Повышение устойчивости системы электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями при коротких замыканиях

Актуальность проблемы. Быстрые темпы развития собственной электроэнергетической базы крупных промышленных предприятий вызывают серьезное усложнение установившихся и переходных эксплуатационных режимов и существенно расширяют круг задач, решаемых при управлении ими. Важным условием надежной работы собственных источников электроэнергии является устойчивость синхронных генераторов при параллельной и раздельной работе с энергосистемой. Задача обеспечения устойчивости при этом возлагается на диспетчерский персонал энергохозяйства предприятия.

Наиболее распространенным видом аварийных режимов, вызывающих нарушение устойчивости, следует считать короткие замыкания, которые в условиях промышленной системы электроснабжения (СЭС) могут сопровождаться выходом участка сети с местной электростанцией на раздельную работу с энергосистемой. Это может приводить к нарушению устойчивости и остановке электростанций и производственных цехов, что может повлечь за собой значительный материальный ущерб. С целью его предотвращения диспетчерскому персоналу необходимо прогнозировать переходные режимы, вызванные аварийными ситуациями.

Для выполнения такого анализа требуется соответствующее математическое и программное обеспечение. Программное обеспечение, используемое на сегодняшний день, ориентировано на особенности районных энергосистем и в условиях промышленного предприятия не позволяет учесть отдельные крупные электроприемники, задавать комплексную нагрузку с характерным составом электроприемников, выполнять расчеты режимов при отсутствии связи с энергосистемой.

В связи с этим появляется необходимость разработки алгоритмов и программного обеспечения, предназначенного для анализа устойчивости при больших возмущениях режима в системах электроснабжения с собственными электростанциями, позволяющего учесть влияние отдельных электроприемников, динамических характеристик комплексной нагрузки и возможность отделения от энергосистемы.

Степень научной разработанности проблемы.

Вопросы динамической устойчивости были рассмотрены В. А. Вениковым, М. М. Ботвинником, П. С. Ждановым, А. Н. Цовьяновым, В. В. Ежковым, А.А. Го-ревым, П. С. Мануссоном.

Несмотря на широкий спектр работ, в них не рассмотрены вопросы динамической устойчивости при трехфазных коротких замыканиях с последующим выходом местных электростанций на раздельную работу и учетом динамических характеристик для основных технологических групп электроприемников в условиях промышленных предприятий.

Целью работы является повышение эффективности управления режимами систем электроснабжения промышленных предприятий (СЭСПП), имеющих собственные источники электроэнергии, за счет прогнозирования переходных режимов и оценки динамической устойчивости при трехфазных коротких замыканиях (ТКЗ).

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать математические модели генераторов собственных электростанций и их систем регулирования, учитывающие реакцию технологического оборудования на быстрое изменение параметров режима, с целью анализа динамической устойчивости при коротких замыканиях.

2. Создать методику расчета динамических характеристик отдельных электроприемников и комплексной нагрузки промышленного предприятия.

3. Разработать алгоритм расчета переходных режимов и анализа динамической устойчивости при ТКЗ, учитывающий возможность выхода на раздельную работу в результате их отключения с последующей ресинхронизацией.

4. Получить расчетным путем динамические характеристики по напряжению отдельных электроприемников основных цехов промышленного предприятия.

5. Разработать алгоритм оценки динамической устойчивости при работе автоматики предотвращения асинхронного режима.

6. Осуществить программную реализацию разработанных алгоритмов.

7. Провести анализ режимов ТКЗ в условиях системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ОАО «ММК») при помощи разработанной программы, выявить условия сохранения динамической устойчивости и наиболее важные факторы, влияющие на устойчивость.

8. Разработать мероприятия по повышению динамической устойчивости для условий системы электроснабжения ОАО «ММК».

Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирования, методов математической статистики. Исследования проводились с помощью оригинального программного обеспечения.

Достоверность и обоснованность научных результатов выводов и рекомендаций подтверждается:

1. Соответствием результатов вычислительного эксперимента экспериментальным данным и сведениям об аварийных отключениях.

