Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 9
Актуальность темы 9
Состояние вопроса и задачи диссертации 13
ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНЫХ
СИНХРОННЫХ МАШИН В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ
1.1. Развитие синхронных машин 23
Влияние повышения степени использования активных материалов на параметры мощных синхронных генераторов 24
Развитие турбогенераторостроения 30
Развитие гидрогенераторостроения 35
1.2. Виды и сопоставление наиболее рациональных систем ох
лаждения электрических машин большой и средней мощно
сти 41
Воздушное охлаждение турбогенераторов 41
Турбогенераторы с водородным охлаждением 43
Турбогенераторы с водяным охлаждением типа ТЗВ 44
1.3. Обзор методов математического моделирования переходных
процессов ЭЭС 46
1.4 Направления исследований переходных процессов ЭЭС... 51
1.4.1. Автоматизация исследования переходных процессов в элек
трических системах 53
1.5 Задачи диссертации 61
ГЛАВА 2 ВОПРОСЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
2.1 Уравнения переходных процессов синхронной машины в
различных системах относительных единиц 63
Построение схем замещения синхронной машины на основе обращения матриц индуктивных сопротивлений... 73
Математическое моделирование переходных процессов внешней сети для расчета крутильных колебаний 86
Математическое моделирование крутильных колебаний валопровода турбоагрегата 102
2.5 Выводы 104
ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ВАЛОПРОВОДА АГРЕГАТА.
3.1 Виды неблагоприятных воздействий на валопровод
турбоагрегата 106
Внезапные короткие замыкания 106
Коммутации в сети 106
Крутильные колебания валопровода турбоагрегата, обусловленные системой возбуждения 107
Крутильные колебания валопровода, обусловленные субсинхронным резонансом 108
Крутильные колебания валопроводов турбоагрегатов, работающих вблизи преобразовательных подстанций 109
Проблемы обеспечения механической прочности валов турбоагрегатов 110
Параметры исследуемых турбоагрегатов. 113
Физическая природа демпфирования крутильных колебаний валопровода 113
3.4.1. Воздействие изменения коэффициента демпфирования,
обусловленного отклонением частоты вращения лопаток
турбины относительно парового объема, на показатели
устойчивости 115
3.4.2. Воздействие конструкционного демпфирования на показа-
тели устойчивости на частотах крутильных колеба
ний 120
Влияние коэффициентов кп и Н на частотные характеристики системы с АРВ 122
Влияние коэффициентов кп и Н на величины максимальных скручивающих моментов при коротких замыкани-
ях 125
3.7. Формы частот крутильных колебаний валопроводов турбо
агрегатов 128
Математическое моделирование крутильных колебаний ва-лопровода 129
Анализ собственных значений и собственных векторов 131
Анализ форм колебаний (модальный анализ) 132
Результаты расчетов 135
3.8. Выводы 147
ГЛАВА 4. РАЗАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ
АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗ-6УЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН.
