Обеспечение условий совместной работы мини-станции и питающей энергосистемы в составе электротехнического комплекса очистных сооружений Закутнов Владислав Андреевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Электрооборудование и режимы работы очистных сооружений при наличии мини-станции 17

1.1. Основное электрооборудование очистных сооружений 18

1.2.Основные типы и характеристики мини-станций 20

1.3. Технологическая схема и теплоэнергетический баланс очистных сооружений с мини-станцией 25

1.4. Требования нормативных документов к системам с собственной генерацией в составе электротехнических комплексов очистных сооружений 32

1.5. Постановка задачи исследования 38

Глава 2. Разработка методик расчета статической и динамической устойчивости электротехнических комплексов при работе с мини-ТЭС 40

2.1. Общие допущения при расчетах установившихся и переходных режимов электротехнических комплексов с мини-ТЭС 42

2.2 Методика оценки статической устойчивости электротехнических комплексов с мини-станциями и замкнутыми контурами при раздельной и совместной работе с энергосистемой 45

2.3. Методика расчета динамической устойчивости режимов работы ЭТС при совместной работе питающей системы и мини-станции 55

2.4. Разработка математической модели электротехнического комплекса Курьяновских очистных сооружений совместно с мини-ТЭС 72

2.5. Выводы по главе 2 74

Глава 3. Определение статической и динамической устойчивости электротехнического комплекса с мини-станцией при совместной и раздельной работе с энергосистемой 75

3.1. Схемы электроснабжения ГПП, мини-ТЭС и отдельных ТП очистных сооружений 75

3.2. Определение запаса статической устойчивости электротехнического комплекса очистных сооружений в нормальных и ремонтных режимах работы 76

3.3. Расчет динамической устойчивости электротехнической системы очистных сооружений при параллельной работе мини-станции с энергосистемой 85

3.4. Оценка правильности выбора параметров РЗА и электро-оборудования на основании учета углов СД и СГ при расчетах токов КЗ 98

3.5. Расчет возможности пуска турбовоздуходувки мощностью 1,5 МВт в исходной и автономной схеме очистных сооружений 101

3.6. Выводы по главе 3 106

Глава 4. Мониторинг качества электрической энергии электротехнического комплекса с мини-станцией и разработка мероприятий по повышению эффективности его работы 109

4.1. Мониторинг электропотребления и качества электроэнергии на шинах ТП-1 и ТП-15 Курьяновских очистных сооружений 109

4.2. Мониторинг качества электроэнергии на шинах ТП-16 Курьяновских очистных сооружений 118

4.3. Разработка проекта компенсации гармонических составляющих на шинах ТП-1 6 125

4.4. Разработка технических решений по обеспечению надежной работы электрооборудования очистных сооружений при кратковременных нарушениях в сетях 110 и 6 кВ 126

4.5. Выводы по главе 4 132

Заключение 134

Список литературы 136

• Требования нормативных документов к системам с собственной генерацией в составе электротехнических комплексов очистных сооружений
• Методика расчета динамической устойчивости режимов работы ЭТС при совместной работе питающей системы и мини-станции
• Расчет динамической устойчивости электротехнической системы очистных сооружений при параллельной работе мини-станции с энергосистемой
• Мониторинг качества электроэнергии на шинах ТП-16 Курьяновских очистных сооружений

Введение к работе

Актуальность темы

В последние десятилетия прогресс в развитии сооружений очистки сточных вод, обработки осадка, утилизации бытового мусора во всем мире тесно связан с ресурсосбережением, повышением эффективности и надежности энергоснабжения таких объектов. Поэтому в составе очистных сооружений в Европе, а затем и России стали появляться мини-станции, причем для Москвы это было еще вызвано:

массовым отключением электроэнергии в столице 25 мая 2005 года, когда перерыв в энергоснабжении очистных сооружений чуть не привел к экологической катастрофе;

ростом тарифов на электроэнергию до той эквивалентной величины в долларах, после чего в мире принято для электротехнических комплексов вводить в эксплуатацию мини-станции на базе различных генераторных установок. В Москве было принято решение о строительстве мини-теплоэлектростанции (мини-ТЭС) на Курьяновских очистных сооружениях (КОС), осуществляющих сброс очищенных вод непосредственно в черте города.

Схемы построения электротехнических систем (ЭТС) очистных сооружений могут содержать несколько (от двух до десяти) генераторов собственных нужд (суммарной мощностью от 10 до 25 МВт), имеющих связи как по сетям среднего (6,10 кВ), так и низкого (до 1 кВ) напряжения.

