CC BY
62
УДК 621.314.58
И.И. Артюхов, И.И. Бочкарева, А.А. Тримбач
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГАЗОТУРБИННОЙ КОМПРЕССОРНОЙ СТАНЦИИ В УСЛОВИЯХ ОСНАЩЕНИЯ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРОВ
Интенсивное внедрение устройств силовой электроники в различные технологические схемы сопровождается проблемой их негативного влияния на источники электроснабжения. Характерным примером является использование частотно-регулируемого электропривода на объектах магистрального транспорта газа. Наряду с экономией электроэнергии происходит ухудшение показателей ее качества, характеризующих форму напряжения в сети. В статье анализируются эти показатели и предлагаются решения по уменьшению негативного влияния электротехнических комплексов с преобразователями частоты на источники электроснабжения.
Качество электроэнергии, высшие гармоники, преобразователи частоты
I.I. Artyukhov, I.I. Bochkareva, А.А. ^imbach
POWER QUALITY IN ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS
OF GAS TURBINE COMPRESSOR STATIONS WHEN EQUIPPING GAS COOLERS WITH FREQUENCY-REGULATED ELECTRIC DRIVES FOR FANS
Intensive introduction of power electronic devices in different technological schemes goes along with the problem of their negative influence on power supply sources. A typical example is application of a frequency-regulated electric drive for the main gas transportation facilities. Energy savings are followed by the degradation of the quality characteristics of electric energy. The analysis of the characteristics and decisions to decrease the negative influence of electrotechnical systems with frequency converters on the electricity supply sources are described in the article.
Power quality, high harmonics, frequency converters
На объектах магистрального транспорта газа частотно-регулируемый электропривод активно внедряется в различные технологические схемы. Существенный экономический эффект достигается, в частности, при оснащении электродвигателей установок охлаждения газа (УОГ) преобразователями частоты (ПЧ), с помощью которых осуществляется регулирование производительности вентиляторов при вариациях температуры окружающей среды и технологических параметров транспорта газа [1].
В состав УОГ входит от 24 до 32 электродвигателей мощностью 37 кВт каждый, поэтому суммарная мощность, потребляемая установкой от источников электроснабжения, может превышать 1 МВт. В соответствии с требованиями нормативных документов [2] по категории электроснабжения УОГ схема управления электродвигателями должна быть реализована в виде двух симметричных секций, каждая из которых подключается к вторичной обмотке соответствующего понизительного трансформатора 6(10)/0,4 кВ комплектно-трансформаторной подстанции (КТП). При этом обе секции должны иметь возможность получать электроэнергию от одного из трансформаторов КТП. Обязательным условием функционирования УОГ должно быть обеспечение электромагнитной совместимости электрооборудования этой установки с источниками электроснабжения и электрооборудованием других технологических комплексов компрессорной станции (КС).
На рис. 1 показана схема одной секции КТП для электроснабжения УОГ с частотнорегулируемым электроприводом вентиляторов. Преобразователи ПЧ1...ПЧМ подключены к шине
0,4 кВ через сетевые дроссели LC1...LCN, первичные обмотки трансформатора 6(10)/0,4 кВ - к источнику электроснабжения. Электродвигатели M1..MN соединены с выходами преобразователей ПЧ1...ПЧN через моторные дроссели LM1...LMN. Общее количество частотно-регулируемых электроприводов УОГ, получающих питание от КТП, составляет 2N.
М1
«€>
м2
Ю
к
«О
Рис. 1. Схема одной секции КТП для электроснабжения УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов
В условиях, когда электродвигатели УОГ подключаются к сети через ПЧ, возникает проблема искажения кривой напряжения в питающей сети. Эта проблема усугубляется при использовании газотурбинных электростанций в качестве источников электроснабжения. При этом доля электроэнергии, выработанной газотурбинными электростанциями на объектах магистрального транспорта газа, постоянно возрастает.
Современные ПЧ для регулируемого электропривода строят, в основном, по схеме: неуправляемый выпрямитель - сглаживающий фильтр - инвертор напряжения на ЮБТ модулях. Так как выпрямители выполняют по трехфазной мостовой схеме, входной ток ПЧ представляет собой сумму нечетных гармоник, за исключением кратных трем. При этом наиболее интенсивными являются гармоники с номерами 5 и 7. В условиях, когда изготовители ПЧ применяют в основном конденсаторные сглаживающие фильтры, уровень высших гармоник в кривой входного тока ПЧ оказывается соизмеримым с уровнем основной гармоники. Это приводит к появлению высших гармоник напряжения на всех уровнях системы электроснабжения газотурбинной КС [3].
