Исследование электроприводного газоперекачивающего агрегата на базе каскадного многоуровневого преобразователя частоты Садиков Дмитрий Геннадьевич

Введение к работе

Актуальность темы

Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г. и
Концепции энергосбережения и повышения энергетической эффективности ОАО
«Газпром» на период 2011-2020 гг. (Приказ ОАО «Газпром» № 364 от 28.12.2010 г.)
снижение энергоемкости экономики и повышение эффективности использования
энергоносителей являются важнейшими стратегическими направлениями.

Основными потребителями электроэнергии во всей газотранспортной системе
являются электроприводные газоперекачивающие агрегаты (ЭГПА). Они

потребляют около 80-85% всей электроэнергии.

Сегодня, при выполнении проектов реконструкции и нового строительства электроприводных компрессорных станций, открываются широкие возможности для внедрения новых перспективных технологий производства, направленных на повышение показателей энергоэффективности и энергосбережения. Наибольший эффект может быть достигнут применением ЭГПА нового поколения, в состав которых входит высоковольтный частотно-регулируемый электропривод. При этом снижается энергопотребление за счет реализации заданных режимов работы компрессорной станции, оптимизированных по условиям технологического процесса, а также уменьшается износ механизмов и повышается надежность эксплуатации. Внедрение современных систем автоматического управления позволяет перейти к реализации малолюдных технологий, что также позволит уменьшить издержки на транспортировку газа.

Известно несколько различных вариантов построения силовой части
высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей (ЧРП). Схема

каскадного многоуровневого преобразователя частоты на сегодняшний день представляет наибольший интерес для исследования, так как обладает рядом преимуществ перед остальными вариантами, такими как малые гармонические искажения питающей сети, относительно хорошая форма выходного напряжения и тока, высокая надежность. Данное схемное решение позволяет получить оптимальные с точки зрения энергоэффективности характеристики системы.

Наиболее популярным алгоритмом управления, используемым многими производителями высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей, является алгоритм синусоидальной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) или модифицированной синусоидальной ШИМ. Алгоритм векторной ШИМ, несмотря на то, что является сложным в реализации, имеет большой потенциал в части синтеза наиболее энергоэффективного решения. При этом задача синтеза векторного алгоритма управления высоковольтным частотно-регулируемым преобразователем решается неоднозначно и имеет, как правило, несколько вариантов решения. Все это открывает широкие возможности в плане исследования и оптимизации векторного алгоритма управления по выбранным критериям.

Объект исследования

Электротехнический комплекс газоперекачивающего агрегата на основе высоковольтного частотно-регулируемого преобразователя, электродвигателя,

нагнетателя природного газа, агрегатной системы управления в составе компрессорной станции магистрального газопровода.

Предмет исследования

Структура построения силовой части и система управления высоковольтного
частотно-регулируемого преобразователя. Схема электроснабжения

электроприводной компрессорной станции магистрального газопровода.

Цель работы

Исследование методов повышения энергетической эффективности

электроприводных компрессорных станций магистральных газопроводов, на основе внедрения частотно-регулируемого привода газоперекачивающих агрегатов на базе каскадного многоуровневого преобразователя частоты и синтеза векторного алгоритма управления для оптимизации энергетических характеристик системы.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи.

1. Анализ основных топологий построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых преобразователей. Обоснование перспективы применения каскадного многоуровневого преобразователя частоты в составе ЭГПА.

2. Создание имитационной компьютерной модели ЭГПА в составе каскадного многоуровневого преобразователя частоты, высокоскоростного асинхронного двигателя, нагнетателя природного газа для исследования работы предлагаемого типа ЭГПА в различных статических и динамических режимах работы, оценки его энергетических характеристик.

3. Разработка векторного алгоритма формирования ШИМ для управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА, оптимизированного по минимуму энергопотребления из питающей сети с сохранением заданных параметров технологического процесса и требуемых показателей качества электроэнергии.

4. Сравнение эффективности применения разработанного алгоритма оптимизированного векторного управления с базовым алгоритмом, использующим фазовый сдвиг несущих сигналов.

5. Оценка экономической эффективности применения ЭГПА при реконструкции и новом строительстве компрессорных станций.

6. Разработка по результатам технико-экономического обоснования рациональной схемы электроснабжения компрессорной станции с применением регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов.

Методы исследования

При выполнении работы применялись методы линейной алгебры, теории матриц, методы теории оптимизации, методы статистического анализа, методики оценки экономической эффективности инвестиционных проектов.

Научная новизна работы

1. Обосновано применение каскадной многоуровневой структуры

построения силовой части высоковольтных частотно-регулируемых

преобразователей в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата.