Начиная с 1998 г. МГУП "Мосводоканал" проводил комплексную реконструкцию метантенков в результате которой была увеличена глубина сбраживания, и за счет этого выросла выработка биогаза – за последние 10 лет в 1,7 раза. Таким образом, повышение эффективности сбраживания дает двойную экономию: во-первых, за счет получения дополнительного биогаза, являющегося ценным топливом, во-вторых, за счет сокращения количества осадка, подлежащего дальнейшей обработке. В настоящее время на очистных сооружениях получают около 250 тыс. куб. м/сутки (более 90 млн. куб. м/год) биогаза (рис. 1). Это превысило потребности в биогазе, применяемом в технологических целях – для подогрева осадка, поступающего в сооружения по его сбраживанию и МГУП "Мосво-доканал" перешло к этапу утилизации биогаза на мини–станции, с выработкой электроэнергии и получением дополнительного тепла (электрическая мощность мини-ТЭС Курьяновских очистных сооружений составляет 10 МВт). Применение собственных источников электроэнергии на производстве растет, в связи с чем возникает задача обеспечения условий совместной работы автономных и централизованных источников питания систем электроснабжения производств, что и определяет актуальность темы диссертационной работы.

При проектировании и внедрении мини-станции на очистных сооружениях актуальны задачи выбора напряжения, расчета статической и динамической устойчивости ЭТС, релейной защиты и автоматики (РЗА), а также режимов параллельной и автономной работы энергосистемы и собственной генерации. Разработка методик обеспечения статической и динамической устойчивости электротехнических комплексов очистных сооружений в различных режимах функционирования электрооборудования при автономной и параллельной работы питаю-

Природный газ 20,0 млн.м³ /год 2100,0 м³ /час - лето 2900,0 м³ /час - зи

щей системы с со^Пб^рс^итв^не^ц_Кн^и_ун^п_ро^и_ьй^а_я ^л_нг^ье_о^нн_в^ае_с^яр_киа^эц_х^н и^е_ое^р_чй^г_и^о _си^- _т^тм_н^ее_ы^хе^н_хт^о _с^лв_оа^о_ож^{г и}_рн^ч_уо^е_же^с_е ^кп_н^ар_и^яи_й ^ск^хл^еа^мд^аное значение с технической и экономической точек зрения.

'П

Котельная 7 котлов

Турбовоздуходувки ТП-1 ТП-15

_аi

3,2 гКал/час 85С

Пар

Контур охлаждения двигателей мини-ТЭС

60С

Теплообменни мини-ТЭС 750 м³ /час

t = 52 - 56С

Метантенки

33-50 гКал/час

Технологические потоки:

Сырые осадки

Сброженный осадок

Биогаз

Горячая вода

Пар

Рис. 1. Принципиальная энерготехнологическая схема КОС

Большой вклад в решение вопросов собственной генерации и устойчивости работы потребителей систем промышленного электроснабжения (СПЭ) с электродвигательной нагрузкой внесли: Абрамович Б.Н., Беляев А.В., Гамазин С.И., Гуревич Ю.Е., Ершов М.С., Егоров А.В., Меркурьев Г.В., Нагай В.И, Овчаренко Н.И., Шабад М.А., Bharvirkar R., Lasetter R.H., Kersting W., Kiprakis A., Willis H.

При подключении мини-ТЭС к энергосистеме возможны следующие режимы работы электротехнической системы очистных сооружений:

- режим параллельной работы с энергосистемой с выдачей избыточной
мощности в систему;

режим параллельной работы без выдачи мощности в систему, если в нормальном режиме нагрузка предприятия обеспечивается не только мини-ТЭС, но и системой;

автономный режим работы ЭТС очистных сооружений.

Целью работы является обеспечение условий надежной работы мини-станций и питающей энергосистемы в составе единого электротехнического комплекса путем разработки методики расчета статической и динамической устойчивости при совместной и автономной работе ЭТС очистных сооружений.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие теоретические и прикладные задачи:

1. Математическое моделирование ЭТС станций очистных сооружений при совместной и автономной работе мини-станции и питающей энергосистемы в установившихся и аварийных режимах работы с учетом замкнутых контуров, возможных отключений трансформаторов и генераторов станций, а также мощных турбовоздуходувных агрегатов.

2. Разработка методик расчета статической и динамической устойчивости электротехнических систем с мини-станцией с учетом замкнутых контуров, возможных отключений трансформаторов и генераторов станций, учета углов сдвига фаз между электродвижущей силой (ЭДС) каждого генератора или электродвигателя и ЭДС системы.

3) Расчет различных видов коротких замыканий для ЭТС с мини-станцией и
наличием замкнутых контуров внутризаводской сети без отказа от ряда проект
ных допущений, уточнение параметров релейной защиты и автоматики (РЗА) при
возможных режимах работы питающей энергосистемы и очистных сооружений.

