CC BY
6
УДК 621.311
ОСОБЕННОСТИ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ В РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ПРИ АНАЛИЗЕ СТАТИЧЕСКОЙ И ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЗАВОДСКИХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Кондрашова1 Ю.Н., Газизова1 О.В., Малафеев1 А.В., Бочкарев2 И.В.,
Брякин3 И.В.
Магнитогорский государственный технический университет им Г.И. Носова
г. Магнитогорск
2Кыргызский государственный технический университет им. И. Раззакова,
г. Бишкек, Кыргызстан 3Институт машиноведения и автоматики Национальной академии наук Кыргызской
Республики, г. Бишкек, Кыргызстан
Резюме. ЦЕЛЬ. Одной из основных особенностей развития современной энергетики является использование промышленными предприятиями источников распределенной генерации. В структуре заводского электроснабжения при этом возникают крупные генерирующие узлы, существенно усложняющие вопросы управления эксплуатационными режимами. Одним, из которых является выход узла с нагрузкой на раздельную с энергосистемой работу. При условии длительного существования подобного режима и оценки его допустимости необходимо оценить статическую и динамическую устойчивость синхронных генераторов. Определение цели данной работы заключается в исследовании цеховых характеристик нагрузок металлургических предприятий при различных возмущениях в энергоузле с учетом критических напряжений двигательной нагрузки и работы систем автоматического регулирования синхронных генераторов для повышения эффективности управления режимами работы электростанции. Для анализа статической и динамической устойчивости генераторов разработан усовершенствованный алгоритм, основанный на сочетании методов последовательного эквивалентирования и интервалов, учитывающий особенности промышленной разнородной нагрузки и автоматических регуляторов заводских электростанций при малых и больших возмущениях. РЕЗУЛЬТАТЫ. Получены величины регулирующего эффекта цеховой нагрузки (РЭЦН) и цеховые характеристики изменения электрической нагрузки при больших возмущениях (ЦХЭНПБВ) для характерных электроприемников металлургического производства для анализа устойчивости электрооборудования промышленных электростанций в различных режимах. Анализ устойчивости проводился с помощью программного комплекса «КАТРАН» на примере заводской электростанции в составе крупного промышленного энергоузла. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Исследован режим выхода электростанции после короткого замыкания на раздельную работу с возможностью последующей ресинхронизации. Получены рекомендации по повышению надежности работы делительной автоматики в рамках промышленной электростанции. Разработаны мероприятия по повышению эффективности управления режимами работы электростанции при выходе на раздельную работу от внешнего источника.
Ключевые слова: заводской синхронный генератор; статическая и динамическая устойчивость; программный комплекс; делительная автоматика.
PECULIARITIES OF REPRESENTATION OF ELECTRICAL LOADS OF METALLURGICAL PLANT IN DIFFERENT MODES OF OPERATION IN THE ANALYSIS OF STATIC AND DYNAMIC STABILITY OF PLANT POWER PLANTS
YuN. Kondrashova1, OV. Gazizova1, AV. Malafeev1, IV. Bochkarev2,
IV. Bryakin3
1 Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk
2 Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakov, Bishkek, Kyrgyzstan.
3Institute of Mechanical Engineering and Automation of the National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Bishkek, Kyrgyzstan
Abstact: THE PURPOSE. One of the main features of modern power industry development is the use of distributed generation sources by industrial enterprises. In the structure of plant power supply there are large generating nodes, which significantly complicate the issues of management of operational modes. One of which is the output of a node with a load to separate operation from the power system. Under condition of long existence of such mode and assessment of its admissibility, it is necessary to evaluate the static and dynamic stability of synchronous generators. Determination of the purpose of this work is to study the shop load characteristics of metallurgical plants under various perturbations in the power node, taking into account the critical motor load voltages and operation of automatic control systems of synchronous generators to improve the efficiency of power plant operation modes control. METHODS. To analyze the static and dynamic stability of generators an improved algorithm, based on a combination of methods of sequential equivalence and intervals, taking into account the features of industrial heterogeneous load and automatic regulators of plant power plants at small and large perturbations, was developed. RESULTS. The values of the regulating effect of the shop load (RETS) and the shop characteristics of electric load variations under large perturbations (CCHENPBV) for characteristic electrical consumers of metallurgical production were obtained for stability analysis in small and large industrial power plants in different modes. Stability analysis was carried out using the software package «KATRAN» on the example of the plant power plant as a part of a large industrial power hub. The mode ofpower plant output after short circuit to separate operation with the possibility of subsequent re-synchronization was investigated. CONCLUSION. Recommendations have been obtained to improve the reliability of dividing automatics within an industrial power plant. Measures have been developed to improve the efficiency of the power plant's operating modes control when it comes to split operation from an external source.
Keywords: factory synchronous generator; static and dynamic stability; software package; automatic excitation regulator; automatic speed controller; dividing automation.
Введение и литературный обзор
В связи с постоянной модернизацией современного промышленного производства и роста числа собственных электростанций относительно небольшой мощности одной из основных задач в расчете и оценки устойчивости систем электроснабжения комбината черной металлургии является корректное представление нагрузок цехов. Особенностью промышленных электроприемников является то, что они могут быть большой единичной мощности и в связи с этим оказывать влияние на устойчивость промышленных генераторов в различных режимах.
В зависимости от вида возмущения выделяют статические характеристики индивидуальных и комплексных нагрузок при малых, а также цеховые характеристики электрических нагрузок при больших возмущениях. Как правило, в существующих трудах приводятся комплексные характеристики городской нагрузки, при этом недостаточно внимания уделяется специфичным электроприемникам.
Определяемой целью представленного проекта является исследование характеристик нагрузок металлургических предприятий при различных возмущениях в энергоузле с учетом критических напряжений двигательной нагрузки и учете работы систем автоматического регулирования синхронных генераторов для разработки мероприятий по повышению эффективности управления режимами работы электростанции при отделении от внешнего источника питания. Полученные характеристики предполагается использовать для анализа устойчивости в целом для различных режимов применительно к схемам электроснабжения потребителей металлургического комбината, содержащего в своем составе собственные заводские источники распределенной генерации в виде электростанций.
