Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения

На правах рукописи

БОЧКАРЕВА Ирина Ивановна

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫХ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА С ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:	доктор технических наук Степанов Сергей Федорович
Официальные оппоненты:	Шилин Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный технический университет», заведующий кафедрой «Электротехника»
	Вокин Игорь Александрович, кандидат технических наук, филиал ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» в г. Сызрани, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»
Ведущая организация:	ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М.Губкина», г. Москва

Защита состоится 28 июня 2012 г. в 15:30 на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 1, ауд. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Автореферат разослан «_____» мая 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Охлаждение газа после компримирования на компрессорных станциях (КС) магистральных газопроводов (МГ) является энергоемким процессом. На газотурбинных КС МГ установки охлаждения газа (УОГ) расходуют электроэнергию в размере 60–70 % от общего электропотребления КС на товарно-транспортную работу.

Эффективным средством повышения эффективности УОГ является частотное регулирование производительности вентиляторов в зависимости от технологических параметров транспорта газа и климатических условий. Установки с таким принципом регулирования температуры охлаждаемого газа, называемые далее частотно-регулируемыми УОГ, обладают меньшим расходом электроэнергии, в процессе их эксплуатации исключен трудоемкий процесс сезонной регулировки угла атаки лопастей, устранены токовые и механические перегрузки при пуске электродвигателей.

Однако опыт создания и опытно-промышленной эксплуатации частотно-регулируемых УОГ показал необходимость решения задач по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) таких установок с источниками электроснабжения. Частотно-регулируемые УОГ являются источниками кондуктивных помех в виде высших гармоник тока, поэтому работа даже одной такой установки приводит к искажению формы кривой напряжения в системе электроснабжения (СЭС). Проблема усугубляется при электроснабжении газотурбинных КС МГ от источников ограниченной мощности, доля которых в выработке электроэнергии возрастает.

В настоящее время на объектах магистрального транспорта газа активно реализуется программа внедрения УОГ нового поколения. В этих условиях актуальными являются исследования, направленные на обеспечение ЭМС частотно-регулируемых УОГ с источниками электроснабжения с целью обеспечения заданного качества электрической энергии в СЭС газотурбинных КС МГ.

Работа выполнялась в соответствии с научным направлением 06В «Научные основы создания высокоэффективных, энергосберегающих систем по производству, транспортировке, преобразованию, распределению и потреблению электроэнергии», входящим в перечень основных научных направлений СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Объект исследования – электротехнический комплекс частотно-регулируемой УОГ.

Предмет исследования – влияние частотно-регулируемых УОГ на источники электроснабжения газотурбинной КС МГ.

Цель работы – обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых УОГ с различными типами источников электроснабжения газотурбинной КС МГ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Разработка математической модели для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения различного типа.

2. Проведение с помощью математической модели вычислительных экспериментов, позволяющих сделать прогноз о качестве электроэнергии в системе электроснабжения газотурбинной КС МГ для различных типов источников питания при оснащении группы компрессорных цехов частотно-регулируемыми УОГ.

3. Анализ способов и технических средств снижения уровня высших гармонических составляющих в кривой напряжения на стороне 6 (10) кВ при оснащении группы компрессорных цехов частотно-регулируемыми УОГ и выработка предложений по построению схемы подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, обеспечивающей заданное качество электроэнергии.

4. Исследование с помощью математической модели влияния частотно-регулируемых УОГ на источники электроснабжения и оценка качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при подключении электроприводов вентиляторов в соответствии с выработанными предложениями.

Методы и средства исследований. Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В работе использованы основные положения теоретических основ электротехники, электрических машин, силовой электроники и электропривода, методы современного компьютерного моделирования MATLAB с пакетом расширения Simulink. Для проведения экспериментальных исследований использовались современные приборы для визуального контроля и записи электрических величин.

Достоверность полученных в работе результатов обеспечивается корректным применением положений теоретических основ электротехники, электрических машин и электропривода, апробированных методов компьютерного моделирования, а также использованием аттестованных средств измерения при проведении экспериментальных исследований в СЭС действующих объектов.

На защиту выносятся:

1. Компьютерные математические модели для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения газотурбинной КС МГ.

2. Результаты исследования, позволяющие сделать прогноз о качестве электроэнергии в СЭС газотурбинной КС для различных типов источников питания при оснащении частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ группы компрессорных цехов.