4) Мониторинг параметров электропотребления и качества электрической
энергии в узлах основных трансформаторных подстанций (ТП) для разработки
технических решений по обеспечению надежной работы ЭТС.

5) Выработка технических предложений по обеспечению результирующей
устойчивости при параллельной работе электротехнических комплексов очистных
сооружений и мини-станций.

Объектом исследования являются электротехнические системы очистных сооружений при наличии мини-станций и их функционирование в установившихся, аварийных и послеаварийных режимах ЭТС, в том числе при работе одного трансформатора на главной питающей подстанции (ГПП) и/или двух-четырех генераторов собственного источника.

Научная новизна:

1. Разработана математическая модель электротехнической системы с централизованными и автономным многоагрегатным источником питания, позволяющая моделировать режимы ЭТС при наличии замкнутых контуров в системе внутреннего электроснабжения с контролем углов ЭДС генераторов, синхронных (СД) и асинхронных двигателей (АД) относительно ЭДС балансирующего узла, что позволяет повысить точность расчетов показателей устойчивости ЭТС и обоснованность выбора параметров системы релейной защиты и автоматики.

2. Обоснована необходимость учета в математической модели переходных процессов генераторных агрегатов знакопеременных и дополнительных моментов и их взаимного влияния, что обеспечивает повышение точности расчетов динамической устойчивости при кратковременных возмущениях в сетях 110 и 6 кВ для возможных вариантов состояния схемы ЭТС.

3. Модифицированы методики расчета статической и динамической устойчивости электротехнической системы в условиях совместной и автономной работы централизованных источников и мини-станций при симметричных и несимметричных возмущениях и наличии замкнутых контуров в системе внутреннего электроснабжения. В предложенных модификациях методик учтена целесообразность расчетного мониторинга рабочих углов синхронных генераторов (СГ) и высоковольтных двигателей ЭТС.

4. На основании анализа результатов расчета переходных процессов в электротехнических системах со смешанным составом источников питания обоснованы новые требования к устройствам быстродействующей автоматики ввода резерва (БАВР), обеспечивающие устойчивую работу производств очистных сооружений в условиях частых несимметричных коротких замыканий в электрических сетях.

Практическая ценность результатов работы

Применительно к объектам очистных сооружений выполнены расчеты, анализ результатов и даны рекомендации по повышению устойчивости работы ЭТС с автономными и централизованными источниками. Результаты работы доведены до инженерных методик и рекомендаций, внедрены на Курьяновских очистных сооружениях для обеспечения надежной работы воздуходувок, насосов и механизмов в установившихся, аварийных и послеаварийных режимах питающей энергосистемы и мини-станции.

Реализация результатов работы

Изменены уставки релейной защиты и автоматики на ТП и главных распределительных устройствах (ГРУ), что позволило предотвратить отключения воздуходувок, насосов и механизмов в возможных аварийных и послеаварийных режимах питающей энергосистемы и мини-станции, разработан и предложен бизнес-проект внедрения односекционного БАВР и динамических компенсаторов искажений напряжения для защиты основных потребителей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Математические модели, включая:

модель электротехнической системы для расчета автономных режимов ЭТС при наличии замкнутых контуров в системе внутреннего электроснабжения, в которой один из генераторов принимается за балансирующий узел, а остальные генераторы представляются системами нелинейных дифференциальных уравнений;

математическая модель переходных процессов генераторных агрегатов, учитывающая знакопеременные и дополнительные моменты и обеспечивающая повышение точности расчетов динамической устойчивости при кратковременных возмущениях в электрических сетях.

2. Модификации методик расчета статической и динамической устойчивости электротехнической системы в условиях совместной и автономной работы централизованных источников и мини-станции при симметричных и несимметричных возмущениях и наличии замкнутых контуров системы внутреннего электроснабжения.

3. Предложенные на основании расчетных и эксплуатационных данных обобщающие рекомендации по повышению и более полному использованию запаса устойчивости электротехнических систем с централизованными и автономными источниками питания, включая требования к устройствам релейной защиты и автоматики, условиям применения динамических компенсаторов искажения напряжения и фильтро-компенсирующих устройств.

Апробация работы

Основные положения работы докладывались на: международной выставке-

форуме «ВэйстТэк-2013» (г. Москва, 28-31 мая 2013 г.); международной научно-
технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энерго
эффективность и энергобезопасность производственных процессов», г. Тольятти, 24-
25 мая 2012г.); Х Международной научно-практической интернет конференции
«Энерго- и ресурсосбережение – ХХI век» г. Орел, 15.03 – 30.06.2012 г.; междуна
родной конференции IWA «Опыт и молодость в решении водных проблем» (г. Алма-
ты, 2011); научных семинарах кафедры ЭПП НИУ «МЭИ», научных семинарах ка
федры ТЭЭП РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина.