Анализу устойчивости синхронных генераторов (СГ) при малых возмущениях внешних воздействий посвящено значительное количество работ как отечественных [1-3], так и зарубежных ученых [4-6]. В рассмотренных источниках статической устойчивости принято, что собственный источник работает на шины энергосистемы бесконечной мощности, что является малоподходящим для сложных многоуровневых электроэнергетических систем с большим количеством генераторов различных мощностей. Для подобных систем разработано достаточное количество методов, в том числе метод малых колебаний. На его основе получены практические критерии, которые направлены на получение характеристического уравнения и его анализ без определения корней. К другой
группе относятся практические методы, основанные на критерии / > 0, которые требуют непосредственного определения параметров установившихся режимов с использованием метода последовательного утяжеления с учетом характеристик нагрузки [79].
Одним из наиболее тяжелых режимов источников распределенной генерации металлургического комбината является их выход на раздельную работу, который следует анализировать как по статической, так и по динамической устойчивости. Возможность отделения от питающей сети делает необходимым на этапе проектирования и эксплуатации анализ эффективности делительной автоматики [10, 11]. Прежде всего, необходимо определить наличие установившегося режима автономной работы и коэффициенты запаса статической устойчивости СГ. При анализе статической устойчивости промышленных электростанций необходимо учитывать статические характеристики промышленной нагрузки, особенности работы автоматических систем регулирования возбуждения и скорости собственных источников.
Математическому моделированию элементов электроэнергетических систем, как генераторов, так и электрических нагрузок, посвящено большое количество работ [12-15]. Для анализа подобных режимов были разработаны соответствующие математические модели синхронных генераторов [8], учитывающие характеристики автоматических регуляторов с необходимой степенью точности. В доработанном алгоритме анализа устойчивости источников распределенной генерации малой и большой мощности [8,9] заводских при раздельной работе с энергосистемой были учтены математические модели. Программный комплекс «КАТРАН» разработан на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г.И. Носова [15]. Он позволяет рассчитывать параметры автономных режимов заводских электростанций комбината с учетом производительности механизмов и мощности собственных нужд и определять запас устойчивости источников и нагрузки двигателей в подобных режимах. В основу данного программного обеспечения был положен алгоритм расчета установившихся и переходных режимов источников распределенной генерации. Для расчета установившихся режимов используется метод последовательного эквивалентирования в условиях многоуровневой системы электроснабжения потребителей металлургического комбината. Исходными данными являются технические характеристики и рабочие величины электроприемников и электрической нагрузки, паспортные данные электрооборудования, а также данные систем регулирования синхронных машин. Параметры установившегося режима определяются по эквивалентным ЭДС и проводимостям каждого шага свертывания схемы. Полученный эквивалент схемы любой сложности представляет собой схему замещения любого из элементов. Процесс свёртывания и развертывания схемы при использовании метода последовательного эквивалентирования производится согласно общим законам электротехники. Для анализа режимов при больших возмущениях используется метод последовательных интервалов, позволяющий учитывать изменение дополнительных параметров во времени. Основными достоинствами сочетания указанных методов являются приведение на каждом шаге расчета к взаимодействию одномашинной системы (генератор, синхронный двигатель и т.д.) с эквивалентными характеристиками остальной части системы, полученными при расчете установившегося режима. При возникновении малых возмущений в алгоритме используются задающие коэффициенты статических характеристик электроприемников. В расчетах, при возникновении больших возмущений, используются коэффициенты динамических характеристик изменения нагрузки в зависимости от состава электроприемников.
Материалы и методы
Особенности учета статических характеристик электроприемников при анализе статической устойчивости заводских источников распределенной генерации
Математическому моделированию СГ посвящено большое число работ [16-18]. Анализ устойчивости для режимов отделения заводских источников распределенной генерации малой и большой мощности с нагрузкой также требует учета ряда особенностей [17]. При автономных режимах напряжения и частота зависят от двух основных факторов: действия автоматических регуляторов возбуждения и скорости источников распределенной генерации и регулирующего эффекта разнородной нагрузки металлургического комбината. Регулирующий эффект характеризует изменение потребляемой активной и реактивной мощности при изменении напряжения и частоты в энергосистеме. В настоящее время большое число работ посвящено определению регулирующего эффекта электроприемников для крупных энергосистем [8]. Выход на раздельную работу промышленных электростанций будет существенно зависеть от регулирующего эффекта заводской
нагрузки, то есть соответствующей цеховой нагрузки. При параллельной работе с энергосистемой актуальным является учет регулирующего эффекта по напряжению, а при раздельной работе - по напряжению и по частоте. Расчет статических характеристик отдельных приемников ведется согласно моделям, как разработанным авторами, так и в соответствии с соотношениями, приведенными в литературе в зависимости от вида потребителя. Разработаны методы определения статических характеристик комплексных нагрузок по характерным индивидуальным зависимостям нагрузок от частоты и напряжения для отдельных видов электроприводов и электротехнологических установок. На каждой ступени расчета проводится коррекция электрических нагрузок:
P(U) = р
1 + KT1
U
\Л
v u ном
-1
(
, PCf) = Рно
(
1 + K,
f
w
fH
-1
v-' ном
//
АР
если регулирующий эффект задан коэффициентом крутизны характеристики к =-
и А и
K = ДР, или , р(и4 = р
Kf = ди' 'р(U ) Рн'
(
U
\Su
Р ( f ) = Рно
'НОМ J
эффект задан показателем степени SU, S
f
f
если регулирующии
V J ном j
f
Реактивная нагрузка учитывается аналогичными зависимостями. Математические модели асинхронной и синхронной нагрузки получены в работах Гуревича Ю.Е. Комплексные характеристики нагрузки комбината приведены на рисунке 1.
S
Рис. 1. Статические характеристики Fig.1. Static characteristics of the complex load of комплексной нагрузки промышленного an industrial metallurgical plant металлургического предприятия
Таким образом, был проанализирован состав характерной нагрузки металлургического комбината, получены математические модели отдельных электроприемников, на основе которых с учетом характеристик распределительной сети был получен регулирующий эффект цеховой нагрузки, представленный в таблице 1.
