимных углов роторов генераторов составляет 3 эл. град. по сравнению Рис. 10. Взаимные углы роторов СГ Рис. 11. Качания углов роторов при работе резкопеременной нагрузки СГ относительно СД ПЭН-7 ТЭЦ с расчетом, произведенным без учета резкопеременных свойств потребителей. Динамическая устойчивость синхронных двигателей снижается в большей степени (рис. 11), что объясняется их меньшей инерционностью.

По результатам расчетов ЭПР системы электроснабжения ОАО «ММК» сделаны выводы об устойчивости собственных СГ и снижении качества электроэнергии, связанным с возникновением колебаний напряжения при работе резкопеременной нагрузки. Данные колебания приводят к возникновению дополнительных потерь мощности. Для снижения их уровня на примере системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК» предлагается включение существующих компенсирующих устройств ПС 22 (рис. 4), к которым относятся 2 синхронных компенсатора по 7,7 Мвар и 4 фильтрокомпенсирующих устройства суммарной мощностью 9,6 Мвар. Их использование позволит снизить колебания напряжения (табл. 3) и изменит потокораспределение в сети, что в свою очередь уменьшит потери электроэнергии.

Расчетный экономический эффект от реализации предлагаемых мероприятий составляет 1,7 млн. руб. в год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Рассмотренные в диссертационной работе теоретические и практические исследования, направленные на повышение эффективности управления ЭПР сложнозамкнутых СЭПП при наличии объектов малой энергетики и резкопеременной нагрузки, за счет прогнозирования ЭПР при параллельной и раздельной работе с энергосистемой, позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Разработана методика оперативного расчета и анализа ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики и резкопеременную нагрузку, при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу, позволяющая оценить изменение напряжения в узловых точках сети и углов роторов синхронных машин с целью анализа показателей качества электроэнергии и динамической устойчивости машин переменного тока.

2. С целью разработки мероприятий, предусматривающих адаптивную реконфигурацию сети и направленных на повышение качества электроэнергии и устойчивости СЭПП, получен алгоритм управления ЭПР, позволяющий учесть изменение параметров режима при работе энергоемкой резкопеременной нагрузки, компенсирующих устройств и объектов малой энергетики.

3. Предложены математические модели СГ, входящих в состав регулируемых и нерегулируемых объектов малой энергетики, таких как ГТУ, ПГУ, ГПУ и ГУБТ, с целью расчета ЭПР СЭПП. Получены расчетные математические модели электроприемников с резкопеременным характером потребления электроэнергии для использования в расчете ЭПР.

4. Разработан и отлажен программный комплекс «КАТРАН 6.0», позволяющий проводить расчет и анализ ЭПР СЭПП, имеющих в своем составе объекты малой энергетики, при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом работы резкопеременной нагрузки. Программный комплекс апробирован и внедрен в группе режимов ЦЭТЛ и диспетчерской службе цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК». Программный комплекс «КАТРАН 6.0» прошел государственную регистрацию в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №201261209 от 24.02.2012 г.).

5. При помощи созданного программного комплекса с целью апробации разработанных методики и алгоритма осуществлен анализ ЭПР в условиях сложнозамкнутой системы электроснабжения ОАО «ММК», произведена оценка влияния работы резкопеременной нагрузки на качество напряжения и способа представления питающей сети на параметры ЭПР, осуществлен анализ динамической устойчивости синхронных машин при параллельной работе с энергосистемой и выходе на раздельную работу.

6. Разработаны и переданы для внедрения мероприятия по повышению эффективности управления ЭПР системы электроснабжения ЛПЦ-4 ОАО «ММК».

Расчетный экономический эффект составляет 1,7 млн. руб. в год за счет сокращения потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятия.

7. Разработанные методика, алгоритм и программный комплекс использованы при преподавании дисциплин «Переходные процессы в электроэнергетических системах», «Устойчивость систем электроснабжения» на кафедре электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова»

и могут быть рекомендованы для расчета и анализа ЭПР в службах диспетчерского управления крупных промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, независимо от отрасли промышленности.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих периодических изданиях из перечня ВАК РФ 1. Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Тарасов В.М. Оценка регулирующего эффекта выпрямительной нагрузки для определения параметров установившихся режимов систем электроснабжения промышленных предприятий // Изв. вузов Электромеханика. – 2011. – №4. – С. 115-118.