Публикации

Содержание работы нашло отражение в 6 опубликованных печатных работах (в том числе в 2 изданиях, рекомендованных ВАК), в которых отражены основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

Структура и объем работы

Требования нормативных документов к системам с собственной генерацией в составе электротехнических комплексов очистных сооружений

На сегодняшний момент возможными приводами электрогенераторов для децентрализованных мини-ТЭС (в частности, Курьяновских очистных сооружениях) являются газовые поршневые (ГПД) и турбинные двигатели (ГТД), имеющих хорошие показатели расхода топлива и эксплуатационных затрат, которые напрямую связаны с выгодами, которые получит Мосводоканал и со сроком окупаемости оборудования станции (рис. 1.2). Ниже приведены сравнительные характеристики расхода топлива и эксплуатационных затрат газотурбинной и газопоршневой установок.

Удельный расход топлива (на выработку кВтч) меньше у газопоршневой установки при любом нагрузочном режиме. Это объясняется тем, что КПД поршневых машин составляет 36…45%, а газовых турбин - 25…34%.

Эсплуатационные затраты на электростанцию с поршневыми машинами ниже, чем на электростанцию с газовыми турбинами (рис. 1.2.). Резкие скачки на графике ГТД - капитальные ремонты двигателя. У эксплуатационных затрат ГПД таких скачков нет, капитальный ремонт требует значительно меньше финансовых и людских ресурсов.

Сравнение газо-поршневых и газотурбинных двигателей по другим немаловажным вопросам установки и эксплуатации приведено в таблице 1.2. Сравнение турбинных и поршневых двигателей для применения на мини-ТЭС показывает, что установка ГТУ наиболее выгодна на промышленных предприятиях, которые имеют значительные (больше 10-12 МВт) электрические нагрузки, собственную производственную базу, высококвалифицированный персонал для эксплуатации установки, ввод газа высокого давления.

К важнейшему преимуществу использования мини-ТЭС можно отнести стоимость электроэнергии и тепла, которые вырабатываются подобной электростанцией, и которая значительно ниже по сравнению с ее полноценным аналогом. К экономическим аспектам эффективности строительства мини-ТЭС можно смело отнести и тот факт, что использование данного типа электростанций исключает возможность тепловых утечек, которые могут достигать 20-25% при передаче горячей воды на значительные расстояния. Помимо этого, КПД мини-ТЭС ничуть не ниже, чем у котельных, занимающихся централизованным обеспечением теплом и электроэнергией. Отличительной особенностью капитальных затрат на электроснабжение от собственного источника является то, что денежные средства, потраченные на приобретение мини-ТЭС, будут возмещены в процессе эксплуатации.

Показатель Газопоршневой привод (ГПУ) Газотурбинный привод (ГТУ) Долговечность без ограничения присоблюдении правилэксплуатации и обслуживания без ограничения присоблюдении правилэксплуатации и обслуживания Ремонтопригодность ремонт производится на местеремонт требует меньшевремени ремонт производится наспециальных заводах затратывремени и денег натранспортировку, центровку и т.д. Сохраняемость не теряет свойств приправильном хранении,может перевозиться любымвидом транспорта не теряет свойств при правильномхранении, транспортировкажелезнодорожным транспортомне желательна Экономичность КПД мало меняется принагрузке от 100% до 50%мощности КПД резко снижается на частичных нагрузках

Удельный расходтоплива при 100% и50% нагрузках 9,3…11,6 МДж/кВтч 0,264…0,329 м3/кВтч 13,2…17,7 МДж/кВтч 0,375…0,503 м3/кВтч Падение напряжения ивремя восстановленияпосле 50% набросанагрузки 22% 8 с 40% 38 с

Влияние переменной нагрузки не желательна долгая работа на нагрузках менее 40% (сильновлияет на интервалы обслуживания), при меньшей единичной мощности агрегата, более гибкая работа электростанции в целом и выше надежность энергоснабжения работа на частичных нагрузках(менее 50%) не влияет насостояние турбины,при высокой единичноймощности агрегата, отключениевызывает потерю 30…50%мощности электростанции

Размещение в здании требует больше места, т.к.имеет больший вес на единицумощности,не требует компрессора длядожима газа, рабочее давлениегаза на входе - 0,01…0,35 бар при мощности электростанции 5МВт выигрыш от меньшегоразмера помещения не значителен,минимальное рабочее давлениегаза на входе - 12 бар, требуетсягаз высокого давления, либодожимной компрессор, а такжеоборудование для запускатурбины

Обслуживание останов после 1000-2000 ч.работы и замена масла,капитальный ремонт через60000 ч. выполняется на местеустановки останов после каждых 2000 ч.(данные фирмы Solar)кап. ремонт через 60000 ч.,выполняется на специальномзаводе