Таблица 1
Регулирующий эффект наиважнейших производственных цехов комбината черной металлургии
Название отделения, цеха Регулирующий эффект нагрузки, о. е.
AP/AU де/д/ др/ди де/ди
Обогатительная фабрика 1,9 2,6 0 -1,9
Потребители собственных нужд паровоздуходувной электростанции 2,5 1,7 0,1 3,2
Продолжение таблицы 1
Потребители собственных нужд теплоэлектроцентрали 2,9 1,9 0,01 2,1
Внутрицеховая нагрузка листопрокатного цеха 2,7 4,3 0,02 0,35
Производство кокса 1,09 1 0,2 2
Цех улавливания 2,7 2,5 0,02 1,3
Насосная 3,1 0,4 -0,1 2,2
Цех паросиловой 2,7 3,5 0,02 0,4
Доменное производство 1,4 -10,1 0,05 -9,3
Кислородно-конвертерный цех. Конвертерное отделение 1,5 2,6 0,25 0,85
Кислородная станция 2,82 1, 5 0 4,3
Цех изложниц -0,4 -0,5 1,3 1,9
Кислородно-конвертерный цех. Отделение непрерывной разливки стали 0,6 0,3 0,1 1,7
Обработка стали внепечная. Мартен. 2,1 2,3 0,2 1,2
Цех фасонно-литейный 0,4 -0,02 1 1,6
ЛПЦ. Чистовая группа клетей 0,09 0,04 0 1,86
ЛПЦ. Черновая группа клетей 1,14 1,5 0 -5,42
Цех копровый 2,6 6,2 0 -2,2
Отделение прокатное ЛПЦ 0,8 -3,1 0,1 -8
Отделение покрытий ЛПЦ 1,1 0,6 0 1,7
При расчете автономных режимов с целью анализа устойчивости и эффективности работы делительной автоматики необходимо определить нагрузку, которая выйдет на раздельную работу в соответствии с конфигурацией сети, и внести соответствующие изменения в расчетную схему. Основная сложность при этом заключается в том, что точки отделения от энергосистемы могут существенно изменятся в зависимости от возникающего режима. Наиболее нежелательным является режим отделения в результате короткого замыкания и последующего действия релейной защиты. Такой режим, как правило, не предусматривается целенаправленно на этапе проектирования и может иметь существенные негативные последствия, в том числе в связи с некорректным учетом электрической нагрузки. Следующим важным фактором является учет действия автоматического регулятора возбуждения и его статизма. Поэтому учет предшествующего режима при определении показателей устойчивости генераторов и нагрузки также является важным фактором [19, 20]. Уровень частоты в выделившемся на работу узле обусловлен статизмом и настройкой регуляторов частоты каждого из генераторов. При отсутствии дефицита активной мощности и правильном действии регулятора скорости в автономном участке должна установиться частота, близкая к номинальной. Последним фактором, который следует отметить, является учет производительности механизмов собственных нужд. При существенном снижении частоты снижение их производительности может привести к лавине частоты и погасанию заводских источников распределенной генерации.
В связи с вышеописанным, возможно применение сочетания метода последовательного эквивалентирования для исследования устойчивости автономного режима с источниками распределенной генерации малой мощности и расчета установившегося режима работы методом последовательного утяжеления при анализе устойчивости с источниками распределенной генерации большой мощности. При расчете режима учитываются уставки регуляторов возбуждения и скорости в исходном режиме, статические характеристики автоматических регуляторов и статические характеристики нагрузки по напряжению и частоте. При снижении частоты корректируется мощность, выдаваемая генераторами. Если в результате расчета имеет место наличие сходимости, то в заданной точке сети производят утяжеление активной и реактивной мощности. Критическим считается режим, в котором отсутствует сходимость. После его определения строятся угловые характеристики каждого из генераторов, и в соответствии с фактическими нагрузками определяется коэффициент запаса статической устойчивости. Как известно, в нормальном режиме он должен быть не менее 20%, а в утяжеленном 10%.
При написании программного комплекса «КАТРАН» в основу была положена блок-схема с заложенным алгоритмом. Помимо анализа статической устойчивости генераторов с
его помощью при необходимости может быть определен запас устойчивости синхронных и асинхронных двигателей. Как показали расчеты, в целом асинхронные двигатели при отделении от внешнего источника питания имеют более высокий коэффициент запаса.
Особенности учета цеховых характеристик электрической нагрузки при больших возмущениях при анализе динамической и результирующей устойчивости промышленных электростанций
При исследовании режимов необходимо уделить отдельное внимание расчетам и анализу устойчивости в большом. При этом необходимо подробнее остановиться на способах представления электрической нагрузки в момент возникновения больших возмущений в системе, а именно на ЦХЭНПБВ.
Наличием инерционных элементов обуславливает различие в форме статических и динамических характеристик. Системная нагрузка состоит в основном из преобладания асинхронных и синхронных двигателей, имеющих электромагнитную и механическую инерцию. Исходя из этого изменение мощностей во времени будет происходить замедленно. Обзор представления нагрузок показал, что в работах В.Н. Авраменко предлагается для учета динамических характеристик совокупную нагрузку разделить на асинхронную, осветительную и прочую, при этом задавая удельный вес каждой составляющей по активной мощности при номинальном напряжении. В [21] разработан способ определения характеристик на основе отраслевого состава нагрузки, содержащего высоковольтные и низковольтные асинхронные и синхронные двигатели, нагревательные печи, установки электролиза, осветительные установки, устройства компенсации. В [22] был предложен комплексный узел, представленный тремя типовыми элементами -эквивалентными синхронными и асинхронными двигателями и неизменным активным сопротивлением. В [23] динамические характеристики представлены зависимостью активной и реактивной мощности от напряжения при заданном времени отключения короткого замыкания нагрузки.