Уменьшение искажающего влияния частотно-регулируемого электропривода УОГ на питающую сеть может быть достигнуто применением различного рода фильтров, простейшими из которых являются сетевые дроссели, устанавливаемые на входе ПЧ. Такое решение может быть достаточно эффективным, пока на компрессорной станции ПЧ установлены только на одной - двух УОГ. По мере роста количества УОГ, оснащенных частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов, установка сетевых дросселей не обеспечит заданного качества электрической энергии на стороне 6 или 10 кВ, определенного стандартом [4].
Эффективным решением задачи уменьшения искажающего влияния ПЧ на источники электроснабжения является применение так называемых активных фильтров. Принцип действия этих устройств состоит в том, что на основе анализа тока нелинейной нагрузки в питающую сеть генерируются такие же гармоники тока, но в противоположной фазе. В результате этого в точке подключения активного фильтра происходит компенсация гармоник. На сегодняшний день активная фильтрация гармоник в питающей сети может оказаться экономически нецелесообразной из-за высоких стоимостных показателей оборудования.
С практической точки зрения может оказаться целесообразным следующее решение задачи обеспечения требуемого качества электроэнергии в питающей сети. Предлагается каждый трансформатор КТП выполнить с двумя вторичными обмотками, одна из которых соединяется по схеме «звезда», другая - по схеме «треугольник». В результате происходит разделение каждой секции шин 0,4 кВ на две подсекции, к каждой из которых подключается половина частотно-регулируемых электроприводов секции (рис. 2). В частности, при общем количестве электроприводов УОГ, равном 24, к одной обмотке трансформатора будет подключено 6 электроприводов.
Рис. 2. Схема разделенной секции КТП для электроснабжения УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов
Так как напряжения вторичных обмоток трансформатора смещены по фазе относительно друг друга на угол, равный П/6 , при равенстве токов вторичных обмоток будет происходить компенсация 5-й и 7-й гармоник магнитного потока. В результате в токе первичной обмотки трансформатора указанные гармоники также будут скомпенсированы.
Естественно, что в условиях эксплуатации УОГ сложно обеспечить равенство токов вторичных обмоток трансформатора. Во-первых, из-за технологического разброса параметров при изготовлении электродвигателей будет различие между токами, которые потребляют ПЧ. Во-вторых, возможна ситуация, когда один из электродвигателей УОГ или ПЧ выводится в ремонт, количество потребителей на подсекциях становится различным. В результате не будут выполняться условия компенсации 5-й и 7-й гармоник в магнитном потоке трансформатора, что приведет к ухудшению качества напряжения в питающей сети.
Для исследования влияния электротехнического комплекса УОГ на источники электроснабжения разработана модель в среде MATLAB+Simulink. Упрощенная схема этой модели показана на рис. 3.
Образующие модель блоки могут быть разделены на две группы.
В первую группу входят блоки, которые моделируют силовые элементы: трехфазный источник синусоидального напряжения 3-Phase Source; трехфазный трехобмоточный трансформатор Three-Phase Transformer; выпрямители Rectifier с индексами 1 и 2, которые моделируют ПЧ, подключенные к подсекциям.
К выходам выпрямителей через дроссели L1, L2 подключены блоки Load 1 и Load 2, моделирующие нагрузку выпрямителей.
Вторую группу образуют блоки, которые выполняют сервисные функции:
— измерители мгновенных токов Current Measurement и напряжений Voltage Measurement;
— блоки Scope для наблюдения мгновенных значений токов и напряжений;
— блок Subsystem, который предназначен для расчета действующих значений контролируемых величин, коэффициента искажения синусоидальности кривых напряжений и токов, а также гармонического спектра.
Ou rrent Measurement 1
кж#-
Three-Phase Transformer (Three Windings)
! £“
1 a3 -------------------
b3 ---------1
Voltage Scope 1 Measurement1
Ourrent Measurement 3
-►JW—►
V
Voltage
Measurement
□
Subsystem Analyse THD
□
Voltage Scope 3 Measurement 3
Ou rrent Measurement 2
->-ллпг'-
□
Рис. 3. Схема модели электротехнического комплекса УОГ
Некоторые результаты моделирования представлены на рис. 4. Для решения дифференциальных уравнений модели выбран многошаговый метод переменного порядка ode15s ^ШГ/КБР). Относительная погрешность интегрирования задана величиной 10"3.
