Повышение устойчивости синхронных генераторов в системе внутризаводского электроснабжения с помощью быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы Содержание работы Заключение и основные выводы по диссертации

Подобный материал:

• Задачи обследования компенсации реактивной мощности на предприятии Готман В. И., Маркман, 170.29kb.
• Расширение диапазона регулирования напряжения на выводах генераторов электростанций, 105.13kb.
• 139. Гольдштейн Е. Н., Сулайманов А. О. Развитие работ профессора О. А. Маевского, 989.09kb.
• Оптимизация режимов работы синхронных двигателей в узлах нагрузки систем электроснабжения, 305.03kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование электрических машин переменного тока, 468.58kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование электрических машин переменного тока, 468.15kb.
• Т. И. Алиев Учебно-исследовательская работа И1 Исследование, 295.14kb.
• Радикальное энергетическое совершенствование трансформаторов и электрических машин, 469.12kb.
• Система автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности подстанций, 27.28kb.
• Э. П. Волкову 119991, г. Москва, Ленинский проспект,, 361.23kb.

На правах рукописи


МУРЗИКОВ Антон Александрович


ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМЕ ВНУТРИЗАВОДСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ


Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Магнитогорск – 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Научный руководитель:	кандидат технических наук, доцент ХРАМШИН Тимур Рифхатович
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор РАДИОНОВ Андрей Александрович кандидат технических наук МАКОЛОВ Владимир Николаевич
Ведущая организация:	«Московский энергетический институт (Технический университет)»

Защита состоится ___ марта 2011 г. в ___ часов на заседании диссерта-ционного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государст-венный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челя-бинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ». Автореферат размещен на сайте .ru.


Автореферат разослан ___ февраля 2011 г.


Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.111.04

канд. техн. наук, доцент К.Э. Одинцов


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Крупные металлургические предприятия для обеспечения надёжности системы электроснабжения особо ответственных потребителей в своем составе содержат собственные электростанции с генераторами относительно небольшой мощности 4 - 30 МВт. Они работают на вторичных энергоносителях и являются источниками бесперебойного электроснабжения в аварийных режимах. Наиболее тяжёлыми и опасными режимами являются удалённые трёхфазные короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые глубокими провалами напряжения и заканчивающиеся, как правило, потерей устойчивости и отключением генераторов.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системе внутризаводского электроснабжения, является обеспечение устойчивой работы входящих в неё синхронных генераторов. Исследования в этом направлении являются безусловно актуальными и практически значимыми.

Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) синхронных машин является одним из известных и традиционных способов обеспечения устойчивости работы системы электроснабжения. Российскими учёными накоплен большой теоретический и практический опыт в этом направлении, в частности, за счёт регуляторов сильного действия. Однако ввиду большой постоянной времени обмотки возбуждения и ограниченной кратности форсировки напряжения применение существующих систем АРВ для обеспечения устойчивости генераторов собственных электростанций оказывается недостаточно эффективным.

Бурное развитие силовой и информационной электроники, наблюдаемое в последние десятилетия, привело к появлению нового класса быстродействующих статических компенсирующих устройств (СТАТКОМов) выполненных на базе полностью управляемых полупроводниковых ключей. Их применение позволяет существенно повысить устойчивость и надёжность систем электроснабжения, в том числе и синхронных генераторов.

До настоящего времени не обнаружено исследований совместной работы подобных компенсаторов с генераторами малой мощности в системах внутризаводского электроснабжения, не рассмотрены возможности и резервы СТАТКОМов в качестве устройств, повышающих устойчивость генераторов, отсутствуют достаточно чёткие аргументированные обоснования при выборе силовой части и системы управления компенсаторов в обозначенных режимах, отсутствует технико-экономическая оценка перспектив использования СТАТКОМов на металлургических предприятиях.