Особую роль при анализе таких переходных режимов играет учет цеховых характеристик электрической нагрузки при больших возмущениях, поскольку на местных электростанциях установленные мощности генераторов могут быть соизмеримы с мощностью энергоемких потребителей. Также это может быть осветительная нагрузка, краны и электротехнологические установки. В случае наличия электроприемников большой мощности появляется необходимость их индивидуального учета. Однако, в большинстве случаев их можно учитывать как ЦХЭНПБВ [10]. Получение и снятие данных характеристик представляет собой большой интерес. При том, что использование характеристик изменения комплексной нагрузки при больших возмущениях индивидуальных электроприемников во времени сопряжено с рядом трудностей, поскольку для каждого конкретного потребителя необходимо строить характеристику изменения напряжения и частоты в зависимости от локализации, вида и времени возмущения за определенный период времени. Авторами для отдельных видов производств были построены подобные характеристики, отражающие зависимость потребляемой активной и реактивной мощности от напряжения в различные моменты отключения короткого замыкания 0,1;0,5 и 1 с. Затем был выполнен анализ долевого состава нагрузки основных видов производств, с помощью которого были получены цеховые характеристики для конкретных видом производств, приведенных в таблице 2. Используя программу Б1аИяИка 7.0., были получены коэффициенты регрессионных уравнений по активной и реактивной мощности по напряжению. Данные коэффициенты учитывают характер и вид производства применительно к подстанции, от которой получают питание. Используя разработанный алгоритм, в который заложены коэффициенты динамических характеристик, были получены совокупные цеховые характеристики электрических нагрузок при больших возмущениях для узловых подстанций и проведена проверка адекватности модели, которая показала, что результаты отличаются несущественно, а точнее в пределах заданной погрешности. Кривая обобщенной характеристики 110 кВ приведена на рисунке 2.
Впоследствии полученные коэффициенты ЦХЭНПБВ позволяют их применять в разработанном алгоритме при оценке устойчивости в целом при параллельной и раздельной работе в случае, если детальная информация о присоединениях разнородной нагрузки отсутствует или неизвестен режим их работы, а точнее критическое напряжение отключения нагрузки при коротких замыканиях и послеаварийных режимах. Причем, если рассматривается режим трехфазного короткого замыкания (ТКЗ) и последующий выход на раздельную работу, то возможно снятие подобных комплексных характеристик для режима ТКЗ, а также отключения ТКЗ.
Таблица 2
Коэффициенты цеховых характеристик электрических нагрузок при больших возмущениях для _основных производственных цехов металлургического предприятия_
Виды групп потребителей Коэффициенты ЦХЭНПБВ
KPU KQU
bo b i b 2 b 0 b 1 b 2
Установки осветительные 0 0 1 1 0 0
ЦЭС, собственные нужды -0,02 0,83 0,2 -0,03 -8,8 9,9
Цех доменный -0,03 1,01 0 0,06 -56,4 57,2
Коксохимическое производство -0,06 1,1 0 -0,03 0,9 0,23
Печь-ковш ЭСПЦ -0,07 1,06 0 -0,004 0,68 0,33
ЛПЦ-10 -0,02 0,7 0,3 -0,012 -1,6 2,5
Огнеупорное производство -0,03 1,05 0 0,04 -8 10
Метизное производство -0,04 0,8 0,3 -0,04 0,91 0,12
Нагрузка северной части города 0 0,6 0,4 0,05 -3,48 4,2
ЛПЦ-8 0,03 0,31 0,6 -4,8 5,8 0
Сортовые станы: «450», «170», «370» 0 0,65 0,32 0,07 -5,7 6,4
Печь-ковш ККЦ -0,032 0,84 0,24 -0,04 -0,4 1,5
Цех изложниц -0,04 0,8 0,30 -0,05 1,07 0
ЛПЦ-5 -0,03 1,02 0 0,8 -16,3 16,5
Цех покрытий 0,02 0,4 0,54 -4,6 5,6 0
ЛПЦ-4 0,008 0,5 0,46 -4,5 5,5 0
ГОП -0,02 1,04 0 0,7 -32,1 32,5
ЛПЦ-3 -0,056 0,95 0 0,005 0,5 0,5
Для различных видов производств с отличным процентным соотношением групп электроприемников были получены расчетные данные, которые приведены в таблице 2 в виде коэффициентов квадратичных уравнений.
1,5
0,5
СУ
-0,5
-1,5
-----
У
У / _____у ----ч
I 0 2 0 4 0 6 0 1,
Т
—*—Р 0,1с
—*—Р 0,5с —к—Q 0,5с —ж—Р 1с
—— - Р с.з. нисходящая
U, о.е.
Рис. 2. Обобщенные характеристики Fig. 2. Generalized characteristics of the electrical
электрической цеховой нагрузки при больших shop load under large perturbations for the
возмущениях для следующих моментов following time moments: 0.1 s; 0.5 s; 1 s. времени: 0,1 с; 0,5 с; 1 c.
Возникает необходимость оценки в возможности применения эквивалентной обобщенной характеристики электрической нагрузки при больщих возмущениях с помощью применения методов статистически.
0
2
Для выполнения проверки и оценки возможности использования других характеристик в диапазоне времен 0,5-2с среднеквадратичное отклонение относительно характеристики при 1=0,1е составило 4,69 %. Полученные результаты расчета являются допустимыми и позволяют их применение для расчетов в виде регрессионных уравнений, полученных с помощью пакета статистического анализа Б1аИ$Иса 9.0:
- для активной мощности р = 0,06 + 0,053 •и + 0,93 •и 2 ,о.е.;
- для реактивной мощности Q = 0,251 - 4,99 •и + 4,69 •и2 о.е.
По аналогии для узловых ПС 30, 77, 90, 60 были получены комплексные динамические характеристики форма которых зависит от процентного состава электроприемников (табл. 3). Следующим этапом, используя суммирование, была получена обобщенная характеристика на напряжении 110 кВ, благодаря которой для узлов нагрузки и сторонних потребителей, удаленных от рассматриваемой системы электроснабжения, в случае отсутствия информации о составе электроприемников можно воспользоваться ею.
Таблица 3.
