ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИ ВЫХОДЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ С НАГРУЗКОЙ НА РАЗДЕЛЬНУЮ С ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ РАБОТУ И ПОСЛЕДУЮЩЕЙ РЕСИНХРОНИЗАЦИЕЙ

Развитие промышленных объектов распределенной генерации в наши дни неизбежно приводит к усложнению систем электроснабжения промышленных предприятий и в аварийных ситуациях, таких как короткое замыкание на шинах с энергосистемой или снижение частоты, не исключает выхода собственной электростанции и нагрузки на раздельную с энергосистемой работу.

Через определенное время, например время несинхронного автоматического повторного включения, электростанция вновь подключается к энергосистеме и восстанавливается нормальная параллельная работа. В таких ситуациях с  целью  анализа возможного аварийного исхода необходимо  прогнозирование длительных электромеханических переходных процессов, протекающих в машинах переменного тока, вышедших на раздельную с энергосистемой работу. Существует большое количество работ, посвященных исследованию электромеханических переходных процессов в машинах переменного тока [5]. Работы [1], [3], [4] посвящены исследованию режимам выхода электростанции с нагрузкой на раздельную с энергосистемой работу, а работы [7], [12], [14] выходу узла на раздельную с энергосистемой работу в результате трехфазного короткого замыкания и последующей ресинхронизации.

Анализ упомянутых переходных режимов не возможен без составления соответствующих математических моделей элементов сети, алгоритма расчета переходного электромеханического режима выхода на раздельную работу и соответствующего программного обеспечения.

С целью расчета таких режимов на кафедре ЭПП Магнитогорского государственного технического университета создано программное обеспечение КАТРАН 9.0, позволяющее исследовать упомянутые режимы.

Как упоминалось ранее, выход на раздельную работу промышленной электростанции происходит с нагрузкой, преимущественно двигательной. Существенную часть выделенной для подобных режимов нагрузки составляют собственные нужды, в состав которых входят синхронные и асинхронные двигатели преимущественно с вентиляторным моментом сопротивления на валу. Особенности работы таких двигателей с учетом надежности изложены в трудах [9], [13], [15]. Причем мощность синхронных двигателей в таких условиях может быть весьма существенна и соизмерима с мощностью промышленных генераторов. Поэтому одной их задач для выполнения расчетов электромеханических переходных режимов является математическое моделирование синхронных двигателей.

В качестве метода расчета переходных электромеханических процессов был выбран метод последовательных интервалов в сочетании с модифицированным методом последовательного эквивалентирования для расчета промежуточных установившихся режимов. Применение такого сочетания методов позволяет исследовать результирующую устойчивость машин переменного тока с учетом действия автоматических систем регулирования и действия релейной защиты и автоматики в симметричных и не симметричных режимах [2]. [10].

В разработанном алгоритме математическое моделирование синхронных двигателей велось с учетом паспортных данных двигателя, действия автоматического регулирования возбуждения, момента сопротивления на валу [6], [8]. В расчет каждого промежуточного режима двигатель вводится сверхпереходной (переходной) ЭДС за сверхпереходным (переходным) индуктивным сопротивлением. При расчете исходного режима для синхронного двигателя определяются исходные сверхпереходные (переходные) ЭДС и угол ротора δ. В ходе расчета переходного электромеханического процесса эти величины корректируются: угол ротора изменяется в соответствии с полученным на каждом шаге расчета небалансов мощностей, а сверх переходная ЭДС – в соответствии с изменением тока обмотки возбуждения в результате действия регуляторов возбуждения и током обмотки статора, определяемом на каждом шаге расчета из полученного потокораспределения мощностей.

Исследования режимов проводились на примере промышленной электростанции, система электроснабжения которой приведена на Рисунке 1.

Синхронные двигатели в исследуемой схеме электроснабжения приводят насосы и подключены к секции 1. Система электроснабжения такова, что в ней содержатся 2 генератора, каждый из которых способен покрыть всю нагрузку собственных нужд. Это также позволяет мощность каждого из трансформаторов связи. Выход на раздельную работу исследовался при отключении выключателя Q1 и отключенном секционном выключателе QB10.

При отделении узла от энергосистемы и последующей ресинхронизации для анализа устойчивости синхронных двигателей необходимо оценивать собственные углы относительно вектора напряжения энергосистемы, а также взаимные углы двигателей относительно генераторов вышедших на раздельную работу. На Рисунке 2 показано изменение собственного угла ротора синхронного двигателя М2 (Рисунок 1) после выхода электростанции на раздельную работу и последующей ресинхронизации через 2,5 с. Как видим, относительно шин неизменного напряжения устойчивость сохраняется.

На Рисунке 3 показано изменение во времени взаимного угла ротора двигателя относительно вектора ЭДС синхронного генератора G1. Очевидно, после одного проворота при раздельной работе устойчивость восстанавливается.