2. Корректным использованием методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов, а также апробированных математических программных пакетов обработки экспериментальных данных.

3. Использованием реальных технических характеристик оборудования.

Научная новизна.

1. Для прогнозирования аварийных и послеаварийных режимов разработан новый алгоритм расчета переходных режимов при коротких замыканиях в системе электроснабжения с собственными электростанциями, сопровождающихся выходом на раздельную работу с возможностью восстановления синхронной работы с энергосистемой. Алгоритм предусматривает учет динамических характеристик электроприемников и характеристики систем регулирования скорости паровых турбин местных электростанций, а также действие противоаварийной автоматики.

2. Предложен алгоритм расчета переходных режимов короткого замыкания в автономно работающей системе электроснабжения с собственными источниками электроэнергии, позволяющий учесть характеристики систем регулирования скорости паровых турбин местных электростанций.

3. Создана методика расчета начальных значений токов короткого замыкания и остаточных напряжений в системе электроснабжения как при параллельной, так и при раздельной работе с энергосистемой с учетом динамических характеристик комплексной нагрузки предприятия и его подразделений и параметров предшествующего режима.

4. Разработана усовершенствованная методика расчета динамических характеристик отдельных электроприемников по напряжению, предназначенная для анализа аварийных режимов в условиях системы электроснабжения промышленного предприятия, позволяющая учесть глубокие снижения напряжения при ТКЗ и быстрое восстановление напряжения при их отключении.

5. Предложена методика получения характеристик изменения комплексной нагрузки (ХИКН) при больших возмущениях режима с учетом состава электроприемников, позволяющая учесть выбег и самозапуск двигателей.

Практическая значимость результатов работы.

1. Созданный программный комплекс позволяет осуществить анализ динамической устойчивости в вероятных аварийных ситуациях при планировании нормальных и ремонтных эксплуатационных схем в электрических сетях крупных промышленных предприятий с собственными электростанциями.

2. Программный комплекс дает возможность оценивать быстродействие устройств релейной защиты и автоматики по критерию сохранения динамической устойчивости при трехфазных коротких замыканиях.

3. Применение программ расчета позволяет выполнить проверку релейных защит по чувствительности в режимах раздельной работы системы электроснабжения с местными источниками электроэнергии.

4. Разработанный программный комплекс может быть использован оперативно-диспетчерским персоналом в качестве советчика диспетчера для обеспечения правильности принимаемых решений. Реализация результатов работы.

1. Разработано программное обеспечение расчета установившихся и переходных режимов короткого замыкания с учетом возможного выхода на раздельную работу, официально зарегистрированное в Федеральной службе по патентам и товарным знакам РФ, которое используется для прогнозирования аварийных режимов с оценкой динамической устойчивости и эффективности действия релейной защиты и противоаварийной автоматики в распределительных сетях ОАО «ММК».

2. Разработана программа и опробована в центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) ОАО «ММК», на диспетчерских пунктах теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и центральной электростанции (ЦЭС). Разработаны и внедрены мероприятия по реализации результатов работы, дающие возможность повысить надежность и устойчивость работы двигателей собственных нужд и турбогенераторов ТЭЦ и ЦЭС, что позволит уменьшить недоотпуск электроэнергии в сети ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект от внедрения программного комплекса на ТЭЦ составляет 1204,9 тыс. руб./год, на ЦЭС- 1051,9 тыс. руб./год.

3. Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 140 211 «Электроснабжение».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм расчета и анализа переходных режимов при коротких замыканиях, позволяющий проанализировать процессы при аварийном отделении от энергосистемы и восстановлении параллельной работы.

2. Алгоритм расчета и анализа переходных режимов при коротких замыканиях в автономно работающей системе электроснабжения с учетом действия автоматических устройств.

3. Методика расчета и анализа начальных значений токов короткого замыкания и остаточных напряжений при параллельной и раздельной работе с энергосистемой с учетом динамических характеристик электроприемников и ХИКН при больших возмущениях.