Характерные группы электроприемников ПС №30 ПС №60 ПС №77 ПС №90
Высоковольтная синхронная нагрузка, % 28,5 23,2 29,2 38,4
Высоковольтная асинхронная нагрузка, % 3,4 2,9 10,2 2,2
Вентильный электропривод, % 49,2 42,5 0,1 0,1
Грузоподъемные механизмы, % 1,7 0,1 7,3 28,3
Низковольтная нагрузка, % 17,2 31,3 53,2 31
Определяющим фактором влияния на форму характеристики является процентное соотношение применительно к составу электроприемников (см. табл. 3). Необходимо отметить, что в случае преобладания тиристорного электропривода динамическая характеристика представляет собой близкую к линейной зависимость, а при преобладании высоковольтной синхронной нагрузки - квадратичную зависимость по реактивной мощности и наблюдается постоянство активной мощности при преобладании низковольтной нагрузки.
Разработка алгоритма и его реализация в программном комплексе «КАТРАН» на примере заводских источников распределенной генерации
Приведенные характеристики были заложены в доработанный алгоритм расчета переходных режимов при больших и малых возмущениях в системе электроснабжения. Он предполагает предварительное определение состава нагрузки, критических напряжений электроприемников и среднее критическое напряжение цеховой комплексной нагрузки.
Особый интерес при построении подобных характеристик представляет анализ критических напряжений, которые обуславливают многие факторы, в том числе уровень поддерживаемого напряжения, тип приводимого механизма и характер момента сопротивления на валу. Также для ряда цехов применяется питание потребителей через частотные преобразователи. При этом уровень критического напряжения будет определяться не свойствами самих двигателей, а срабатыванием защиты блоков питания. Поэтому вопрос определения критического напряжения должен решаться с учетом большого количества факторов и определяться в зависимости от конкретного объекта.
Доработанный алгоритм расчета параметров переходного режима с учетом определения совокупных цеховых характеристик электрической нагрузки при малых и больших возмущениях при параллельной и автономной работе от внешнего источника питания представлен на рисунке 3.
Определение приращений параметров режима
Рис. 3. Алгоритм расчета параметров переходного режима с учетом определения комплексных характеристик при малых и больших возмущениях при параллельной и автономной работе от внешнего источника питания.
Fig.3. Calculation algorithm for the parameters of the transition mode, taking into account the determination of the complex characteristics of small and large perturbations in parallel and autonomous operation from an external power supply.
Результаты
Результаты расчетов получены с помощью применения доработанного программного комплекса «КАТРАН». Расчеты проводились на примере источников распределенной генерации комбината, входящих в крупный промышленный энергоузел, показанный на рисунке 4, в состав которой входят три электростанции: ЦЭС-центральная электростанция, ПВЭС-1,2 паровоздуходувная электростанция 1-й и 2-й блок высокого и среднего давления, ТЭЦ-теплоэлектроцентраль с собственными генераторами различной установленной мощности от 12 до 60 МВт. Суммарная установленная мощность собственных электростанций составляет 630 МВт. Рассматриваемый промышленный узел имеет ввода от
внешних энергосистем Ириклинской и Тройцкой ГРЭС по напряжению 500 кВ. При этом с помощью подстанций связи Смеловской и Магнитогорской через автотрансформаторы осуществляется связь по напряжению 220 кВ с узловыми подстанциями 30, 60, 90, 77, 86, которые связаны друг с другом по напряжению 110 кВ разомкнутым кольцом и предназначены для питания основных видов производств листопрокатного, сортового, доменного, конверторного, горно-обогатительного, метизного, огнеупорного и коксохимического производства, а также собственных нужд. Как видно изструктурной блок-схемы промышленного энергоузла, система электроснабжения является сложнозамкнутой многоуровневой, что существенно усложняет возможные аварийные и эксплуатационные режимы.
ПС «Бекетово» Ириклинская ГРЭС
Рис. 4. Структурная блок-схема Fig.4. Structural block diagram of an industrial
промышленного энергоузла energy hub
Выход на раздельную работу в системе электроснабжения такой конфигурации может осуществляться в зависимости от способа работы делительной автоматики по шинам 3, 6, 10 и 110 кВ. Успешность выхода зависит от текущего состава генерирующего оборудования, нагрузки и корректной работы регуляторов возбуждения и скорости. Для этих расчетов предварительно были определены эквивалентные статические и динамические характеристики для всех нагрузок в узле в соответствии с цехами, к которым они относятся.
В качестве более детального рассмотрения была принята теплоэлектроцентраль (ТЭЦ), которая содержит 6 турбогенераторов мощностью 50 МВт и 60 МВт соответственно: ТГ-1, ТГ-2, ТГ-3, ТГ-4, ТГ-5, ТГ-6. На рисунке 5 представлена упрощенная однолинейная схема ТЭЦ.
Рис. 5. Упрощенная однолинейная схема ТЭЦ Fig. 5. Simplified single-line diagram of TPP.
Это связано с наименьшей степенью устойчивости турбогенераторов при возникновении коротких замыканий и отделения от внешнего источника питания.
97
Характерные варианты отделения от внешнего источника питания были рассмотрены исходя из реальных случаев эксплуатации. Статистика аварийных отключений была проанализирована за период с 2007-2021 гг. Как показали многочисленные исследования, которые проводились при детальной проработке узлов ЦЭС-ПВЭС и узла ТЭЦ в отдельности причем при различных вариантах конфигураций электрической сети с учетом и без перспективных подключений в виде нагрузки дополнительной генерации, то необходимо отметить синхронные генераторы, подверженные нарушению устойчивости в большом. Это связано с близостью к точкам аварийных отключений, влияния конфигурации схемы, например, замкнутое или разомкнутое кольцо, влияние времени отключения симметричного короткого замыкания, рост присоединяемой нагрузки, наложение ремонтных режимов при отключении одной из воздушных линий или силового трансформатора, работающего в параллель с другим. При этом следует отметить, что наименьшей степенью устойчивости обладают ТГ-4, ТГ-5, ТГ-6 ТЭЦ в связи с электрической близостью к местам возникновения аварий. При этом исследования проводились при различных конфигурациях схемы, в которой рассматривались варианты замкнутой и разомкнутой сети.