Этого нельзя сказать о капитальных затратах, которые идут на подключение к централизованным сетям. Эти деньги будут безвозвратно потеряны и перейдут на баланс определенной энергетической компании. Компенсация капитальных затрат при использовании мини-ТЭС происходит за счет того, что себестоимость энергии в целом довольно низка. Тем более не возникает необходимости строить линии электропередач и протяженные кабельные сети. Ведь транспортировка газа по газопроводам не менее чем в 10 раз экономичнее, нежели передача электроэнергии посредством высоковольтных линий электропередач. Таким образом, мини-ТЭС можно по праву считать экономически выгодной альтернативой централизованному тепло- и энергоснабжению, которая поможет сэкономить немалые деньги, даже с учетом строительства данной электростанции.

В настоящее время на очистных сооружениях АО «Мосводоканал» находится 44 метантенка общим объемом 280 тыс. м3, в т.ч. на Курьяновских очистных сооружениях 24 метантенка и 20 – на Люберецких. Эффективность работы метантенков в значительной степени определяет общие затраты на обработку и утилизацию осадка. Поскольку органические загрязнения трансформируются в биогаз, то повышение эффективности сбраживания дает двойную экономию: во-первых, за счет получения дополнительного биогаза, являющегося ценным топливом, во-вторых, за счет сокращения количества осадка, подлежащего дальнейшей обработке.

Начиная с 1998 г. проводится комплексная реконструкция метантенков. К настоящему времени реконструировано 23 метантенка, в т.ч.: 7 метантенков на Курьяновских и 16 на Люберецких очистных сооружениях. В результате проводимой реконструкции метантенков, выработка биогаза за последние 10 лет выросла в 1,7 раза и в настоящее время составляет около 250 тыс. куб. м/сутки (более 90 млн. куб. м/год). Весь биогаз направляется в котельные для выработки тепловой энергии, которая используется для подогрева осадка, подаваемого в метантенки. В летний период количество вырабатываемой из биогаза тепловой энергии стало превышать технологические потребности очистных сооружений, что позволило перейти к следующему этапу - утилизации биогаза на мини-ТЭС, с выработкой электроэнергии и получением дополнительного тепла в газопоршневых генераторах (когенерационная установка). Такая технология (рис. 1.3) является о бще е рпринятой практически на всех зарубежных очистных сооружениях, вырабатывающих биогаз в метантенках.

Методика расчета динамической устойчивости режимов работы ЭТС при совместной работе питающей системы и мини-станции

В последнее время для анализа динамической устойчивости электротехнических систем используются разные программы и методики, которые разрабатывались под предприятия энергосистем (АНАРЭС-2000 [76], Mustang, TKЗ-3000[77], ДАКАР[78], СДО-6[79]), были предназначены для типовых отраслевых схем (программы NEPLAN[82], Eurostag, PowerFactory, EnergyCS3 [80], SAD32[25], NAP[81], PSS E [83], программный комплекс переходных процессов при КЗ [14]).

Программные комплексы, предназначенные для энергосистем, описывают полной системой дифференциальных уравнений генераторы станций, а двигательную нагрузку потребителей описывают и учитывают упрощенно [2,11-13,19,34-36,54]. Этот подход не позволяет повысить точность расчетов динамической устойчивости ЭТС, а выбор электрооборудования предприятий осуществляет с завышенными параметрами.

Расчет электромагнитных и электромеханических переходных процессов при различных видах КЗ предусмотрен в программных комплексах АНАРЭС-2000, ДАКАР, СДО-6, Eurostag, EnergyCS3, NAP, NEPLAN, МУСТАНГ, PowerFactory, PSS E. Вместе с тем большинство программных комплексов обладают рядом особенностей и/или недостатков.

Расчет несимметричных КЗ в программе МУСТАНГ требует определения параметров схем замещения обратной и нулевой последовательностей, для чего используется модуль Shemwizard. А в программе Shemwizard существует ограничение по числу узлов в расчетной схеме, обеспечивающему достаточную сходимость расчета (не более 160 узлов), что часто не хватает для расчетов ЭТС предприятий с учетом потребителей напряжением ниже 1кВ.

Программный комплекс PSS E также разработан для энергосистем, предназначен для проверки параметров настройки автоматических регуляторов возбуждения сильного действия синхронных генераторов, оценки эффективности функционирование нового электротехнического оборудования с позиций обеспечения системной надежности [31], наладки и настройки под ключ устройств и систем режимного и противоаварийного управления, оценки устройств регулирования, управления, автоматики и защиты с позиций соответствия различным нормативным документам. Ориентирован на внедрение зарубежного оборудования и проверки правильности его функционирования в российских условиях, обладает теми же допущениями, которые отмечен при проектировании мини-ТЭС КОС.