Таким образом, разработанный программный комплекс КАТРАН 9.0 позволяет исследовать режимы выхода электростанции на раздельную работу с последующей ресинхронизацией, подробно анализировать результирующую устойчивость синхронных двигателей в исследуемом режиме и при необходимости разрабатывать мероприятия по повышению устойчивости промышленной двигательной нагрузки в режимах выхода на раздельную работу.

Разработанное программное обеспечение может быть использовано в качестве советчика диспетчера оперативно-диспетчерским персоналом электростанций, а также для анализа аварийных режимов электротехническими лабораториями крупных промышленных предприятий, имеющих собственные источники генерации электрической энергии.

Список литературы

1.     Буланова, О.В. Исследование сходимости метода расчета установившихся режимов систем электроснабжения при работе раздельно с энергосистемой/ О.В. Буланова, В.А. Игуменщев, А.В. Малафеев, Ю.Н. Ротанова // Электротехнические системы и комплексы. – 2005. – № 10. – С. 129.

2.     Буланова, О.В. Определение асинхронной мощности синхронных генераторов в расчетах электромеханических переходных процессов при несимметричных режимах  [Текст] / Буланова, О.В., Малафеев А.В., Николаев Н.А., Ротанова Ю.Н., Панова, Е.А. // Электрика. – 2010. – № 8. – С. 24-26.

3.     Буланова, О.В. Управление режимами промышленных электростанций при выходе на раздельную работу/ О.В. Буланова: дис. на соиск. ст. канд. техн.наук: 05.09.03. // МГТУ – Магнитогорск: 2007. – 175 с.

4.     Газизова, О.В. Исследование эффективности работы делительной автоматики в системе электроснабжения промышленного предприятия черной металлургии [Текст] / Газизова О.В., Малафеев А.В., Тарасов В.М., Извольский М.А. // Промышленная энергетика. – 2012. – № 10. – С. 12-17.

5.     Жданов, П.С. Вопросы устойчивости энергетических систем / П.С. Жданов; под ред. Л.А. Жукова. – М.: Энергия, 1979. – 456 с.

6.     Заславец, Б.И. Представление машин переменного тока в расчетах динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями /Б.И. Заславец, В.А. Игуменщев, А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова. //Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2008. – №1 (111). – С. 3-8.

7.     Заславец, Б.И. Анализ переходных процессов в системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями в режимах выхода на раздельную работу после короткого замыкания [Текст] / Заславец Б.И., Игуменщев В.А., Николаев Н.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н. // Изв. вузов Электромеханика. – 2009. – №1. – С. 60 - 65.

8.     Игуменщев, В.А. Расчет динамических характеристик синхронных и асинхронных двигателей промышленных предприятий с целью анализа устойчивости систем электроснабжения [Текст] / Игуменщев В.А., Малафеев А.В., Буланова О.В., Ротанова Ю.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. – 2006. – № 2. – С. 71-75.

9.     Карандаев, А.С. Анализ надежности оборудования тепловой электростанции при внедрении преобразователей частоты [Текст] / Карандаев А.С., Корнилов Г.П., Карандаева О.И., Ротанова Ю.Н., Ровнейко В.В., Галлямов Р.Р. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2009. – № 34 (167). – С. 16-22.

10. Малафеев, А.В. Анализ режимов несимметричных коротких замыканий в сложных системах электроснабжения с собственными электростанциями [Текст] / Малафеев А.В., Буланова О.В., Панова Е.А., Григорьева М.В. // Промышленная энергетика. – 2010. – № 3. – С. 26-31.

11. Малафеев, А.В. Влияние высоковольтных двигателей собственных нужд на надежность системы электроснабжения собственных нужд ТЭЦ ОАО «ММК»  [Текст] / Малафеев А.В., Карандаева О.И., Ротанова Ю.Н., Буланова О.В. // Электротехнические системы и комплексы. – 2009. – № 17. – С. 96-104.

12. Малафеев, А.В. Исследование динамической устойчивости систем электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями при отделении от энергосистемы в результате короткого замыкания [Текст] / А.В. Малафеев, О.В. Буланова, Ю.Н. Ротанова // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника. – 2008.– № 17 (117). – С. 72-74.

13. Одинцов, К.Э. Методика прогнозирования остаточного ресурса электрооборудования при эксплуатации [Текст] / Одинцов К.Э., Ротанова Ю.Н., Карандаева О.И., Мостовой С.Е., Шиляев П.В. // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. – 2010. – № 3-1. – С. 192-198.

14. Ротанова, Ю.Н. Повышение устойчивости системы электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями при коротких замыканиях / Ю.Н. Ротанова: дис. на соиск. ст. канд. техн.наук: 05.09.03. // МГТУ – Магнитогорск: 2008. – 174 с.

15. Храмшин, В.Р. Анализ интенсивности отказов частотно-регулируемых электроприводов районных тепловых станций при нарушениях электроснабжения [Текст] / Храмшин В.Р., Одинцов К.Э., Губайдуллин А.Р., Карандаева О.И., Кондрашова Ю.Н. // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Энергетика. – 2014. – Т. 14. № 2. – С. 68-79.