За счет действия несинхронной АПВ (НАПВ) выполняется восстановление параллельной работы. Противоаварийная автоматика должна осуществлять повторное включение выделившегося узла сети при тех значениях углов роторов СГ, при которых отсутствуют значительные броски токов статоров и обеспечивается наиболее быстрая синхронизация генераторов. Определяющим является момент включения на параллельную работу генераторов: либо это происходит при нулевом значении угла генератора, либо при угле, равном установившемуся значению. Результаты расчетов показывают, что искомый момент времени соответствует переходу угла через ноль, т.к. значение тока статора при этом тоже близко к нулю. Режимы ресинхронизации генераторов собственных электростанций имеют место, если предусмотрена работа НАПВ, то могут сопровождаться существенными изменениями токов и напряжений в различных точках электрической сети. Процесс ресинхронизации может затянуться при раздельной работе и значительных расхождениях углов, что приведет к нарушению устойчивости других СГ промышленной электростанции (рис. 6).
I переходного "
Рис. 6. Углы роторов между э.д.с. генераторов относительно ТГ-3 ТЭЦ при раздельной работе ТЭЦ после режима короткого замыкания на РУ-110 кВ при ? пред.откл = 0,7 и ^восст 2 с
Fig.6. Rotor angles between generators' e.i.s. in relation to TG-3 of CHPP at separate operation of CHPP after short-circuit mode on RU-110 kV at tpred.off = 0.7 and tvsst = 2 s
При отделении узла ТЭЦ, показанной на схеме, при различных конфигурациях было выявлено, что успешная ресинхронизация возможна. При этом время отключения КЗ составляет 0,7 с, увеличение частоты при выходе на раздельную работу 50,1 Гц, а напряжение в установившемся режиме после восстановления 114,13 кВ. При этом узел ТЭЦ является избыточным узлом по активной мощности (рис. 7).
Исследование режима отделения от питающей сети узла ТЭЦ показало, что конфигурация электрической сети мало влияет на устойчивость, так как параметры, влияющие на восстановление параллельной работы отличаются не существенно (время отключения составляет 0,1 с.). При дальнейшем увеличении времени отключения восстановление параллельной работы невозможно.
Как показал анализ полученных данных, с целью повышения эффективности делительной автоматики необходимо планировать нормальные и послеаварийные режимы. В частности, производить согласование между электростанциями при выводе генераторов в плановые ремонты и при выполнении работ по реконструкции. При аварийных простоях крупных генераторов по возможности избегать плановых ремонтов других машин с целью недопущения дефицитных режимов. Подробный учет при этом статических и динамических характеристик нагрузки существенно повысит точность расчетов.
Рис. 7. Углы роторов между э.д.с. генераторов Fig.7. Rotor angles between generators' e.i.s. in
относительно ТГ-3 ТЭЦ при раздельной работе relation to TG-3 of CHPP at separate operation of
ТЭЦ после режима короткого замыкания на CHPP after short-circuit mode on RU-110 kV at
РУ-110 кВ при Цед.откл = 0,7 s и 1восст = 1,8 с tPred.off = 0.7s and tvsst = L8 s s
Заключение
Для ответственных цехов основной технологической линии крупного металлургического комбината получен регулирующий эффект электроприемников, по которому определены комплексные статические характеристики нагрузки подстанций. Для исследования переходных процессов при больших возмущениях построены динамические характеристики для отдельных цехов, применяя которые, определив долевой состав нагрузки, получены комплексные характеристики электрической нагрузки комбината, необходимые для расчетов устойчивости при параллельной и раздельной работе в целом.
Разработан усовершенствованный алгоритм расчета параметров переходного режима с учетом определения комплексных характеристик при малых и больших возмущениях при параллельной и автономной работе с внешним источником питания. Данный алгоритм может быть использован при анализе устойчивости с источниками распределенной генерации малой и большой мощности с целью повышения эффективности управления и повышения надежности [24-26] ответственных потребителей технологической линии металлургического комбината.
В программный комплекс «КАТРАН» заложен разработанный алгоритм. С помощью указанного комплекса велись расчеты режимов применительно к источникам распределенной генерации комбината, входящим в промышленный энергоузел со сложной конфигурацией многоуровневых электрических сетей, содержащих собственные источники электроэнергии. Отличительной особенностью, которых является высокая концентрация разнородной и специфичной электрической нагрузки на единицу производственной площади.
Итогом проведенного исследования и выполненного анализа, что для гарантии устойчивой работы генераторов при отделении от питающей сети необходимо учитывать такие факторы, как особенности систем регулирования возбуждения и скорости, небаланс мощностей при отделении от внешнего источника питания, регулирующий эффект нагрузки, а также при существенных изменениях напряжения корректно учитывать изменение комплексной цеховой нагрузки при больших возмущениях с целью повышения эффективности управления нормальными эксплуатационными и аварийными режимами.
Реализованный программный комплекс может быть использован для анализа возможных аварийных и послеаварийных режимов промышленных электростанций для
оперативно-диспетчерского персонала в качестве советчика диспетчера.
С целью повышения устойчивости синхронных генераторов при выходе на раздельную работу рекомендуется более тщательно планировать ремонтные режимы. В частности, необходимо избегать одновременно отключения двух и более крупных генераторов во избежание возникновения дефицита активной и реактивной мощностей. Учтены особенности работы систем автоматического регулирования синхронных генераторов.
Литература
1. Жданов П.С. Вопросы устойчивости энергетических систем. М.: Энергия, 1979. 456
с.
2. Ачитаев А.А., Жидков А.А., Наумкин Н.С Исследование влияния замещения возобновляемых источников энергии в составе схемы питания собственных нужд малых и микро-ГЭС // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2021. С. 656-666.
3. Лоханин Е.К., Россов-ский Е.Л., Гараев Ю.Н., и др. Некоторые вопросы анализа статической устойчивости электроэнергетических систем // Электричество. 2013. № 9. С. 26.