Краткое описание объекта исследования. Объектом исследования является подстанции №87 ОАО «ММК». Данная подстанция питает вспомогательные механизмы электросталеплавильного цеха, которые относятся к потребителям особой категории надёжности, поэтому кроме двух вводов дополнительно установлены генераторы мощностью 30 и 12 МВт.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение устойчивости и более полное использование установленной мощности синхронных генераторов системы внутризаводского электроснабжения с помощью быстродействующего компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Выполнить комплексный анализ эффективности использования известных способов повышения устойчивости синхронных генераторов в системах внутризаводского электроснабжения.

2. Обосновать целесообразность использования быстродействующего статического компенсатора для повышения устойчивости и наиболее полного использования установленной мощности собственных генераторов.

3. Разработать математическую модель исследуемого комплекса в составе синхронного генератора с АРВ, статического компенсатора с системой векторного управления.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования способов повышения устойчивости синхронных генераторов, работающих совместно со статическим компенсатором.

5. Выполнить комплексную оценку эффективности использования быстродействующего статического компенсатора в системе внутризаводского электроснабжения с учётом повышения устойчивости работы синхронного генератора и наиболее полного использования его установленной мощности.

Поставленная цель достигается благодаря применению быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности и тормозного резистора, обеспечивающих эффективное демпфирование колебаний ротора синхронного генератора при больших возмущениях.

Методы научных исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического регулирования, электромеханических переходных процессов, методов синтеза регуляторов многосвязанных систем. Решения отдельных задач получены с применением аппарата передаточных функций и математического моделирования в среде Matlab – Simulink. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке и действующем оборудовании путем осциллографирования с использованием пакета Drive ES Starter.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый способ повышения устойчивости синхронных генераторов с помощью быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности.

2. Разработана математическая модель статического компенсатора типа СТАТКОМ, отличающаяся учётом дискретного характера переключения силовых ключей и позволяющая анализировать работу устройства в статических и динамических режимах с учётом высших гармоник.

3. Создана имитационная модель электротехнического комплекса в составе синхронного генератора и статического компенсатора. Отличительные особенности модели заключаются в следующем: механическая часть генератора представлена в виде трехмассовой системы, учитываются регулятор скорости турбины, а также система регулирования возбуждения генератора и векторная система управления компенсатором. Модель позволяет исследовать переходные процессы при коротких замыканиях, резких изменениях нагрузки и колебаниях напряжения сети.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований подтверждена работоспособность и высокая технико-экономическая эффективность предложенного способа повышения устойчивости синхронных генераторов в системе внутризаводского электроснабжения.

Практическая значимость работы:

1. Разработанные способы повышения устойчивости синхронных генераторов рекомендуется использовать для собственных электростанций металлургических предприятий.

2. Определены параметры регуляторов системы управления статическим компенсатором реактивной мощности, обеспечивающие повышение устойчивости узла нагрузки.

3. Дана сравнительная оценка показателей качества электроэнергии при применении известных и предлагаемого способа повышения устойчивости синхронных генераторов.

4. Заложенные принципы повышения устойчивости синхронных генераторов найдут применение при расширении и реконструкции металлургических предприятий.

5. Разработанную математическую модель в составе синхронного генератора и статического компенсатора рекомендуется использовать для углубленного изучения переходных процессов при подготовке специалистов электроэнергетических специальностей.

Материалы диссертационной работы рекомендованы к внедрению в практику проектирования систем электроснабжения строящихся объектов в условиях ОАО «ММК». Разработанные математические модели используются на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. Г.И. Носова при чтении специального курса «Переходные процессы в системах электроснабжения».

Экономический эффект внедрения результатов работы обеспечивает повышение на 10% выработки электроэнергии генераторами собственных электростанций, и составляет в денежном выражении более 40 млн. руб. в год.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается научно-обоснованной постановкой задачи и корректным применением современных методов математического моделирования в управляемых электротехнических системах и подтверждается результатами выполненных расчётов, а также достаточно малым расхождением результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование использования СТАТКОМа в системе внутризаводского электроснабжения как наиболее эффективного средства повышения устойчивости синхронных генераторов.