2. Буланова О.В., Малафеев А.В., Ротанова Ю.Н., Тарасов В.М. Анализ переходных режимов систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих в своем составе объекты малой энергетики // Промышленная энергетика. – 2010. – №4. – С. 22-28.

3. Газизова О.В., Малафеев А.В., В.М. Тарасов, Прудников Е.В. Исследование переходных режимов промышленных систем электроснабжения при наличии значительных электрических резкопеременных нагрузок // Главный энергетик. – 2011.– №12. – С. 39-46.

Публикации в прочих изданиях 4. Тарасов В.М. Исследование устойчивости синхронных генераторов, приводимых газопоршневыми двигателями // Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. студентов, магистрантов, аспирантов – Тольятти: ТГУ, 2009. – С. 182–184.

5. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование синхронных генераторов с газовыми турбинами в расчетах переходных электромеханических процессов // Вести высших учебных заведений Черноземья: научно-технический и производственный журнал. – 2008. – №4. – С. 47-49.

6. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М. Моделирование генераторов, приводимых ГУБТ, в расчете переходных электромеханических процессов // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: Материалы 10-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С. 67–70.

7. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование синхронных генераторов газопоршневых электростанций в расчете электромеханических переходных процессов // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: Сб. тр. Междунар. науч.-техн. конф. Ч.2 – Тольятти:

ТГУ, 2009. – С. 288–291.

8. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Моделирование синхронных генераторов в дефицитных по активной мощности энергоузлах с учетом рода первичного двигателя // Тинчуринские чтения: Материалы докл. 4 Междунар.

молодежной науч. конф. Т.1 – Казань: КГЭУ, 2009. – С. 169-170.

9. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М. Моделирование регуляторов первичных двигателей генераторов при анализе устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий // Материалы 67-й науч.-техн. конф.

по итогам научно-исследовательских работ за 2007-2008 гг.: Сб. докл. Т.2. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С.97-100.

10. Буланова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М., Ахметханов А.М. Математическое моделирование резкопеременных нагрузок для расчета эксплуатационных режимов систем электроснабжения // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование. Т.18: Сб. тр. восьмой Междунар. науч.практ. конф. «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – С.103-104.

11. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Исследование влияния резкопеременной нагрузки на устойчивость синхронных генераторов // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 68й межрегиональной науч.-техн. конф. Т.2. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. – С.106-109.

12. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Исследование влияния параметров питающей сети на работу частотных преобразователей с непосредственной связью // Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий: Сб. науч. тр. 3-ей Всерос. науч.-техн. конф. (с междунар. участием) – Уфа: УГНТУ, 2011. – С.181–183.

13. Буланова О.В., Тарасов В.М. Исследование влияния параметров питающей сети на работу двигателей постоянного тока, питающихся от выпрямителей, в условиях систем электроснабжения промышленных предприятий // Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах: Сб. статей 2-ой Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза: Приволжский Дом знаний, 2011. – С.107–109.

14. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Моделирование регуляторов скорости паровых и газовых турбин в расчете переходных электромеханических процессов // Электротехнические системы и комплексы: Межвуз. сб.

науч. тр. Вып. 16. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2009. – С.128-131.

15. Тарасов В.М., Буланова О.В., Малафеев А.В. Математическое моделирование двигателей переменного тока, питающихся от автономных инвертеров напряжения, с целью расчета переходных процессов и разработки мероприятий по повышению качества электроэнергии // Проблемы, перспективы и стратегические инициативы развития теплоэнергетического комплекса: Материалы Междунар.

науч.-практ. конф. 10 июня 2011 г. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2011. – С. 66–68.

16. Тарасов В.М., Волков А.А., Газизова О.В., Малафеев А.В., Кондрашова Ю.Н.

Исследование эксплуатационных режимов при работе резкопеременных нагрузок в условиях ЛПЦ-4 ОАО «ММК» // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: Материалы 69-й межрегиональной науч.-техн. конф.

Т.2. – Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск. гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2011. – С.69-72.

17. Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Кондрашова Ю.Н., Панова Е.А., Хламова А.В., Тарасов В.М., Ягольникова Е.Б., Николаев Н.А., Зиновьев В.В. А.с. № 20126122069 «Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 6.0» // ОБПБТ. – 2012. - №2. – С. 500-501.