Обзор развития систем автоматического регулирование возбуждения 148
Автоматические регуляторы возбуждения 151
Математическое моделирование независимой тиристорнои системы возбуждения 154
Математическое моделирование бесщеточной диодной системы возбуждения 158
4.2.3 Диодные бесщеточные системы зарубежных фирм 161
4.3. Математическое описание автоматического регулятора воз
буждения сильного действия ( АРВ-СД ) 164
4.3.1 Демпферные свойства турбоагрегата с генератором ТВВ-
4.3.2 Демпферные свойства турбоагрегата с генератором ВВС -
4.4 Математическая модель дополнительного канала систем
ной стабилизации (PSS) 175
4.4.1 Исследование эффективности использования дополнитель
ных сигналов в законе регулирования возбужде
ния 177
Математическое описание автоматического регулятора пропорционального действия 184
Принципы построения систем оптимального управления возбуждением 187
4.61 Синтез ЛКГ - регуляторов 188
Фильтр Калмана 190
Использование структуры регулирования, построенной на основе теории оптимального управления 191
4.7. Демпфирование крутильных колебаний валопровода турбо
агрегата с помощью АРВ 194
Демпферные свойства турбоагрегата при обычном регулировании возбуждения 196
Использование дополнительного канала регулирования 199
4.8. Выводы 202
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННЫХ МАШИН С УЧЕТОМ НАСЫЩЕНИЯ СЕРДЕЧНИКОВ
Обзор методов учета насыщения 204
Учет насыщения сердечников неявнополюсных СМ 213
Учет насыщения на путях потоков рассеяния контуров 216
Влияния насыщения сердечников мощных турбогенераторов на скручивающие моменты при коротких замыканиях
Влияния насыщения на скручивающие моменты при коротких замыканиях на зажимах генератора в режиме холостого хода 222
Влияние насыщения на скручивающие моменты при коротких замыканиях на зажимах генератора в режиме номинальной нагрузки 223
5.4.3. Влияния насыщения на отключение неудалённых к.з 224
5.5. Выводы 226
ГЛАВА 6. РАСЧЕТЫ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ И КОММУТАЦИЯХ
В СЕТИ
6.1 Общие положения 227
Скручивающие моменты при нормативных возмущениях 228
Скручивающие моменты валопровода мощного турбоагрегата при отключении неудаленных коротких замыканий 233
Скручивающие моменты при коротких замыканиях и коммутациях в высоковольтной сети 240
Трёхфазное к.з. с последующим АПВ линии 241
Исследование скручивающих моментов, воздействующих на валопровод турбоагрегата при использовании мероприятий
по повышению динамической устойчивости... 251
Переходные процессы при электрическом торможении ротора генератора 251
Переходные процессы при импульсном регулировании турбины 255
Исследование скручивающих моментов, воздействующих на валопровод турбоагрегата при неуспешном АПВ линии.. 259
Выводы 265
ГЛАВА 7. РАСЧЕТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ВАЛОПРОВОДА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ)
Общие положения 267
Основные операции в процедуре метода 269
Дискретизация области 269
Выбор основных неизвестных 271
Построение интерполирующего полинома и условия сходимости МКЭ г)1у
1.2А. Получение основной системы разрешающих уравнений 273
7.3. Совместное решение системы алгебраических уравнений
Определение «выходных» параметров краевой задачи 275
Интерполирующие полиномы 276
Прямоугольный параллелепипед 276
Тетраэдр 277
Метод конечных элементов в задачах теории упругости Основные разновидности МКЭ 278
Метод перемещений 279
Метод сил 279
7.4. Матрица жесткости и вектор узловых внешних нагрузок 279
Матрица жесткости 279
Вектор узловых внешних нагрузок 282
7.5. Объемные элементы 283
Общая теория МКЭ, реализованная в программе ANSYS.... 286
Расчет напряжений в элементах валопровода генератор-возбудитель 288
Вводные замечания 288
Описание модели участка вала генератор-возбудителем 289
Допускаемые напряжения 290
7.7.3.1 Для болтов 290
7.7.3.2 Для валов 290
Расчет болтового соединения с использованием методов сопротивления материалов 291
Расчет вала и фланца на скручивающий момент по МКЭ с использованием программы ANSYS 292
7.7.6 Результаты расчета 293
7.7.7. Выводы по расчётной модели участка вала генератор-
возбудителем 298
7.8. Расчет напряжений на участке вала между генератором и
турбиной 299
Общее описание 299
Допускаемые напряжения 300
7.8.3 Расчет болтового соединения с использованием методов со
противления материалов 301
Расчет шпонок 302
Расчёт нагрузок на вал и полумуфту 303
Расчет вала по МКЭ с использованием программы ANSYS.. 305
Результаты 307
Расчет полумуфты по МКЭ с использованием программы ANSYS 309
7.8.9. Результаты 311
7.8.10. Выводы по работе 314
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ
РАБОТЕ 316
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 320
Приложение 1 386
Приложение 2 3 89
Приложение 3 393
Введение к работе
1.Актуальность темы.