2. Математическая модель статического компенсатора, представленная в матричной форме, и позволяющая проводить исследования статических и динамических режимов при различных изменениях питающего напряжения (отклонения, колебания, несимметрия).

3. Имитационная модель электротехнического комплекса, состоящего из синхронного генератора с системой АРВ и статического компенсатора с векторной системой управления. Модель позволяет проводить полномасштабные исследования переходных процессов при различных настройках АРВ, с учётом корректирующих перекрестных связей системы управления компенсатором.

4. Результаты экспериментальных исследований синхронного генератора и статического компенсатора, подтверждающие адекватность разработанных математических моделей физическому объекту.

5. Теоретические исследования эффективности управления переходными процессами в системе внутризаводского электроснабжения с применением быстродействующего статического компенсирующего устройства и тормозного резистора.

6. Технико-экономическое обоснование внедрения предлагаемых компенсирующих устройств, позволяющих повысить устойчивость узла нагрузки и обеспечить наиболее полное использование установленной мощности синхронных генераторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 68-ой межрегиональной научно-технической конференции (г. Магнитогорск, 2010 г.); I международной научно-практической конференции «Интехмет – 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); II Международной научно-технической конференции по созданию и внедрению корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации (г. Магнитогорск, 2007 г.), VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электротехники и электротехнических систем энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский ГТУ им. Г.И. Носова» (январь 2011).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных трудах, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК и защищено патентом РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований. Работа изложена на 173 страницах, содержит 108 рисунков, 11 таблиц и 1 приложение.


СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе показана необходимость развития собственной энергетической базы крупных металлургических предприятий. Проведены теоретические исследования динамической устойчивости синхронных генераторов при КЗ. Проанализированы известные способы и устройства, повышающие устойчивость синхронных генераторов. Обоснована целесообразность использования СТАТКОМов для повышения устойчивости и производительности собственных генераторов.

Показано, что наличие собственных источников электроэнергии повышает надёжность электроснабжения при сбоях в энергосистеме, и обеспечивает максимальную утилизацию вторичных энергетических ресурсов, выделяемых на металлургических предприятиях в результате их основной деятельности. Так, на промышленной площадке ОАО “ММК” успешно используют доменный и коксовый газ.

Наиболее тяжёлые последствия в системах внутризаводского электроснабжения вызывают удалённые трёхфазные КЗ, на которые приходится более половины всех аварий на стороне 6-10 кВ. Трёхфазное короткое замыкание в большинстве случаев приводит к значительному ухудшению качества напряжения, вызывает снижение выдаваемой мощности и отключение генератора от параллельной работы.

Активная мощность, поступающая от синхронного генератора в приемную сеть (рис. 1,а), определяется как:

,

где x_рез = x_Г + x_Т + x_Л – результирующее сопротивление генератора, трансформатора ТР и линии Л; δ – угол между вектором ЭДС генератора и вектором напряжения сети; U_c – напряжение сети С; E_Г – ЭДС генератора.

При КЗ в электрической сети (на рис. 1,а показана точка К) вследствие глубокого снижения напряжения происходит внезапное и резкое уменьшение электрической мощности синхронного генератора СГ. В нормальных условиях режим передаваемой мощности определяется точкой 1 на синусоиде I (рис. 1,б) и характеризуется углом δ₀. В момент короткого замыкания происходит сброс электрической мощности и рабочая точка переместится в точку 2 на кривой II.