Программный комплекс Eurostag предназначен для расчета переходных процессов и не предусматривает возможности расчета сверхпереходных значений параметров аварийных режимов.

Программный комплекс SAD32 предназначен для расчета электро механических переходных процессов, обладает возможностями расчета ЭТС с собственной генерацией, позволяет учитывать режимы работы преобразователей напряжения и частоты в цепях питания приводов, но не предусматривает возможности расчета сверхпереходных значений параметров аварийных режимов. Кроме того, комплекс предлагает для оценки динамической устойчивости уникальный критерий , где – соответствует запасу устойчивости ЭТС при провале напряжения до нуля; остаточная ЭДС системы; ЭДС системы в состоянии статической устойчивости. Авторы комплекса SAD32 проработали вопросы устойчивости для ЭТС с асинхронными [22, глава 3], синхронными [22, глава 4] двигателями, смешанной нагрузки [22, п.п. 4.4 и глава 6], однако для уточнения выбора электрооборудования и уставок РЗА при различных видах КЗ в сети 110 и 6 кВ, для замкнутых ЭТС с собственной генерацией это не проработано.

Дифференциальные уравнения, описывающие электромагнитные переходные процессы протекающие в АД, представим в соответствии с теорией двух реакций, по которой все магнитные потоки, пронизывающие обмотки машины, принимаются состоящими из двух независимых составляющих продольной и поперечной, жестко связанных с ротором источника (синхронного генератора) [10,11,14]. Продольная составляющая направлена по оси d ротора, а поперечная - по оси q. При этом ЭДС, напряжения и токи также рассматриваются как состоящие из двух составляющих. Физический смысл преобразования заключается в приведении трехфазных систем обмоток статора и ротора к эквивалентным двухфазным и замене вращающегося ротора генератора неподвижным, т.е. система координат представляется вращающейся с частотой ротора генератора. Так как обмотки статора и ротора при этом взаимно неподвижны, то периодические коэффициенты взаимной индукции из уравнений исключаются. При этом уменьшается число членов уравнений из-за того, что взаимная индуктивность фаз в двухфазной обмотке равна нулю. Эти уравнения (так называемые Парка-Горева), приняты для математического описания электротехнических систем [2,4,10,11,14,22].

Режим АД, подключенного к электрической сети с напряжением [ТВ,АД, характеризуется следующими основными параметрами: угловой частотой вращения ротора (со) и сверхпереходной ЭДС (E"), состоящей из свободной {Ec"с) и вынужденной (E;) составляющих (рис. 2.5). Через основные параметры режима по известным соотношениям, могут быть определены все остальные параметры режима. АД представлены схемой замещения, содержащей ветвь с комплексным сопротивлением и ЭДС. где Tj - электромеханическая постоянная времени агрегата двигатель-механизм; Ммех и Мэ - момент сопротивления механизма и электромагнитный момент; -постоянная времени обмотки ротора при короткозамкнутой обмотке статора; усп - частота вращения ротора в установившемся режиме, определяемая как уст = 1 SHOM где SHOM номинальное скольжение АД; Р - активная мощность, потребляемая двигателем из сети; со0 - синхронная частота напряжения на выводах двигателя; М0 - начальный момент сопротивления механизма при оо = 0; z - показатель степени, характеризующий зависимость момента сопротивления механизма от частоты вращения; кз - коэффициент загрузки

Расчет динамической устойчивости электротехнической системы очистных сооружений при параллельной работе мини-станции с энергосистемой

Из анализа переходных процессов выбега и самозапуска СД привода турбовоздуходувки (мощностью 1250кВт) на 1с ТП-15 следует, что параметры двигателя долго (до 5 с) не достигают установившихся значений (рис. 3.8). Ток статора СД в первый момент самозапуска возрастает до 6,9 о.е. (рис. 3.8), превышая значения пускового тока из каталожных данных, что вызывает дополнительный износ электрооборудования. Наиболее опасны при этом колебания активной мощности (момента) СД, которые значительно превышают кратность максимального момента двигателя Рсз Pmax (3,95 2,5). Следует отметить, что опрокидывание СД происходит в момент Т=0,31 с, когда угол нагрузки двигателя превышает 180.

На рис. 3.9 и 3.10 приведены осциллограммы изменения напряжений на секциях в относительных единицах ЭТС КОС. В первом случае (Ткз=0,2 с), напряжения секций, связанных с местом КЗ (узел 1 схемы замещения), уменьшаются от значений 0,120,09 о.е. в начальный момент выбега на КЗ до 0 (рис. 3.9). После устранения аварийного режима напряжения в момент восстановления скачком возрастают до (0,85-0,98)Uном. К моменту времени t=0,3с. напряжения на шинах секций РУ и ТП достигают Uном (рис. 3.9).