3. Рекомендации по построению схем подключения частотно-регулируемых электроприводов УОГ, обеспечивающие заданное качество электроэнергии в СЭС газотурбинной КС для различных типов источников питания.

Научная новизна работы.

1. Предложен подход к построению математической модели частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ как нагрузки источника электроснабжения, позволяющий упростить процедуру вычислительных экспериментов для расчета показателей качества электроэнергии (ПКЭ) при совместной работе группы УОГ.

2. С помощью математической модели определены условия нарушения ЭМС частотно-регулируемых УОГ с источниками электроснабжения различного типа.

3. Предложена и теоретически обоснована схема подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, позволяющая снизить уровень высших гармоник в кривой потребляемого тока.

Практическая ценность работы.

1. Разработан комплекс программ для анализа ПКЭ в СЭС газотурбинных КС МГ с частотно-регулируемыми УОГ.

2. Получены данные для прогноза ПКЭ в СЭС газотурбинных КС МГ при внедрении определенного количества частотно-регулируемых УОГ.

3. Предложены рекомендации по построению схем подключения частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ, обеспечивающих заданное качество электроэнергии в СЭС газотурбинных КС МГ, без значительных капиталовложений, за счет использования типового оборудования.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы реализованы:

- Многоотраслевым производственным предприятием «Энерготехника» (г. Саратов) при разработке и проектировании комплектно-трансформаторных подстанций для электроснабжения частотно-регулируемых УОГ по заказу предприятия ООО «Газпром трансгаз Югорск»;

- при выполнении работ по хоздоговору № 261 «Разработка схемных решений по подключению вентильного генератора от 100 до 500 кВт с безредукторным приводом от вала отбора мощности газоперекачивающего агрегата к системе электроснабжения, компрессорного цеха (компрессорной станции)» в разделе обеспечения ЭМС вентильного генератора с электрооборудованием компрессорного цеха;

- в госбюджетной научно-исследовательской работе СГТУ-18 «Оптимизация структуры, параметров и режимов распределенных систем электроснабжения на основе традиционных и возобновляемых источников энергии, эксплуатируемых в сложных климатических условиях» в разделе обеспечения заданного качества электроэнергии в системах электроснабжения с преобразователями частоты;

- в учебном процессе кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. при чтении лекций по дисциплине «Электромагнитная совместимость в электроэнергетике» для студентов, обучающихся по специальности 140211.65 «Электроснабжение».

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на IV Международной конференции «Методы и средства управления технологическими процессами» (Саранск, 2007), VIII Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2008» (Саратов, 2008), VI Международной научно-технической конференции «Ефективнiсть та якiсть електропостачання промислових пiдприємств» (Мариуполь, 2008), II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы энергетики АПК» (Саратов, 2011), на Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (Камышин 2006 - 2011), Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 работ, в том числе 3 работы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 140 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 120 страниц, в том числе 50 иллюстраций.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена актуальность темы диссертационной работы, определены ее научная новизна и практическая ценность, представлены основные результаты исследования, показаны реализация и апробация работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводятся основные сведения о магистральном транспорте газа, рассматриваются особенности электроснабжения газотурбинных КС МГ. В соответствии с СТО Газпром 2-6.2-149-2007 эти объекты являются электроприемниками I категории, поэтому они должны иметь возможность получать электроэнергию от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. В качестве них применяются:

• ЛЭП напряжением 35–110 кВ энергоснабжающей организации (ЭСО) с последующей трансформацией электроэнергии на напряжение 6 (10) кВ;

• электростанции собственных нужд (ЭСН) с газотурбинными или дизельными агрегатами;

• генераторы на валу отбора мощности газоперекачивающих агрегатов.

Электроснабжение потребителей газотурбинных КС МГ на напряжении 0,4 кВ осуществляется от комплектных трансформаторных подстанций (КТП), которые согласно СТО Газпром 2-6.2-149-2007 имеют по два понизительных трансформатора. Количество КТП на КС МГ определяется, как правило, количеством компрессорных цехов. Широко распространен вариант построения СЭС, когда каждый цех имеет две подстанции. Нагрузкой одной из КТП является электрооборудование группы газоперекачивающих агрегатов и другие электроприемники производственно-эксплуатационного блока цеха, другой – электродвигатели для привода вентиляторов УОГ суммарной мощностью до 1 МВт.