При возникновении КЗ мощность, развиваемая турбиной Т, остается практически неизменной из-за значительной инерционности. В результате нарушения равновесия между Р_эл и Р_Т возникает избыточная мощность турбины ΔР_Т, под воздействием которой происходит ускорение ротора агрегата

Рис. 1. Схема электропередачи (а) и характеристики Pэл = f(δ) для нормального и аварийного режимов (б)

и увеличение угла δ. За время до отключения КЗ угол δ успевает увеличиться до значения, равного δ1 (рис. 1,б), а ротор – накопить кинетическую энергию, величина которой пропорциональна площадке Sy, называемой площадкой ускорения. В момент отключения КЗ (точка 3) электрическая мощность возрастает и становится больше мощности турбины, на диаграмме рис. 1,б точка 4. С этого момента начинается процесс торможения ротора, который продолжается до тех пор, пока не будет полностью израсходована запасенная ротором кинетическая энергия. Этот процесс характеризуется площадкой Sт, которая называется площадкой

торможения. Если кинетическая энергия ротора будет израсходована при углах δ, при которых Р_эл > Р_Т, т. е. до точки 5 и угла δ₂ на рис. 1,б, то генератор останется в синхронизме и динамическая устойчивость будет сохранена. Условием сохранения динамической устойчивости является S_т > S_y. При невыполнении этого условия генератор выйдет из синхронизма. Для повышения устойчивости необходимо либо увеличить площадь торможения, либо уменьшить площадь ускорения. Уменьшение площади ускорения возможно за счёт увеличения ЭДС генератора, увеличения напряжения во время КЗ и с помощью электрического торможения.

Для поддержания напряжения с требуемой точностью и повышения устойчивости широко используются АРВ. Известны способы регулирования возбуждения за счет введения дополнительных сигналов: производной напряжения генератора dU_Г/dt, изменения частоты сети Δf (изменения скорости ротора Δω), первой производной угла δ dδ/dt, изменения ускоряющей мощности ΔP. Показано, что значительная инерционность контура возбуждения и ограниченный запас по напряжению тиристорного возбудителя не позволяют добиться положительных результатов в существующих системах внутризаводского электроснабжения.

Другим средством повышения устойчивости синхронных генераторов является применение дополнительных устройств: конденсаторных батарей с тиристорными ключами (рис. 2,а), тормозных резисторов (рис. 2,б). Подключение конденсаторной батареи или тормозного резистора происходит при dδ/dt > 0. Для реализации этого алгоритма управления необходимо определять производную угла сдвига ротора синхронного генератора, что связанно с известными трудностями.



Рис. 2. Схемы подключения конденсаторной батареи (а) и тормозного резистора (б)


Способ основанный на подключении конденсаторных батарей малоэффективен при значительных просадках напряжения, так как при этом реактивная мощность конденсаторных батарей уменьшается пропорционально квадрату напряжения (Q_кб ≡ U²).

Электрическое торможение с помощью дополнительных резисторов, подключаемых к шинам электростанций, является достаточно простым способом повышения устойчивости синхронных генераторов. В известных способах электрическое торможение происходит после КЗ, что не достаточно эффективно, так как запас кинетической энергии происходит на выбеге ротора генератора именно в момент короткого замыкания. В работе сделан вывод, что тормозной резистор необходимо подключать непосредственно на шины генератора и в момент возникновения КЗ, что уменьшает выбег ротора и повышается демпфируемость колебаний.

Показано, что дополнительные устройства и технические решения не могут обеспечить достаточной надёжности собственных генераторов при КЗ в системе внутризаводского электроснабжения. В таких условиях быстродействующий статический компенсатор является радикальным средством, позволяющим решить все вышеперечисленные проблемы в комплексе, а именно: повысить устойчивость синхронных генераторов собственных станций; обеспечить приемлемое качество электроэнергии в точке присоединения; повысить выработку активной мощности синхронных генераторов за счёт повышения коэффициента мощности.

Вторая глава посвящена описанию принципа работы и разработке математической модели СТАТКОМа с системой векторного управления.