4. Методика расчета динамических характеристик индивидуальных электроприемников.

5. Методика получения ХИКН при больших возмущениях с учетом состава нагрузки.

Апробация работы.

Основные положения, выносимые на защиту диссертации и основные аспекты глав обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах по итогам научно-исследовательских работ за 2003;2008 гг.(г. Магнитогорск), Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов 2006;2007 г. «Энергетики и металлурги — настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, 2006;2007 г.), Международных научно-технических конференциях молодых специалистов (г. Магнитогорск, ОАО «ММК», 20 062 007 г.), 5-й Международной конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 (Санкт-Петербург, 2007 г.), Второй ежегодной международной научно-технической конференции «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, 2007 г.), научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий Магнитогорского государственного технического университета (МГТУ) им. Г. И. Носова.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 — в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, библиографического списка из 121 наименований и 13 приложений. Объем работы составляет 144 страниц, включая наличие 29 рисунков и 14 таблиц.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ:

Анализ проведенных исследований позволил сделать следующие выводы:

1. Получены уравнения комплексных динамических характеристик нагрузки основных производственных цехов при ТКЗ.

Неучет динамических характеристик в ходе расчета переходного режима приводит к заниженным величинам тока, что является приемлемым для проверки электрооборудования и оценки защит по чувствительности. Однако при анализе устойчивости отклонение угла при оценке влияния высоковольтной и низковольтной нагрузки может достигать 10%, а отклонение амплитуды качаний — 9% по амплитуде (см. рис 4 а, б), что снижает достоверность результатов.

2. По критериям динамической устойчивости рекомендован вариант кольцевой сети, поделенной на два параллельных кольца путем отключения шиносоединительных выключателей на всех РУ-110 кВ. В случае возникновения коротких замыканий на электростанциях предельные времена отключения короткого замыкания составят для ТЭЦ-0,6 с, для ЦЭС-0,4 с (см. табл.5.3−5.4), при возникновении на РУ-110 кВ на подстанциях связи: ПС 90-более 1 с, ПС 77−0,9 с, на ПС 60−0,7 с (см. П4), что превышает время срабатывания резервных релейных защит.

3. Наибольший уровень остаточных напряжений наблюдается в варианте деления кольцевой сети на узлы ЦЭС-ПС 30-ПС 96, ПС 90-ПС 63, ПС 77-ТЭЦ, ПС 60 (см. ПЗ), связанные только по напряжению 220 кВ, остаточные напряжения в которых при ТКЗ на шинах 110 кВ подстанций связи составляют 40- 60% от номинального напряжения, в зависимости от расположения точки короткого замыкания.

4. Наименьшего уровня токов короткого замыкания можно достичь за счет деления сети на узлы, особенно для электростанций, значения токов ТКЗ для которых достигают на ТЭЦ-11,1 кА, на ЦЭС-13,14 кА (см. табл.5.5−5.6). Одной из мер снижения токов короткого замыкания рекомендуется деление схемы электроснабжения не на два полукольца по существующей конфигурации, а на отдельные узлы ЦЭС-ПС 30-ПС 96, ПС 90-ПС 63, ПС 77-ТЭЦ, ПС 60, связанные только по напряжению 220 кВ.

5. Произведена оценка эффективности противоаварийной автоматики (см. рис. 5.10), реагирующей на количество проворотов, на примере ТЭЦ при коротком замыкании на РУ-110 кВ при tOTKJl=0,4 с. Отказ противоаварийной автоматики, реагирующей на количество проворотов, при совершении генераторами количества проворотов более 5 приведет к раскачиванию других генераторов и нарушению устойчивости системы электроснабжения в целом.