Современное состояние Российской электроэнергетики характеризуется быстро растущим спросом на электрическую энергию и определенным отставанием ввода новых генерирующих мощностей. Так, максимум потребления электроэнергии 147 000 МВт был зарегистрирован 23 января 2006 года. Основными причинами увеличения спроса являются оживление промышленной активности, масштабное жилищное строительство, существенное увеличение спроса в бытовом секторе, а в зимние месяцы (январь, февраль) — сильные морозы. В Северо-западном регионе максимальная величина потребления (23 января 2006 года) было на 439 МВт (6.8 %) выше максимума потребления 2005 года, на 544 МВт (8.6 %) выше максимума потребления в период до 1990 года и, что весьма характерно, на 33% выше максимального потребления в 1998 году.
Для покрытия максимумов потребления были задействованы практически все располагаемые резервы электростанций. Режимы электрических сетей характеризуются как весьма напряженные, перегрузка оборудования предотвращалась проведением специальных мероприятий (переводом потребителей на электроснабжение от менее загруженных центров питания, ограничением потребления). В условиях повышенного спроса загрузка основных трансформаторных мощностей находилась в интервале между 85 и 100%. Приблизительно 20% высоковольтных линий электропередачи в этот период были загружены на 90 - 95%.
Таким образом, рассмотренный напряженный период работы энергосистемы характеризовался
полным использованием резервов генерирующих мощностей;
полное использованием пропускной способности межсистемных транзитов;
величинами потоков мощности по системообразующей сети и автотрансформаторным связям 750, 500, 330, 220, ПО кВ достигающими номинальных значений;
необходимостью ограничения потребителей в ряде районов в период экстремально низких температур;
Такая ситуация сложилась вследствие недостаточного внимания к развитию электрических сетей и обеспечению опережающего ввода генерирующих мощностей, что обусловлено сложными условиями развития народного хозяйства в течение переходного периода 1991 - 2001 гг. В связи с большой территориальной протяженностью России и высокой стоимостью сооружения высоковольтных линий (ВЛ) имеется тенденция к предельному использованию их пропускной способности, что на фоне роста нагрузок, приводит к увеличению длительности утяжеленных режимов, характеризующихся сниженными запасами устойчивости. К этому необходимо добавить соображения о существенном старении оборудования сетей и о моральном износе большинства эксплуатируемых релейных защит.
В электроэнергетике СССР, а затем и России традиционно большое внимание уделялось внедрению средств автоматического регулирования и про-тивоаварийного управления, необходимость внедрения которых была осознана в энергетике развитых стан только после масштабных энергетических аварий конца 90-х - начала 2000 годов (Швеция, США, Италия и т.д.). В то же время эффективность работы устройств управления и регулирования в значительной мере определяется соответствием настроечных параметров, уставок и выходных сигналов режимам и характеристикам регулируемых объектов. При этом алгоритмы управления, настроечные параметры и параметры режимов определяются, главным образом, на основе результатов математического моделирования. Необходимо иметь в виду, что общей чертой электрических машин с высоким использованием активных материалов является
существенная зависимость основных параметров от режимов работы, обусловленная влиянием насыщения магнитной цепи и протеканием вихревых токов в массивных участках магнитопроводов. Указанные обстоятельства требуют совершенствования методов расчета установившихся режимов и переходных процессов. Потребность внедрения уточненных методов моделирования и расчета повышается в связи ухудшением электромеханических параметров высокоиспользованных генераторов и увеличением механических нагрузок на элементы конструкции агрегатов.
Что касается развития электроэнергетики Ирака, то масштабная электрификация началась в середине 50-х годов. Установленная мощность достигла 450 МВт в 1962. В этом же 1962 году государство объединило все электростанции в единой системе как центр управления. В результате этой организации в конце 1968 (Таблица 1), суммарная энергетика достигла 550 МВт плюс 130 МВт как запасная мощность. С 1972 г в Ираке начинается новый этап развития энергетики. Впервые начинал работать гидроэлектростанция мощностью 84 МВт. Для преодоления был энергетического кризиса
середины 70-х годов было решено построить газотурбинные электростанции.