Статический компенсатор реактивной мощности представляет собой быстродействующий автономный инвертор напряжения с накопительным конденсатором C в звене постоянного тока, присоединенный через трёхфазный реактор L к сети переменного тока (рис. 3,а). Принцип работы рассматриваемого устройства подобен синхронному компенсатору и может быть объяснён с помощью векторных диаграмм, приведенных на рис. 3,б и рис. 3,в. Пусть напряжения U_сети и U_стат имеют одинаковую фазу, индуктивность L идеальна и не имеет активного сопротивления R, а потерями в автономном инверторе пренебрегаем. Если изменять соотношения между величинами напряжений U_сети и U_стат, то автономный инвертор может быть либо потребителем, либо источником реактивной мощности. При U_сети>U_стат (рис. 3,б) ток I_стат отстаёт по фазе от напряжения U_сети, поэтому автономный инвертор потребляет реактивную мощность из сети. При U_{сетистат} (рис. 3,в) ток I_стат опережает по фазе напряжение U_сети, поэтому автономный инвертор отдаёт реактивную мощность в сеть. Перевод автономного инвертора из режима потребления реактивной мощности в режим генерирования осуществляется изменением напряжения U_стат путём широтно-импульсной модуляции. Амплитуда основной гармоники регулируется за счёт изменения длительности импульсов напряжения звена постоянного тока, которое в данном способе поддерживается на заданном уровне.

Разработана трёхфазная математическая модель СТАТКОМа, учитывающая дискретный характер переключения силовых ключей и процессы заряда/разряда конденсатора в звене постоянного тока. Модель представлена в матричной форме и позволяет рассчитывать переходные процессы в компенсаторе, характер которых максимально приближен к реальному физическому объекту. Адекватность разработанной модели подтверждена сопоставлением результатов, полученных на модели, с результатами экспериментальных исследований, выполненных на активном модуле питания Sinamics S120 мощностью 900 кВт.

Методом непрерывной аппроксимации указанная модель была преобразована к виду удобному для дальнейшего анализа и синтеза регуляторов системы векторного управления. Структурная схема непрерывной модели СТАТКОМа в системе координат dq представлена на рис. 4.

В результате анализа систем управления статическим компенсатором была выбрана система векторного управления, функциональная схема которой приведена на рис. 5. Система управления реализована в синхронной ортогональной системе координат dq, ориентированной по вектору напряжения сети, что позволяет раздельно управлять активной i_d и реактивной i_q составляющими вектора входного тока статического компенсатора I. В цепи обратной связи по току предусмотрен преобразователь координат abc → dq вектора сетевых фазных токов, измеряемых датчиками тока ДТ_а и ДТ_b.

Сигналы рассогласований между заданными и фактическими значениями преобразованных токов обрабатываются регуляторами токов РТ и после дополнения сигналами блока компенсации перекрёстных связей БКПС и ограничения БО поступают на входы преобразователя координат dq → abc. В результате обратного преобразования координат формируются управляющие воздействия u_{кa_з}, u_{кb_з} и u_{кc_з} на информационном входе автономного инвертора.



Рис. 3. Принципиальная схема и векторные диаграммы, объясняющие

принцип работы статического компенсатора СТАТКОМ



Рис. 4. Структурная схема непрерывной модели СТАТКОМа


Для компенсации мультипликативного действия управляющих сигналов u_{кa_з}, u_{кb_з} и u_{кc_з} предусмотрена компенсирующая связь по выпрямленному напряжению u_dc, воздействующая на дополнительный вход векторного модулятора. Для управления преобразователями координат и обеспечения требуемой помехозащищенности системы, предусмотрен блок ориентации, выполняющий вычисление параметров напряжения сети U, ω_k, θ_k по результатам измерения мгновенных значений напряжения в фазах сети.

Внутренняя САР активного тока i_d подчинена внешнему контуру регулирования напряжения в звене постоянного тока с регулятором напряжения РН u_dc. Контур регулирования реактивного тока i_q подчинен внешнему контуру регулирования напряжения переменного тока с регулятором РН u_c. Сигналы обратных связей поступают на входы регуляторов напряжения с датчика напряжения на конденсаторе и датчиков напряжения сети, после обработки в блоке ориентации.