4. Perzhabinsky S.M., Karamov D.N., Achitaev A.A. A Model of Reliability Optimization of a Stand-Alone Electric Power System with Constraints on Dynamic Stability of the Wind Turbine. Journal of Siberian Federal University. Engineering and Technologies. 2021. V. 14. no 1. Pp. 5571. doi: 10.17516/1999-494X-0288.
5. Shi Xiufeng, Mu Shiguang Research on Measures to Improve Stability of the Power System. Applied Mechanics and Materials. 2015. V. 742. Pp 648-652. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.742.648.
6. Satheesh A. Manigandan T. Maintaining Power System Stability with Facts Controller using Bees Algorithm and NN. Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2013. V. 49 Issue 1. pp. 38-47.
7. Панкратов А.В., Жуйков А.К., Шувалова А.А. Определение статических характеристик нагрузки по напряжению по данным пассивного эксперимента с учётом реакции сети // Электротехнические системы и комплексы. 2021. № 2 (51). С. 4-11. doi.org/10.18503/2311-8318-2021 -2(51)-4-11.
8.Буланова О.В. Управление режимами промышленных электростанций при выходе на раздельную работу: дис. ... канд. техн. наук / Магнитогорск, 2007.
9. Ротанова Ю.Н. Повышение устойчивости системы электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями при коротких замыканиях: дис. ... канд. техн. наук / Магнитогорск, 2008.
10.Титов А.В., Осипов Б.М., Николаева Н.В., Представление характеристик узлов в математической модели газотурбинной установки // Вестник КГЭУ. 2017. № 2(34). С. 43-49.
11. Kothari D.P., Nagrath I.J. Power System Engineering. Second Edition. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 2008.
12. Кавалеров Б.В., Зиятдинов И.Р. Построение статических моделей синхронного генератора по экспериментальным данным // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2020. № 34. С. 186-197. doi: 10.15593/2224-9397/2020.2.11
13.Тошходжаева М.И., Ходжиев А.А., Математическая модель влияния природных и эксплуатационных факторов на надежность ВЛЭП-110 кВ в условиях резко континентального климата // Вестник КГЭУ. 2020. Т12. № 1(45). С. 71-81.
14.Бочкарев И.В., Брякин И.В., Храмшин В.Р., Сандыбаева А.Р. Разработка систем защиты от перегрева электродвигателей переменного тока // Электротехнические системы и комплексы. 2020. № 3 (48). С. 41-51.
15. Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Панова Е.А., Варганова А.В., Газизова О.В., Кондрашова Ю.Н., Зиновьев В.В., Юлдашева А.И., Крубцова А.А., Анисимова Н.А., Насибуллин А.Т., Тремасов М.А., Щербакова В.С., Богуш В.К. Свидетельство о гос. регистрации прогр. для ЭВМ № RU 2019610251. Комплекс автоматизированного режимного анализа КАТРАН 10.0 / заявитель ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова»; заявл. 29.10.2018, опубл. 09.01.2019.
16. Gazizova O.V., Malafeyev A.V., Kondrashova Y.N. Mathematical simulation of the operating emergency conditions for the purpose of energy efficiency increase of thermal power plants management. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Сер. «International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2015,
MEACS 2015», 2016. Pp. 012056. doi:10.1088/1757-899X/124/1/012056.
17. Kondrashova Y.N., Gazizova O.V., Malapheev A.V. Increasing the efficiency of power resource management as a solution of issues of the power supply system stability. Proceedia Engineering 2015. V. 128. Pp. 759-763. doi:10.1016/j.proeng.2015.12.100.
18.Bochkarev I.V., Khramshin V.R., Kelebaev K.K., Galbaev J.T. Investigation of Transient Processes in Electromechanical Brake Units Taking into Account Armature Movement Behavior В сборнике: Proceedings - 2021 International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2021. 2021. С. 172-177.
19.Федотов А.И., Абдуллазянов Р.М., Мударисов Р.М. Методики оценки устойчивости синхронных двигателей при трехфазных коротких замыканиях в системе внешнего электроснабжения // Вестник КГЭУ. 2019. № 1(41). С. 28-38.
20.Стогов А.Ю., Беляев А.Н., Повышение динамической устойчивости автономной энергосистемы на основе управления по взаимным параметрам // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019. № 1-2. С. 55-66.
21. Китушин В.Г., Хомлянская Л.Д. Состав узлов нагрузки по видам токоприемников и его определение // Электричество. 1974. № 11. С. 37-40.
22. . Гусейнов Ф. Г, Рахманов Н.Р. Эквивалентирование нагрузок электрических систем при исследованиях статической и динамической устойчивости // Электричество. 1974. №6. С. 50-53.
23. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах / Л.: Машиностроение, 1988. 447 с.
24. Грачева Е.И., Садыков Р.Р., Хуснутдинов Р.Р. и др. Надежность и компоновка низковольтных распределительных устройств внутрицехового электроснабжения // Вестник КГЭУ. 2019. № 1(41). С. 3-9.
25. Илюшин П.В., Тыквинский А.М. Особенности обеспечения надежного электроснабжения промышленных потребителей в изолированных энергосистемах // Вестник КГЭУ. 2019. № 1(41). С. 39-50.
26. Секретарев Ю.А., Левин В.М. Оценка влияния на надежность системы электроснабжения различного рода дефектов основных элементов // Вестник КГЭУ. 2019. Т11. № 4(44). С. 55-63.
Авторы публикации
Кондрашова Юлия Николаевна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: rotjuil720@mail.ru.
Газизова Ольга Викторовна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: logan_b_7@mail.ru.
Алексей Вячеславович Малафеев - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». E-mail: malapheev_av@mail.ru.
Игорь Викторович Бочкарев - д-р. техн. наук, профессор кафедры «Электромеханика», Кыргызский государственный технический университет им.И Раззакова. E-mail: elmech@mail.ru.
Иван Васильевич Брякин - д-р. техн. наук, профессор, заведующий лабораторией Информационно-измерительных систем, Институт Машиноведения и Автоматики, Национальная Академия Наук Кыргызской Республики. E-mail: bivas2006@yandex.ru.
References
1. Zhdanov PS. Questions of stability of power systems. Moscow. Energy Publ. 1979. 456
p.