Таблица 1
показывает развитие энергетики с 1968 до 1990 г.
В то же время производство электроэнергии на душу населения оставалось недостаточным и составляло около 1700 - 1900 кВт.ч на человека в год.
В 1987 г в Ираке впервые было построена линия электропередачи класса 400 кВ. ЛЭП 400 кВ была продлена до границы с Турцией, что дало Ираку возможность продавать энергию соседним странам. Иракская энергетика получила большой удар в начале 1991 г. (Таблица 2), когда большая часть электростанций страны была разрушена. В результате этой войны Ирак потерял 8585 МВт установленной мощности. В конце войны в Ираке осталось в рабочем состоянии 1598 МВт. Однако эти электростанции плохо работали из-за недостаточности топливоснабжения.
Таблица 2 показывает проценты уничтожения электростанции
К настоящему моменту установленные мощности Ирака ниже 5000 МВт, а максимальное потребление по крайней мере в 2 раза больше.
Существует масштабный план реконструкции электроэнергетики, предусматривающий сооружение и восстановление большинства электростанций общим объемом 16 700 МВт. Реализация планов была затруднена, так как 14 лет страна находилась в условиях экономической блокады. В настоящее время условий для возрождения энергетики не создано. Однако следует заметить, что основу энергетики Ирака составляют (и будут составлять в перспективе) мощные паротурбинные блоки с генераторами единичной мощностью 200 - 300 МВт, обеспечение надежной работы которых представляет собой первостепенную задачу.
Сказанное определяет актуальность разработки и использования при выполнении исследований переходных процессов ЭЭС уточненных математических моделей ее элементов, отражающих влияние повышенного использования активных материалов синхронных машин, новые возможности и взаимодействие систем регулирования различных силовых электроэнергетиче-
ских установок, влияние механических характеристик агрегатов. Их использование позволит повысить обоснованность решений, принимаемых при проектировании ЭЭС, синхронных машин, устройств противоаварийного и режимного управления.
2.Состояние вопроса и задачи диссертации.
Основой развития электроэнергетики является объединение электроэнергетических систем (ЭЭС) и использования в них синхронных генераторов больших единичных мощностей, достигающих 1000 и 1200 Мвт. Механическая прочность элементов валопроводов мощных агрегатов снижается с ростом единичной мощности, а при некоторых режимах (отключение короткого замыкания, автоматическое повторное включение) механические напряжения валопровода могут превысить допустимые [152,415,156,265]. Следует указать, что электромеханические параметры таких генераторов ухудшены, и обеспечение устойчивости и надежности работы (ЭЭС) возможно только при широком применении различных систем управления, важное место среди которых занимают системы автоматического регулирования возбуждения генераторов, частоты вращения турбин, активной мощности электрических станций[5,227] и т.д. Характеристики синхронной машины как элемента ЭЭС во многом определяются свойствами ее системы возбуждения, и развитие синхронных машин неизменно сопровождается усовершенствованием возбудительных систем [263]. Достижение высоких демпферных свойств за счет регулирования возбуждения реализуется благодаря использованию в качестве параметров стабилизации сигналов производной напряжения статора, отклонения частоты напряжения статора и производной частоты. В ряде конструкций зарубежных регуляторов напряжения используются частота вращения вала и ее производная, электромагнитная мощность, измеряемая датчиком Холла, ускоряющая мощность. При этом следует иметь в виду, что интенсивная работа системы возбуждения может явиться ослож-
няющим фактором с точки зрения механической прочности валопровода [22,99,101,118,119,123,168,255, 265 ,348,354,398, 462,471, 532, 535, 589,591,609].