Рис. 5. Функциональная схема системы векторного управления СТАТКОМом

Синтез регуляторов тока и напряжения выполнен на основе принципов подчиненного регулирования с учётом внутренних перекрёстных связей объекта регулирования. Оценка влияния этих связей показала, что при достаточном быстродействии контура тока порядка 1500 с^-1, их действием можно пренебречь.

Проведён анализ силовых схем статических компенсаторов большой мощности (более 1 МВА): двухуровневых, трёхуровневых. Установлено, что рациональным схемным решением для компенсатора мощностью 9 МВА является параллельное соединение трёх двухуровневых инверторов мощностью 3 МВА каждый. Для повышения качества напряжения и уменьшения содержания высших гармоник в кривой тока компенсатора предложено использовать сдвижку опорных пилообразных напряжений на 60º.

Третья глава посвящена разработке математической модели электротехнического комплекса, включающего синхронный генератор, паровую турбину, статический компенсатор, нагрузку и сеть бесконечной мощности.

Моделирование синхронного генератора осуществляется по нелинейным дифференциальным уравнениям Парка – Горева. Структурная схема, реализующая эти уравнения в системе координат ротора dq, представлена на рис. 6.

Разработана математическая модель паровой турбины отличительной особенностью которой является представление турбины трёхмассовой системой с системой регулирования скорости. Структурная схема математической модели паротурбинной установки приведена на рис. 7.

Рис. 6. Структурная схема математической модели синхронного генератора


Рис. 7. Структурная схема математической модели паротурбинной установки


Математическая модель статического компенсатора выполнена на основе математического описания, приведенного во второй главе. Вышеописанные модели отдельных элементов рассматриваемого электротехнического комплекса реализованы в виде имитационной модели в среде MATLAB с применением пакета Simulink.

В четвёртой главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований переходных процессов в синхронном генераторе совместно с быстродействующим статическим компенсатором. Оценивалась эффективность применения СТАТКОМа в системе внутризаводского электроснабжения для повышения устойчивости синхронных генераторов. Дано технико-экономическое обоснование внедрения предлагаемого компенсирующего устройства.

Экспериментальные исследования переходных процессов в синхронном генераторе при трёхфазном КЗ проводились на лабораторной установке, представляющей собой физический макет системы электроснабжения. Осциллограммы тока синхронного генератора I_CГ, напряжения U_CГ и частоты вращения n_CГ показаны на рис. 8. Анализ осциллограмм и результатов моделирования позволяет сделать вывод об адекватности модели синхронного генератора.



Рис. 8. Экспериментальные осциллограммы переходных процессов

синхронного генератора при трёхфазном коротком замыкании


Исследование динамики регулирования статического компенсатора производилось на активном модуле питания Sinamics S120. Показано, что статический компенсатор обладает высокой динамикой регулирования реактивного тока, время установления заданного тока не превышает 5-7 мс. При этом напряжение звена постоянного тока поддерживается на заданном уровне с динамической ошибкой около 1%. Экспериментально доказана способность генерирования и потребления реактивного тока статическим компенсатором.

Исследование эффективности применения статического компенсатора СТАТКОМ для повышения устойчивости синхронного генератора было проведено на примере системы электроснабжения подстанции №87 ОАО «ММК» (рис. 9). Статический компенсатор СК через согласующий трансформатор Т3 подключен на напряжение 10 кВ совместно с турбогенератором ТГ-1. Требуемая установленная мощность компенсатора, как показали предварительные расчеты, составляет 9 МВА для синхронного генератора мощностью 30 МВт при cosφ = 0,8. Генератор ТГ-1 снабжён регулятором напряжения, а возбудитель имеет коэффициент форсировки равный 2,5 и постоянную времени 5 мс.