Rectifier 1
3-Phase Source 10 kV, 50 Hz
Load 1
A
A
O
Load 2
Rectifier 2
Scope 2
а
Рис. 4. Виртуальные осциллограммы тока источника электроснабжения: по оси абсцисс - время в секундах; по оси ординат - ток в амперах
Кривая тока источника электроснабжения (рис. 4 а) получена для случая, когда 12 единиц ПЧ подключены к одной секции шин по схеме рис. 1. Коэффициент искажения этой кривой превышает 26 %. Если применить схему рис. 2 и к каждой подсекции шин подключить по 6 единиц ПЧ, то кривая тока существенно улучшается (рис. 4 б). Коэффициент искажения составляет 11 %.
На базе модели, схема которой показана на рис. 3, построена модель электротехнического комплекса КС, в состав которого входит источник электроснабжения (трансформатор энергоснабжающей организации или ЭСН) и определенное количество КТП для электроснабжения УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов. С помощью этой модели рассчитаны показатели качества электроэнергии, характеризующие искажение формы кривой напряжения в СЭС газотурбинной КС, в зависимости от количества КТП, подключенных к источнику электроснабжения. В качестве источника электроснабжения рассматривались трансформаторы ТДН 110/10 кВ мощностью 10000 и 16000 кВА, а также ЭСН типа ПАЭС-2500.
Результаты расчета коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения приведены на рис. 5. Из этих графиков видно, что при построении КТП по схеме рис. 1 коэффициент искажения синусоидальности напряжения превышает нормально допустимое значение 5 % для сетей напряжением 10 кВ, если частотно-регулируемым электроприводом оснащены шесть УОГ (при питании от трансформатора мощностью 10000 кВА) и две УОГ (при питании от ЭСН).
7 6 5
V? 4
О"^
3
* 3
□ ТДН-10000
□ ТДН-16000
□ ПАЭС-2500
Иго
количество КТП
1 23456789 10
количество КТП
а б
Рис. 5. Зависимость коэффициента искажения синусоидальности напряжения в СЭС газотурбинной КС от количества КТП для электроснабжения УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов: а - к секции шин 0,4 кВ подключены 12 электроприводов; б - секция шин 0,4 кВ разделена на 2 подсекции, к каждой из которых подключено по 6 электроприводов
Переход к схеме рис. 2, в соответствии с которой секция шин 0,4 кВ разделяется на две подсекции с питанием от обмоток трансформатора, соединенных по схеме «звезда» и «треугольник», позволяет радикальным образом изменить в лучшую сторону ситуацию с качеством электроэнергии на шинах 10 кВ. Если питание КТП осуществляется от трансформаторов энергоснабжающей организации, то частотно-регулируемым электроприводом могут быть оснащены более десяти УОГ без нарушения заданных требований к качеству электроэнергии. При питании от ЭСН коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах 10 кВ превышает нормально допустимое значение при подключении четырех и более КТП.
ЛИТЕРАТУРА
2
0
1. Аршакян И.И. Опыт создания и эксплуатации системы стабилизации температуры газа с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов аппаратов воздушного охлаждения газа / И.И. Аршакян, А. А. Тримбач, И.И. Артюхов // Проблемы электроэнергетики: сб. науч. тр. Саратов: СГТУ, 2008. С. 55-64.
2. СТО Газпром 2-6.2-149-2007. Категорийность электроприемников промышленных объектов ОАО «Газпром». М.: ВНИИГАЗ, 2007. 38 с.
3. Вопросы качества электроэнергии в системах электроснабжения газотурбинных компрессорных станций магистральных газопроводов / И.И. Артюхов, А.В. Коротков, Н.В. Погодин, И.И. Аршакян, А.А. Тримбач // Проблемы электроэнергетики: сб. науч.тр. Саратов: СГТУ, 2007.С. 19-32.
4. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Изд-во стандартов, 1998. 32 с.
Артюхов Иван Иванович -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Ivan I. Artyukhov -
Dr. Sc., Professor
Head: Department of Power Supply
for Industrial Enterprises
Gagarin Saratov State Technical University
Бочкарева Ирина Ивановна -
аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Тримбач Алексей Анатольевич -
кандидат технических наук,
ведущий инженер отдела главного энергетика
ООО «Газпром трансгаз Югорск»
Статья
Irina I. Bochkareva -
Postgraduate
Department of Power Supply
for Industrial Enterprises
Gagarin Saratov State Technical University
Alexey A. Trimbach -
PhD, Senior Engineer
Division of Chief Engineer
LLC «Gazprom Transgaz Yugorsk»
/типа в редакцию 15.09.11, принята к опубликованию 01.12.11