Автоматическое регулирование возбуждения генераторов зарекомендо
вало себя эффективным средством повышения уровня статической и дина
мической устойчивости ЭЭС. Основы современной теории устойчивости бы
ли разработаны в трудах выдающихся ученых А.А.Горева [90,91],
П.С.Жданова [137], С.А.Лебедева [202] и позднее развиты отечественными и
зарубежными учеными, в ряду которых следует назвать: В.А.Баринова [24-
28], В.А.Веникова [60-64],Горскии Ю. М.[94,95], Г.Р.Герценберга [60,74,75],
И.А.Глебова [77,83,84,86], И.А.Груздева [8,102-112], А.С.Зеккеля
[34,143,144,145], В.Е.Каштеляна [45,165], М.Л.Левинштейна[203,204],
И.В.Литкенс [61,205-214], В.Г.Любарского [219], А.А.Рагозина
[225,259,260], С.А.Совалова [25,26,60,282-286], Н.И.Соколова [60], В.А.Строева [210,276,291,292,293], З.Г.Хвошинскую [8,313], Л.В.Цукерннка [321,322], О.В.Щербачева [204],А.А.Юрганова [45,165,169,171,172,248,346], П.М.Андерсона [16], К.Е.Боллингера [376,377,378,456], Ф.П.Демелло [411-415], Ч.Конкордиа [405,406,407], П.Кундура [512,513,522], Е.В.Ларсена [529], О.П.Малика [392,551,614], А.Фуада [16], Г.С.Хоупа [456] и других.
История развития автоматических регуляторов возбуждения (АРВ), для турбо-, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов насчитывает несколько десятилетий. Идеология построения систем регулирования возбуждения начала формироваться в 30-40 годы.
Широкое внедрение регуляторов возбуждения пропорционального действия (АРВ-ПД) с законом регулирования по отклонению статорного напряжения и устройств релейного форсирования возбуждения позволило решить проблему обеспечения апериодической статической устойчивости. Однако попытка увеличения коэффициентов усиления обострило проблему обеспечения колебательной устойчивости и демпфирирования синхронных кача-
ний. В ЕЭС бывшего СССР отмечались многочисленные случаи возникновения "самораскачивания" в тяжелых электрических режимах [102,206,304,513].
К середине 50-х годов широкий круг теоретических, расчетных и экспериментальных работ по исследованиям статической устойчивости дальних электропередач в режимах, близких к предельным по пропускной способности, и демпферных свойств ЭЭС завершился созданием автоматического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ-СД), характеризирующегося высокими коэффициентами усиления и наличием в законе регулирования стабилизирующих сигналов по первым и вторым производным режимных параметров, что позволило совместно с системами быстродействующего возбуждения (статическими тиристорными и диодными бесщеточными) обеспечить высокие пределы статической и динамической устойчивости и интенсивное демпфированием качаний в послеаварийных режимах [60,75,219].
На основе применения АРВ-СД удавалось решить проблему обеспечения апериодической устойчивости протяженных энергосистем при удовлетворительном качестве протекания колебательных режимов. Показано, что в ряде случаев была целесообразна общесистемная координация настроечных параметров каналов стабилизации регуляторов отдельных генераторов и требовался переход на регулирования по параметрам, отражающих взаимное движение всех агрегатов системы [25,102,107,326]. В то же время, как отмечено в [89,145,231,304], удовлетворительное качество демпфирования колебательных процессов могло быть обеспечено и на основе анализа только местной информации. Опыт эксплуатации генераторов с унифицированными АРВ-СД показал, что уровень демпфирования, достигаемый в условиях сложной энергосистемы оказывался тем выше, чем большими потенциальными возможностями демпфирования обладала рассматриваемая структура регулирования в условиях простейшей электропередачи [4,9,278,317].
В зарубежной практике для подавления опасных колебательных режимов, зафиксированных в ЭЭС целого ряда Европейских стран, США, Канаде, Австралии, были разработаны и внедрены системные стабилизаторы (Power
System Stabilizer, PSS), закон регулирования которых содержал первые и (или) вторые производные частоты соответствующих ЭДС или напряжений, т.е. также осуществлялся переход к принципам сильного регулирования возбуждения [16,512,529,584].