Возмущающим воздействием является удалённое КЗ в точке К на шинах 110 кВ. Как показали исследования устойчивость синхронного генератора без СТАТКОМа нарушается при длительности КЗ более 0,25 с, поэтому в дальнейшем продолжительность короткого замыкания принята 0,3 с.



Рис. 9. Схема электроснабжения подстанции №87 ОАО «ММК» с

подключенным статическим компенсатором к генератору ТГ-1


Результаты моделирования приведены на рис. 10, где указаны: угол δ между ЭДС генератора ТГ-1 и напряжением сети (а); напряжение питающей сети U_с (б); реактивная составляющая тока статического компенсатора I_q (в); активная составляющая тока I_d (г); скорость ротора генератора ω (д); мощность генератора P_СГ (е). На осциллограммах все величины, кроме внутреннего угла, приведены в относительных единицах. За базовые значения приняты: напряжение сети U_c = 10,5 кВ; мощность генератора S_СГ = 37,5 МВА; частота вращения ротора ω_р = 314 1/c; ток статического компенсатора I_СК = 525 А.

Рис. 10. Переходные процессы генератора ТГ-1 при КЗ с АРВ стабилизации

напряжения и статическим компенсатором


Как видно из приведённых осциллограмм, включение статического компенсатора приводит к повышению напряжения и увеличению мощности генератора во время КЗ. Статический компенсатор работает при этом как стабилизатор напряжения питающей сети. В послеаварийном режиме происходит достаточно эффективное торможение ротора, и после двух качаний восстанавливается нормальный режим работы.

Быстрому затуханию качаний ротора после устранения короткого замыкания способствует электрическое торможение синхронного генератора. Реализация такого режима осуществляется за счет ключа и тормозного резистора на стороне постоянного тока статического компенсатора. Для этого в системе управления на входе регулятора активного тока формируют корректирующий сигнал, пропорциональный ускоряющей мощности.

В момент возникновения короткого замыкания появляется дополнительная составляющая в задании активного тока, в результате чего статический компенсатор начинает потреблять из сети активную мощность, которая рассеивается на тормозном резисторе.

Для исследования эффективности применения статического компенсатора с тормозным резистором было проведено математическое моделирование. При этом ограничение активного и реактивного тока СТАТКОМа выбиралось, исходя из максимально допустимой мощности компенсатора.

Результаты моделирования приведены на рис. 11 и в таблице, где указаны основные показатели качества переходных процессов. Оценивались остаточное напряжение при КЗ U_ост, максимальная скорость ротора ω_max, максимальный угол между ЭДС генератора ТГ-1 и напряжением сети δ_max, время переходного процесса t_пп.

Наличие тормозного резистора позволяет достаточно эффективно демпфировать колебания ротора синхронного генератора. Наибольший эффект даёт применение электрического торможения во время короткого замыкания, так как при этом уменьшается запас кинетической энергии при выбеге ротора генератора.

Рис. 11. Переходные процессы генератора cо статическим компенсатором, осуществляющим электрическое торможение во время КЗ


Таблица

Показатели качества переходных процессов

Номер осциллограммы	Показатели качества переходных процессов
	Uост, о.е.	ωmax, о.е.	δmax, град.	tпп, с
Рис. 10	0,47	1,033	160	0,8
Рис. 11	0,41	1,026	121	0,7

Как отмечалось ранее, в нормальном режиме статический компенсатор генерирует реактивный ток, разгружая генератор от реактивной мощности, что позволяет при том же токе статора увеличить выработку активной мощности и работать с cosφ = 0,92-0,96. Ожидаемый технико-экономический эффект за счёт повышения выработки электрической энергии составляет около 40 млн. руб./год. Срок окупаемости предложенных мероприятий около одного года.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. В работе проведён анализ использования известных способов повышения устойчивости синхронных генераторов. Показана их недостаточная эффективность при современных условиях интенсификации производства и увеличения единичных мощностей агрегатов.