2. Разработана имитационная компьютерная модель регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата, отличающаяся учетом реальных параметров компонентов силовой части и технологической нагрузки.

3. Предложена методика синтеза оптимизированного алгоритма векторного управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты.

4. Разработан алгоритм управления высоковольтным каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА, отличающийся минимальным для заданного режима работы потреблением электроэнергии из питающей сети с сохранением заданных параметров технологического процесса и требуемых показателей качества электроэнергии.

5. Предложена схема электроснабжения компрессорной станции с применением высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов, построенная с учетом обеспечения минимальных капитальных затрат и обеспечения заданных параметров технологического процесса транспорта газа.

Практическая ценность работы

1. Внедрена в процесс проектирования имитационная компьютерная модель высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающего агрегата на базе каскадного многоуровневого преобразователя частоты. Моделирование позволяет на этапе проектирования системы оценить возможные риски и работоспособность данного типа привода в заданных условиях работы, оценить вид переходных процессов, определить эффективность применения различных алгоритмов управления системой, их соответствие заданному технологическому процессу.

2. Разработанные алгоритмы управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты, могут быть использованы при проектировании современных высокоэффективных высоковольтных электроприводов газоперекачивающих агрегатов, а также в других отраслях промышленности.

3. Предложенная схема электроснабжения компрессорной станции с применением высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов применяется в проектах строительства и реконструкции компрессорных станций магистральных газопроводов для уменьшения капитальных затрат и рационального использования оборудования.

4. Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках проектной части государственного задания в сфере научной деятельности на 2014-2016 гг. (НИР № 8.2668.2014/К)

Результаты работы использовались

5. При подготовке заявки на полезную модель № 2016122417 от 06.06.2016 г. «Система регулирования скорости электроприводного газоперекачивающего агрегата компрессорной станции магистрального газопровода».

6. При разработке проектов строительства и реконструкции электроприводных компрессорных станций магистральных газопроводов, а также нефтеперекачивающих станций в АО «Гипрогазцентр».

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы представлялись,

докладывались и обсуждались на следующих конференциях: восемнадцатая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (01-03 марта 2012 г, г. Москва, Московский энергетический институт), XVIII Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2012 (18-20 апреля 2012 г, г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева), IV научно-практическая молодежная конференция «Новые технологии в газовой отрасли: опят и преемственность» (18-19 октября 2012 г, г. Москва, ООО «Газпром ВНИИГАЗ»), VII Международная (XVIII всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу (2-4 октября 2012 г., г. Иваново), XIX Международная научно-техническая конференция «Информационные системы и технологии» ИСТ-2013 (г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева, 2013 г.), XIV Международная молодежная научно-практическая конференция «Будущее технической науки» (15 мая 2015 г., г. Нижний Новгород, Нижегородский государственный университет им. Р.Е. Алексеева).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 3 в ведущих рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту

7. Процедура оценки и выбора оптимальной топологии построения силовой части высоковольтного частотно-регулируемого преобразователя для применения в составе электроприводного газоперекачивающего агрегата.

8. Имитационная компьютерная модель высоковольтного электропривода газоперекачивающего агрегата с каскадным многоуровневым частотно-регулируемым преобразователем.

9. Оптимизированный алгоритм управления высоковольтным каскадным многоуровневым преобразователем частоты в составе ЭГПА.

10. Новая схема электроснабжения компрессорной станции магистрального газопровода с применением высоковольтного регулируемого электропривода газоперекачивающих агрегатов.

Соответствие диссертации паспорту специальности

Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03

«Электротехнические комплексы и системы».

Достоверность и обоснованность изложенных в диссертации положений
подтверждается использованием современных информационно-технических

средств, применением технологий имитационного компьютерного моделирования для решения основных исследовательских задач, сравнением результатов моделирования с результатами, полученными опытным путем и накопленными в результате практической деятельности в данном направлении.

Личное участие автора заключалось в анализе структур построения силовой части преобразователей, построении имитационных компьютерных моделей рассматриваемых структур. Автором создана имитационная компьютерная модель

высоковольтного электропривода газоперекачивающего агрегата на основе каскадного многоуровневого частотно-регулируемого преобразователя. Автором был разработан алгоритм векторного управления каскадным многоуровневым преобразователем частоты. На основании экономических расчетов предложена рациональная схема электроснабжения компрессорной станции с частотно-регулируемым электроприводом газоперекачивающих агрегатов.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, перечня сокращений и списка литературы из 78 наименований. Общий объем работы составляет 183 страницы. Диссертация содержит 50 рисунков и 26 таблиц.