В качестве возможных параметров стабилизации PSS в многочисленных работах предлагались: отклонение тока статора, производная внутреннего угла генератора, ток возбуждения, напряжение статора, частота статорного напряжения, однако наибольшее распространение как параметры стабилизации получили отклонение скорости вала генератора от синхронной и ускоряющая мощность (производная скольжения) [376,522].
Таким образом, анализ существующих в мире типов АРВ показывает, что в их основе лежит единый принцип, предусматривающий пропорционально-дифференциальный (ПД) закон регулирования по отклонению напряжения в сочетании с отрицательными обратными связями по напряжению и производной тока возбуждения и стабилизацией по производным режимных параметров [41]. Однако, повышение качества демпфирования электромеханических колебаний ротора генератора за счет повышения быстродействия аппаратуры и усиления воздействий на обмотку возбуждения генератора привело и к увеличению механических нагрузок на валопровод.
Следующий этап в развитии АРВ сильного действия был связан с совершенствованием сложившейся структуры регулятора с целью обеспечения инвариантности к схемно-режимным условиям его работы в ЭЭС за счет введения дополнительных стабилизирующих параметров, а также использованием новой аппаратной базы (полупроводниковых элементов и интегральных микросхем), обусловившей появление новых унифицированных регуляторов типа АРВ-СДП и АРВ-СДПИ с улучшенными характеристиками и существенно расширенными функциональными возможностями [45,248,346]. Разработка и широкое внедрение систем сильного регулирования возбуждения генераторов, а также интенсивное развития вычислительной техники, стимулировали создание алгоритмов и программного обеспечения для рас-
четов колебательной статической устойчивости ЭЭС. В нашей стране программное обеспечение для исследования демпферных свойств ЭЭС разработано к настоящему времени в СЭИ, ЭНИН, ВНИИЭ " Энергосетьпроекте", НИИПТ, МЭИ, СПбГПУ (ЛПИ) [8,24,102,89,210].
При этом одним из наиболее распространенных оказался метод D-разбиения в плоскости двух параметров [97,161,213 ]. Позднее, наряду с D-разбиением и другим частотным методами, широкое распространение получили матричные методы, основанные на оценке собственных значений и собственных векторов матриц, характеризирующих демпферные свойства системы [25,26,105,106]. Именно на основе совместного применения этих технологий были выполнены работы [312,193,194,195,196], в которых указывалось на опасность резонансного усиления крутильных колебаний за счет работы систем регулирования (АРВ генератора, регулятор тока ППТ).
В настоящее время возможности исследования качества переходных процессов и проектирования автоматических регуляторов, реализующих близкие к оптимальным адаптивные законы управления существенно возросли. В распоряжении исследователя имеются мощные пакеты для моделирования динамических систем и структур управления, в первую очередь система программирования MatLab [229], получившая широкое распространение в развитых станах и быстро распространившаяся в России. Новые возможности моделирования позволяют реализовать весьма сложные исследовательские модели и получить представления о направлениях развития систем автоматического управления, обеспечивающих подавление нежелательных воздействий на турбоагрегат, обусловленных односторонним подходом к оптимизации настроечных параметров системы регулирования возбуждения. В результате выполнения работы удалось разработать рекомендации по подавлению нежелательных явлений резонансного характера на турбоагрегатах, оснащенных старыми типами АРВ, а также определить направление развития структуры перспективных цифровых АРВ.
Значительное внимание в работе уделено исследованию процессов при конечных возмущениях в ЭЭС. Проанализированы возможные неблагоприятные сочетания воздействий ударного характера, приведены соображения по ослаблению неблагоприятных факторов, снижающих ресурс валопровода.