Во втором случае (при Ткр=0,26 с) напряжения секций, связанных с местом КЗ, уменьшаются от значений 0,11 0,09 о.е. в начальный момент выбега на КЗ до 0 о.е. (рис. 3.11). После устранения аварийного режима напряжения в момент восстановления скачком возрастают до (0,83-0,98) Uном. К моменту времени t=0,38с. напряжения на шинах ряда секций достигают Uном (рис. 3.10). На этапе восстановления электроснабжения за счет изменения режимов работы двигателей и прочей нагрузки наблюдаются колебания напряжения (рис. 3.9 и 3.10).

Итак, критическое время нарушения электроснабжения - при трехфазном КЗ в узле 1 режиме составляет tкр=0,26 с; - а при трехфазном КЗ в узле 4 длительностью 200мс имеет место посадка напряжения глубиной более 30% для секций: КТП от 2сТП-15; КТП от 3сТП-15; КТП от 2сТП-1; КТП от 3сТП-1; КТП от 1сТП-19; КТП от 3сТП-19, что способно привести к оппрокидыванию низковольтных АД.

Режим трехфазного короткого замыкания в сети 10 кВ Выявим влияние провалов напряжения на потребителей секций ТП КОС из-за трехфазных КЗ в сети 10 кВ. Наиболее тяжелыми режимами являются трехфазные КЗ в узлах 7 (в виду большей загрузки секций ТП и близости к потребителям) и 11. Результаты режима выбега на короткое замыкание и последующего восстановления электроснабжения для такого случая приведены ниже.

Из анализа переходных процессов выбега и самозапуска АД4 (привода механизма мощностью 250 кВт) ТП-19 выявлено, что ко времени t=0,8c параметры двигателя достигают установившихся значений. Ток АД в момент восстановления электроснабжения хотя и превышает ток АД в начальный момент выбега на КЗ, но значительно меньше пускового значения Iкз=3,5 Iп=6,5 о.е., т.е. не опасен ни по электрическим, ни по механическим воздействиям на двигатель. Развиваемый АД момент (М=Рад/ад=1,3о.е.), на всех этапах переходного процесса меньше кратности максимального момента (Ммах=2,5 о.е.). При увеличении длительности КЗ до 0,26с. характер переходных процессов меняется и за 1с достигаются установившееся параметры после двух затухающих колебаний тока двигателя (Iсз=3,36 Iп=6,5 о.е.).

Режим выбега на КЗ в сети 10 кВ и для СД не вызывает их ресинхронизацию. Из анализа переходных процессов выбега и самозапуска СД привода турбовоздуходувки (мощностью 1250) на 1с ТП-15 следует, что в первом случае параметры двигателя к 0,8с. достигают установившихся значений (рис. 3.11).

Ток статора СД в первый момент КЗ возрастает до 4,35 о.е. Колебания активной мощности (момента) СД не превышают кратность максимального момента двигателя Рсз Pmax(1,4 2,5). Угол нагрузки СД даже при увеличении длительности КЗ до 0,26с в первый момент самозапуска не превышает 95.

Осциллограммы изменения напряжений на секциях системы электроснабжения КОС (в относительных единицах) приведены на рис. 3.12 и 3.13. 1 2 1,1 1 7 [

Параметры секций при выбеге на трехфазное КЗ (Ткз=0,26 с) в узле 7 и при восстановлении питания После устранения аварийного режима напряжения в момент восстановления скачком возрастают до (0,95-0,99) Uном. К моменту времени t=0,25 с напряжения на шинах секций РУ и ТП достигают значений Uном (рис. 3.12). Во втором случае (при Ткр=0,26с) напряжения секций, связанных с местом КЗ уменьшаются от значений 0,560,43 о.е. в начальный момент выбега на КЗ до 0,38 о.е. (рис. 3.13). После устранения аварийного режима напряжения в момент восстановления скачком возрастают до (0,940,99)Uном. К моменту времени t=0,35 с напряжения на шинах секций становятся равными Uном. Таким образом, режим работы потребителей КОС при КЗ в сетях 10 кВ не приводит к нарушению устойчивости при указанных длительностях КЗ. Режим трехфазного короткого замыкания в сети 6 кВ

Мониторинг качества электроэнергии на шинах ТП-16 Курьяновских очистных сооружений

Проекты повышения надежности электроснабжения потребителей КОС разработаны на основе выполненных расчетно-экспериментальных исследований. Концепция повышения надежности [31,55] технологических процессов при КЗ во внешних и внутренних питающих включает мероприятия мало- и средне-затратные. Все предлагаемые проекты классифицируются как:

1) малозатратные: - включить катушки управления магнитных пускателей и контакторов на фазные напряжения и отрегулировать их так, чтобы они не отключались при U=0,69 в случае однофазных КЗ в сети 110, 220 кВ, которые составляют свыше 70% от общего числа коротких замыканий;

2) среднезатратные: - внедрение быстродействующего АВР на ТП-1, 15, 19, РУ-6кВ, мини ТЭС с целью обеспечения за время 23-65 мс переключение на резервный ввод и сохранения остаточных напряжений на шинах 6 кВ и 380 В свыше 0,9Uном, что обеспечит сохранение непрерывности технологических процессов. Работа АВР типа БАВР 072 будет успешной и при КЗ во внутренних сетях КОС; - внедрение динамических компенсаторов искажений напряжения (ДКИН) напряжением 380

В для питания чувствительных как к провалам напряжения длительностью 10-30мс систем управления, преобразователей напряжения и др. нагрузки. Работа ДКИН будет успешной при провалах напряжения глубиной до 50%. Исследования режимов быстродействующего АВР после трехфазных коротких замыканий в сетях 110 и 6 кВ

Для электротехнического комплекса КОС важно исследовать режимы работы после коротких замыканий в сетях 110 и 6кВ. Поэтому проведены расчетные исследования трехфазных КЗ разной длительности (в зависимости от используемых вакуумных выключателей напряжением 6кВ и времени реакции устройств БАВР) для узлов сети:

Сводные данные расчетных исследований трехфазных КЗ в указанных узлах даны в табл. 4.2. Из выполненных исследований следует: а) при КЗ в сетях 110 кВ переходный процесс для СД и АД завершается к моменту времени Т=0,3 сек. - для tкз=0,065 сек. и Т=0,22 сек. - для tкз=0,040 сек.; б) при КЗ в сетях 6 кВ (узел 17) переходный процесс для СД и АД завершается к моменту времени Т=0,32 сек. -для tкз=0,065 сек. и Т=0,22 сек. - для tкз=0,040 сек.; в) при КЗ в сетях 6 кВ (узел 32) переходный процесс для СД и АД завершается к моменту времени Т=0,35 сек. - для tкз=0,040 сек. и Т=0,55 сек. -для tкз=0,065 сек.; при КЗ в сетях 6 кВ (узел 29) переходный процесс для СД и АД завершается к моменту времени Т=0,45 сек. - для tкз=0,065 сек. и Т=0,42 сек. -для tкз=0,040 сек.

Критические параметры секций и двигателей в начальный момент самозапуска после трехфазных коротких замыканий в сетях

Режим Минимальное напряжение ТП Угол 5 (рад.) нагрузки СД/СГ Ток СД, о.е. Ток АД, о.е. Минимальное Uад, о.е.

Из полученных результатов следует, что при КЗ в узлах 29,32: для узлов 20,21,24,25,26,28 напряжения в начальный момент самозапуска на шинах ТП меньше 0,65Uном (Uу,21=0,582о.е.); для узлов 6,8,9,12,13,15,17,30-34,38 напряжения в начальный момент самозапуска на шинах ТП меньше 0,7Uном (Uу,9=0,663 о.е.), что может привести к отпаданию пускателей и контакторов, вызвать отключения ЧРП и АД. Угол нагрузки СД близок к критическому, растет до 14=1,54 рад. во время самозапуска, потом уменьшается до установившегося значения; угол нагрузки СГ растет до сг=-0,86 рад. во время самозапуска, т.е. СГ мини-станции при этом работают почти в нормальном режиме. При КЗ в узлах 29,32 выполняются критерии срабатывания БАВР, построенных на особом реле мощности [50], для ряда секций ТП-1 и ТП-19. Так, при КЗ в узле 4 (сеть 110кВ) выявлено, что признак направления мощности [50] меняет знак для ряда ТП: f17(ТАВ,ТВС,ТСА)=f17(-4,667,-4,771,-4,667); f18(ТАВ,ТВС,ТСА)=f18(+0,251, +0,251,+0,251); f8(ТАВ,ТВС,ТСА)=f8(-6,964,-6,660,-6,964). При КЗ в узле 32 (сеть 6кВ) выявлено, что признак направления мощности [50] гарантировано работает для ряда ТП: f30(ТАВ , ТВС , ТСА )= f(-0,001, -0-005, -0,001); f31(ТАВ , ТВС , ТСА )= f(+0,278, +0,277, +0,278). Также установлено, что при работе БАВР за 40мс напряжения на шинах секций ТП, РУ и КТП в начальный момент самозапуска будут выше 0,78Uном (было Uу,21=0,664; стало Uу,21=0,8 о.е.).