2. Achitayev AA, Zhidkov AA, Naumkin NS. Research of the effect of substitution of renewable energy sources in the power supply circuit of own needs of small and micro HPPs. Journal of Siberian Federal University. Series: Technics and technologies. 2021. pp. 656-666.
3. Lohain EK, Rosovsky EL, Garayev YuN, et al. Some issues of analyzing the static stability of electric power systems. Electricity. 2013;9:2-6.
4. Perzhabinsky SM, Karamov DN, Achitaev AA. A Model of Reliability Optimization of a Stand-Alone Electric Power System with Constraints on Dynamic Stability of the Wind Turbine. Journal of Siberian Federal University. Engineering and Technologies. 2021;14(1):55-71. doi: 10.17516/1999-494X-0288.
5. Shi Xiufeng, Mu Shiguang Research on Measures to Improve Stability of the Power System. Applied Mechanics and Materials. 2015;742:648-652. doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.742.648.
6. Satheesh A. Manigandan T. Maintaining Power System Stability with Facts Controller using Bees Algorithm and NN. Journal of Theoretical and Applied Information Technology. 2013;49(1):38-47.
7. Pankratov AV, Zhuykov AK, Shuvova AA, et al. Determining the static characteristics of the load on the voltage according to the passive experiment, taking into account the reaction of Networks. Elektrotekhnicheskie sistemy i kompleksy. 2021;2(51):4-11. doi.org/10.18503/2311-8318-2021-2(51)-4-11.
8. Bulanova OV. Management of regimes of industrial power plants at the output of separate operation: Cand. Candidate of Technical Sciences / Magnitogorsk, 2007.
9. Rotanova YuN. Povyshenie ustojchivosti sistemy elektrosnabzheniya promyshlennogo
predpriyatiya s sobstvennymi elektrostanciyami pri korotkih zamykaniyah. Diss.....
Magnitogorsk, 2008.
10. Titov AV, Osipov BM, Nikolaeva NV. Representation of nodes characteristics in the mathematical model of a gas turbine unit. Bulletin of KSEU. 2017;2(34):43-49.
11. Kothari DP, Nagrath IJ. Power System Engineering. Second Edition. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited, 2008.
12. Kavalerov BV, Ziydinov IR. Construction of static models of a synchronous generator according to experimental data. Bulletin of the Perm National Research Polytechnic University. Electrical engineering, information technology, control systems. 2020;34:186-197. doi: 10.15593/2224-9397/2020.2.11
13. Toshkhojaeva MI, Khodzhiev AA, Mathematical model of the influence of natural and operational factors on the reliability of 110 kV overhead power lines in a sharply continental climate. Bulletin of KSEU. 2020;12:1(45):71-81.
14. Bochkarev IV, Bryakin IV, Khramshin VR, et al. Development of systems of protection against overheating of AC motors. Electrotechnical systems and complexes. 2020;3 (48):41-51.
15. Iguumeschev VA, Malafeev AV, Panova EA, et al. Kompleks avtomatizirovannogo rezhimnogo analiza KATRAN 10.0 Computer program. RF, no. RU 2019610251, 2019.
16. Gazizova OV, Malafeyev AV, Kondrashova YN. Mathematical simulation of the operating emergency conditions for the purpose of energy efficiency increase of thermal power plants management. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering Сер. «International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems 2015, MEACS 2015», 2016. Pp. 012056. doi:10.1088/1757-899X/124/1/012056
17. Kondrashova YN, Gazizova OV, Malapheev AV. Increasing the efficiency of power resource management as a solution of issues of the power supply system stability. Proceedia Engineering 2015;128:759-763. doi:10.1016/j.proeng.2015.12.100.
18. Bochkarev IV, Khramshin VR, Kelebaev KK, et al. Investigation of Transient Processes in Electromechanical Brake Units Taking into Account Armature Movement Behavior. Proceedings - 2021 International Russian Automation Conference, RusAutoCon 2021. Pp. 172177.
19. Fedotov AI, Abdullazianov RM, Mudarisov RM. Methods for assessing the stability of synchronous motors under three-phase short circuits in the system of external power supply. Bulletin of KSEU. 2019;1(41):28-38.
20. Stogov AY, Belyaev AN. Increasing dynamic stability of an autonomous power system based on control by mutual parameters. Izvestiya vysokikh obrazovaniye obrazov. Problems of power engineering. 2019;1-2:55-66.
21. Kitushin VG, Homlyanskaya LD. Composition of load units by types of current collectors and its determination. Elektrichestvo. 1974;11:37-40.
22. Huseynov FG, Rakhmanov NR. Equivalent loads of electrical systems in the study of static and dynamic stability. Elektrichestvo. 1974;6:50-53.
23. Gurevich YuE, Libova LE, Okin AA. Calclations of stability and anti-damage automatics in the power engineering systems. L.: Mashinostroenie, 1988. 447 с.
24. Gracheva EI, Sadykov RR, Khusnutdinov RR. et al. Reliability and layout of low-voltage switchgear intrashop power supply. Bulletin of KSEU. 2019;1(41):3-9.
25. Ilyushin PV, Tykvinsky AM. Features of providing a reliable power supply to industrial
consumers in isolated energy systems. Bulletin of KSEU. 2019;1(41):39-50.
26. Secretrev YA, Levin VM. Assessment of the impact on the reliability of power supply systems of different kinds of defects in the main elements. Bulletin of KSEU. 2019;11(4(44):55-63.
Authors of the publication
Julia N. Kondrashova - Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. Email: rotjuil720@mail.ru.
Olga V. Gazizova - Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. E-mail: logan_b_7@mail.ru.
Alexey V. Malafeev - Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov. E-mail: malapheev_av@mail.ru.
Igor V. Bochkarev - Kyrgyz State Technical University named after I. Razzakov. E-mail: elmech@mail.ru.
Ivan V. Bryakin - National Academy of Sciences of the Kyrgyz Republic, Institute of Mechanics and Automatics. E-mail: bivas2006@yandex.ru.
Получено 07.12.2021 г.
Отредактировано 30.12.2021 г.
Принято 10.01.2022 г.