Протекание переходных процессов в ЭЭС в значительной мере определяется параметрами и характеристиками электрических машин, и достоверность большей части электротехнических расчетов в существенной степени зависит от точности математического моделирования электрических машин и их регулирующих устройств. Благодаря прогрессу в электромашиностроении происходило резкое увеличение единичных мощностей генераторов, поскольку оно достигалось в основном за счет роста электромагнитных нагрузок, то заметным образом изменялись и основные параметры, определяющие поведение машин в установившихся и переходных режимах. К настоящему моменту созданы генераторы традиционных конструкций с предельным использованием активных материалов и параметрами, весьма неблагоприятными по условиям устойчивости параллельной работы в энергосистеме. Накопление опыта эксплуатации таких машин указали как на необходимость учета целого ряда дополнительных факторов при анализе переходных процессов (повышенных активных сопротивлений контуров, моментно-скоростных характеристик первичных двигателей), так и на необходимость корректировки обобщенной теории, основанной на использовании идеализированной модели синхронной машины. Последнее касается учета насыщения стали в нормальных и аварийных режимах работы и вихревых токов, протекающих в массивных элементах мапштопровода.
В разработке методов учета насыщения можно выделить несколько этапов и направлений: в работах А.А.Горева [91], Д.А.Городского [93], Р.А.Лютера [221], Г.Н.Петрова [243], Р.Рихтера [261] была обоснована постановка задачи уточнения математической модели синхронной машины; экспериментальные данные, накопленные и обобщенные в работах Г.В.Карпова [159,160], Л.Килгора [506], Б.П.Медведева [228], Р.В.Оганяна
[236], Р.Е.Стивена [579], Д.Хэмди-Сепена [453], Ю.Л.Цирлина [322,323], X. В. Шхати и С. В Смоловика[339,278-281], Е. Н. Попкова[249], и других обусловили продолжение работ по совершенствованию предложенных методов. В результате были разработаны ориентированные на применение ЭВМ достаточно точные, но характеризующиеся повышенной сложностью методики А.И.Важнова и И.А.Гордона [51], Б.В.Сиделышкова [274], Р.В.Фильца [305-310]. Одновременно бурно развивались численные методы расчета магнитных полей в активной зоне электрических машин (В.В.Апсит, В.В.Домбровский [125-129] и С. В Смоловик [127], К.С.Демирчян и В.Л.Чечурин [121], Я.А.Новик [235], Е.Фукс [445], М.В.К.Чари[390,538], Е.А.Эрдели [359] и другие). Однако в результате указанных работ не была создана достаточно простая аналитическая методика учета насыщения сердечников, которая была бы пригодна при исследовании установившихся режимов и переходных процессов синхронных машин, работающих в составе сложной электроэнергетической системы. Поэтому разработка и обоснование такой методики, позволяющей выполнить уточненный расчет установившихся режимов, токов короткого замыкания, статической и динамической устойчивости параллельной работы и исследование на ее основе переходных процессов сложных ЭЭС являются основными задачами диссертации. Одним из важных моментов, связанных с разработанными способами учета насыщения, является возможность приближенного учета поверхностного эффекта в массивных элементах магнитной цепи.
Важные для уточнения математической модели синхронной машины методические положения по учету поверхностного эффекта в массивных участках, построению схем замещения и определению их параметров представлены в трудах Б.Адкинса [7], В.Н.Асанбаева [20], А. Вуда[603,604], И.Г.Вайнера [48-50], Е.Я.Казовского [157], Ч. Конкордиа [403], 3. М. Куцева-лова [198], Э.С.Лукашова [216], Р.А.Лютера [222], И. М. Постникова [252], Г.Г.Рогозина [259], Р.Рюденберга [267], В.Ф.Сивокобыленко [270], А. В. Си-делышкова [271], Б. В. Сиделышкова [274], Н. И. Соколова [54],