2. Доказана техническая целесообразность и экономическая эффективность использования быстродействующего статического компенсатора для повышения устойчивости и наиболее полного использования установленной мощности синхронных генераторов системы внутризаводского электроснабжения.

3. Разработана математическая модель для углубленного анализа переходных процессов сложного электротехнического комплекса, состоящего из синхронного генератора с АРВ и статического компенсатора с системой векторного управления.

4. Обосновано применение векторной системы управления статическим компенсатором реактивной мощности. Определены параметры регуляторов, обеспечивающие повышение устойчивости узла нагрузки. Выполнена оценка влияния компенсации перекрёстных связей на качество переходных процессов при типовых возмущениях.

5. Исследован способ улучшения гармонического состава тока, потребляемого из сети, за счет выбора угла сдвига опорных напряжений силовых модулей, входящих в состав компенсатора реактивной мощности.

6. Экономический эффект от внедрения результатов работы определяется снижением аварийных последствий при работе синхронного генератора и увеличением производства электроэнергии. Срок окупаемости от внедрения быстродействующего статического компенсатора составляет менее одного года.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований переданы для внедрения в Центральную электротехническую лабораторию ОАО «ММК».

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях по списку ВАК:

1. Способ повышения устойчивости генератора в системе электроснабжения крупного промышленного предприятия / А.А. Мурзиков, Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 4. С. 121-125.

2. Исследование частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в лабораторных условиях / А.А. Мурзиков, Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов и др. // Известия ТулГУ. Технические науки. Вып. 3: в 5 ч. Изд-во ТулГУ, 2010. Ч. 3. С. 196-202.

3. Современные способы компенсации реактивной мощности мощных металлургических приводов / А.А. Мурзиков, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2009. №1. С. 28-31.

В прочих изданиях:

4. Перспективы внедрения статкомов для мощных тиристорных преобразователей прокатных станов / А.А. Мурзиков, Т.Р. Храмшин, Г.П. Корнилов и др. // Первая международная научно-практическая конференция «Интехмет – 2008». / СПб, 2008. С. 162-165.

5. Адаптация преобразователя Simoreg для возбуждения мощных синхронных двигателей / А.А. Мурзиков, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Электротехнические системы и комплексы.: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 14 / Магнитогорск ГОУ ВПО “МГТУ”, 2007. С. 108-113.

6. Исследование компенсирующей способности синхронных двигателей с учетом питающей сети / А.А. Мурзиков, Ю.П. Журавлёв, Е.А. Семёнов и др. // Электротехнические системы и комплексы.: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 14 / Магнитогорск ГОУ ВПО “МГТУ”, 2007. С. 192-197.

7. Быстродействующая система автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя в функции активной составляющей тока статора / А.А. Мурзиков, Ю.П. Журавлёв, Е.А. Семёнов и др. // Электротехнические системы и комплексы.: Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 14 / Магнитогорск ГОУ ВПО “МГТУ”, 2007. С. 243-2477.

8. Модель управления реактивной мощностью в системах электроснабжения с вентильными преобразователями прокатных станов / А.А. Мурзиков, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. // Вторая международная научно-технической конференция по созданию и внедрению корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации – 2007.

9. Мурзиков А.А., Корнилов Г.П., Храмшин Т.Р. Повышение устойчивости синхронных генераторов в системе электроснабжения крупных промышленных предприятий // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования: материалы 68-й межрегиональной научно-технической конференции. Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2010. Т.2. С. 70-73.

10. Патент РФ на полезную модель. RU 84646 U1. H02P 9/14. Устройство автоматического регулирования возбуждения синхронного двигателя прокатного стана / А.А. Мурзиков, Г.П. Корнилов, Т.Р. Храмшин и др. Опубликован в БИПМ, 2009. №19.

Личный вклад автора: Все основные положения диссертации разработаны автором лично. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей [1, 8, 9], расчётная часть [3, 4, 6, 10] и обработка результатов исследования [2, 5, 7].