6. При выходе станций на раздельную работу после короткого замыкания наблюдается увеличение частоты на ТЭЦ (до 50,023 Гц) и на ЦЭС (до 50,305 Гц) (см. табл.5.12 и П6) вследствие сброса нагрузки, что приводит к уменьшению момента сопротивления на генераторах и последующему их ускорению. При выходе на раздельную работу ЦЭС-ПВЭС за счет отключения Т1 и Т2 или ТЗ и Т4 предельное время отключения сокращается до 0,1 с в связи с малой электрической удаленностью генераторов от точки короткого замыкания.

7. При выходе на раздельную работу и последующем восстановлении параллельной работы определяющими факторами являются предельное время отключения короткого замыкания и угол включения. Наиболее эффективным, как показывает расчет, является включение выпавших генераторов на параллельную работу при прохождении угла генератора через ноль (см. рис. 5.17). При раздельной работе узла ТЭЦ и узла ЦЭС-ПВЭС граничным значением времени отключения короткого замыкания является время 0,5 с, что соответствует времени срабатывания максимальной токовой защиты (см. табл.5.13).

8. В случае, когда время восстановления параллельной работы превышает 5 с, при работе АПВ напряжение может достигнуть такого низкого уровня (20 кВ), при котором сработает защита минимального напряжения на двигателях неответственных механизмов.

9. При оценке надежности работы системы электроснабжения наиболее важным фактором является устойчивость генераторов, поскольку проблема роста токов короткого замыкания может быть ликвидирована заменой оборудования. Использованный на ОАО «ММК» способ стационарного деления сети СЭС на ряду со снижением токов короткого замыкания приводит к снижению надежности и существенному снижению динамической устойчивости, которую невозможно повысить путем использования технических средств.

Рассмотренные в диссертационной работе теоретические исследования и практические расчеты, направленные на повышение эффективности управления режимами СЭСПП, имеющих собственные источники электроэнергии, за счет прогнозирования переходных режимов и оценки динамической устойчивости при коротких замыканиях, позволяют сформулировать следующие результаты:

1. Разработаны математические модели генераторов собственных электростанций, учитывающие реакцию технологического оборудования на быстрое изменение параметров режима и математические модели регуляторов скорости турбин и регуляторов возбуждения генераторов и синхронных двигателей с целью анализа динамической устойчивости при ТКЗ и выходах на раздельную работу.

2. Для расчета переходных режимов ТКЗ разработана методика получения динамических характеристик отдельных электроприемников, на основании которой создана методика определения ХИКН, необходимых при отсутствии подробной информации о составе нагрузки.

3. С целью прогнозирования диспетчерским персоналом вероятных последствий аварийных ситуаций разработан алгоритм расчета переходных режимов и анализа динамической устойчивости при коротком замыкании, учитывающий возможность выхода на раздельную работу в результате его отключения с последующей ресинхронизацией и ТКЗ в выделенной сети. Алгоритм позволяет учесть работу автоматики предотвращения асинхронного хода.

5. Разработана методика определения начальных значений токов ТКЗ и остаточных напряжений при параллельной и автономной работе.

6. При помощи разработанной программы с целью апробации разработанных алгоритмов и методик проведен анализ режимов ТКЗ в условиях СЭС ОАО «ММК», определена область сохранения динамической устойчивости и произведена оценка наиболее важных факторов, влияющих на динамическую устойчивость для узла ТЭЦ ОАО «ММК» и ЦЭС ОАО «ММК». Ожидаемый экономический эффект для ТЭЦ составляет 1204,9 тыс. руб./год, для ЦЭС 1051,9 тыс. руб./шд.

7. Разработана и отлажена программа для ЭВМ «Расчет и оптимизация установившихся и переходных эксплуатационных режимов параллельной и раздельной работы с энергосистемой, режимов короткого замыкания и режимов замыкания на землю с оценкой влияния на электрооборудование в системах электроснабжения промышленных предприятий». Программа опробована и внедрена в центральной электротехнической лаборатории и диспетчерском пункте ТЭЦ ОАО «ММК» и ЦЭС ОАО «ММК». Получено свидетельство № 2 008 610 773 от 14.02.2008 об официальной регистрации.