В.В.Фетисова [303], В.М.Юринова [6] и других. Необходимо указать на определенное противоречие между параметрами, полученными из заводских формуляров турбогенераторов, и найденными обработкой экспериментальных (или типовых) частотных характеристик. Последние является ненасыщенными и их совместное использование с насыщенными значениями сверхпереходных индуктивных сопротивлений приводит к качественным и количественным погрешностям. Удовлетворительное согласование полученных разными способами параметров может быть достигнуто на основе применения разработанных в диссертации методов учета насыщения, что обеспечивает правильное определение как ударных токов и моментов при близких возмущениях, так и показателей демпфирования. Оба указанных фактора являются существенными при исследовании крутильных колебаний валопро-водов мощных турбоагрегатов. Значительный интерес к их математическому моделированию возник в связи с поломками турбоагрегатов, присоединенных к энергосистеме через линии электропередачи с установками продольной емкостной компенсации [255,599]. Накопление опыта эксплуатации турбогенераторов большой единичной мощности выявило необходимость уточненного определения экстремальных воздействий на валопровод, обусловленных знакопеременной составляющей электромагнитного момента генератора, возникающей при близких коротких замыканиях, и последующих ударных воздействиях, вызванных отключением коротких замыканий, автоматическими повторными включениями и т.д. Работы этого направления проводились Л. Я. Аксеновой [10], И. А. Глебовым, Е. Я. Казовским и Г. В. Рубпсовым [82, 156, 153, 240, 276, 265], Д. Ламбрехтом [395], В. Б. Сигаевым [268], И.Д. Урусовым [303, 304, 306], Т.Н. Хэммонсом [459-483] и другими. В ряде случаев, однако, оказывалось, что исчерпание механического ресурса участков валопровода может быть связано не с указанными воздействиями ударного характера, а с многоцикловыми воздействиями сравнительно небольшой амплитуды, обусловленными общими колебательными свойствами турбоагрегата. На необходимость исследования подобных процессов указы-
валось в последних работах И.Д.Урусова [299,301]. Это потребовало разработки комплексных математических моделей турбоагрегата, включающих валопровод, генератор, систему регулирования возбуждения с подробным представлением автоматического регулятора возбуждения и учетом электромагнитного момента, развиваемого возбудителем. Турбоагрегат, система регулирования возбуждения и валопровод рассматриваются как целостная система, в которой развивается электромеханический переходный процесс. Разработана методика моделирования, позволяющая оценить влияние фазы отключения короткого замыкания на возникающие электромагнитный и скручивающие моменты. Выполнены исследования переходных процессов агрегатов различных типов с учетом указанных факторов.
В работе впервые поставлен вопрос об учете реальных показателей демпфирования, обусловленных «паровым» и «конструкционным» демпфированием. Выявлены расчетные условия, в которых учет указанных факторов является существенным.
В результате выполнения работы обоснован общий подход к исследованию переходных процессов ЭЭС на основе использования математических моделей синхронных генераторов, рассматриваемых как объекты с переменными, зависящими от режима работы, параметрами. Для их определения разработаны методы учета насыщения стали, дополненные учетом поверхностного эффекта. Выполнены исследования электромагнитных и электромеханических переходных процессов машин различных типов с учетом указанных факторов. Практическое внедрение результатов работы подтверждается соответствующими актами, копии которых даны в приложении.
Отдельные разделы диссертации были доложены на научно-технических конференциях и совещаниях: Фундаментальные исследования в технических университетах. Конференции 8-9 июня 2000г. СП6ГТУ.[329]. Фундаментальные исследования в технических университетах. Конференции 8-9 июня 2000г. СП6ГТУ[331]. Фундаментальные исследования в технических университетах. Конференции 26-27 мая 2004г. СП6ГТУ[332]. Фундаментальные ис-
следования и инновации в технических университетах. Конференции 18-19 мая 2007г. СП6ГТУ[333]. Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах. Конференции 18-19 мая 2007г. СП6ГТУ[334]. Научные исследования и инновационная деятельность. Конференции 18-20 июня 2007г. СП6ГПУ[335] Научные исследования и инновационная деятельность. Конференции 18-20 июня 2007г. СП6ГПУ[337]. Известия РАН. Энергетика^ 6]. Proceedings of "SPb-IEEE Con'03" 2003 St-Petersburg IEEE chapters conference[370]. Proceedings of IEEE Power Engineering Society PowerTech 2005, St-Petersburg, Russia [574]. IVth international scientific symposium elek-troenergetika 2007. technical university of Kosice, Slovakia.sep. 19-21, 2007[368]. Научно-технические ведмости СПбГТУ [330,338-342].