В условиях оснащения УОГ частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов каждая из КТП УОГ становится потребителем несинусоидального тока, величина которого и спектральный состав зависят от параметров элементов СЭС, преобразователей и режима работы электроприводов. Потребление несинусоидального тока от источника электроснабжения приводит к тому, что на последовательных элементах СЭС возникают падения напряжения несинусоидальной формы. Вследствие этого напряжение в СЭС также приобретает несинусоидальную форму.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных на КС-20 Комсомольского ЛПУ МГ ООО «Газпром трансгаз Югорск», показали, что при оснащении только одной УОГ частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов возможен выход ПКЭ за нормально допустимые значения. Частично, для уровня 0.4 кВ, эта проблема решается установкой сетевых дросселей на входе преобразователей частоты (ПЧ). Однако в условиях увеличения количества частотно-регулируемых УОГ качество электроэнергии на шинах 6 (10) кВ перестает соответствовать действующим нормативам. Таким образом, возникает необходимость теоретической проработки вопроса о прогнозе качества электроэнергии при оснащении частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ группы компрессорных цехов. В случае получения отрицательного прогноза должна быть решена задача по обеспечению ЭМС частотно-регулируемых УОГ с источниками электроснабжения газотурбинной КС МГ.

Во второй главе излагается подход к построению математической модели частотно-регулируемой УОГ как нагрузки источника электроснабжения.

Расчетная схема для одной секции шин КТП, осуществляющей электроснабжение частотно-регулируемой УОГ, представлена на рис. 1. Предполагается, что к секции шин 0,4 кВ подключено N единиц электроприводов вентиляторов с ПЧ, выполненными по схеме диодный выпрямитель – сглаживающий фильтр – инвертор напряжения на IGBT-модулях.

Рис. 1. Расчетная схема одной секции КТП для электроснабжения УОГ

с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов

Каждый из N электроприводов можно представить схемой замещения, которая показана на рис. 2. На этой схеме: – соответственно индуктивность и активное сопротивление сетевого дросселя, который может быть установлен на входе k-го ПЧ для обеспечения норм ЭМС; , – соответственно емкость, индуктивность и активное сопротивление сглаживающего дросселя на выходе выпрямителя; – эквивалентное входное сопротивление инвертора k-го ПЧ.

Рис. 2. Расчетная схема частотно-регулируемого электропривода вентилятора

как нагрузки источника электроснабжения

Инвертор, входящий в состав k-го ПЧ для управления электродвигателем, в схеме на рис. 2 представлен входным сопротивлением . Правомерность такого подхода обусловлена тем, что в рассматриваемом случае целью моделирования электропривода является анализ влияния канонических гармоник в спектре тока, потребляемого ПЧ, на качество электроэнергии на шинах питания. Спектр гармоник, вызванных коммутациями IGBT-модулей, смещен в высокочастотную область. Для его анализа необходима иная модель, учитывающая, в частности, паразитные индуктивности и емкости элементов.

На основе баланса активных мощностей получена формула для расчета величины эквивалентного сопротивления

, (1)

где – напряжение питания инвертора k-го ПЧ; – мощность, потребляемая от выпрямителя k-го ПЧ в номинальном режиме работы электропривода; – номинальное и текущее значения частоты напряжения на выходе k-го ПЧ.

При этом

, (2)

где – соответственно номинальные величины напора и расхода k-го вентилятора; – соответственно КПД преобразователя, электродвигателя и вентилятора.

Математическая модель для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения построена в среде MATLAB с пакетом расширения Simulink. Схема модели для случая, когда к источнику электроснабжения подключены секции шин трех КТП частотно-регулируемых УОГ, показана на рис. 3.

Рис. 3. Схема модели для исследования качества электроэнергии

в СЭС КС с частотно-регулируемыми УОГ

Образующие модель блоки разделены на две группы. В одну из них входят блоки, которые моделируют силовые элементы (на схеме они оттенены для удобства восприятия), в другую – блоки, выполняющие сервисные функции. Отметим отдельно субсистемы CTS1 – CTS3, каждая из которых моделирует одну секцию КТП частотно-регулируемой УОГ (рис. 4). В состав субсистемы входят: блок Three-Phase Transformer, моделирующий трансформатор КТП, и выпрямитель Rectifier, к выходу которого через дроссель LD подключен блок RC-Load, моделирующий инвертор в виде эквивалентного сопротивления и конденсатор фильтра по схеме замещения на рис. 2.

Рис. 4. Схема субсистемы CTS