ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ

На правах рукописи

ВОЛОШКИН Михаил Михайлович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И СНИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИАЛЬНО РАССРЕДОТОЧЕННЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПРЕДПРИЯТИЙ ПО ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2006

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова

(техническом университете)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Б.Н. Абрамович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Н.И. Зеленохат

кандидат технических наук Д.М. Тарасов

Ведущее предприятие: НПП «ЭЛМАШ»

Защита состоится ___ _________ 2006 года в __ час __ мин. на заседании Диссертационного совета Д 212.224.07 в Санкт-Петербургском государственном горном институте (техническом университете) им. Г.В. Плеханова по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21 линия, д. 2, ауд. №_____.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова (технического университета).

Автореферат разослан “___” ______ 2006 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

д.т.н., профессор С.Л. ИВАНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Существующая концепция регулирования напряжения в сетях горных предприятий базируется на групповом регулировании напряжения на шинах главной понизительной подстанции (ГПП), управлении потоками реактивной мощности и в отдельных случаях изменении сопротивления системы. Наиболее экономически рациональным методом группового регулирования напряжения на шинах главной понизительной подстанции является метод управления напряжением при помощи устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) путем автоматического изменения коэффициента трансформации при отклонении уровня напряжения от рационального на шинах ГПП.

В виду того, что в условиях промышленных предприятий изменение конфигурации сети электроснабжения, состава и мощности электроприемников происходит в течение всего времени их работы и носит вероятностный характер, возникает проблема с корректным выбором лини энергоснабжения, по которой будет вестись управление коэффициентом трансформации силовых трансформаторов под нагрузкой.

Наличие нелинейной нагрузки, силового электронного оборудования, ведет к росту искажений в линиях переменного тока, снижению значения коэффициента мощности, потере электроэнергии, снижению срока службы электрооборудования и может стать причиной отказа аппаратуры управления, в то же время доля данного оборудования в общем числе электроприемников постоянно растет. Несинусоидальное напряжение может стать причиной погрешности измерения величины напряжения, в соответствии с которой будет вестись регулирование блоком автоматического регулирования (БАР) РПН, что не позволяет корректно осуществить приближение фактического режима напряжения к рациональному.

Исходя из всего выше сказанного, существует необходимость в адаптации существующих микропроцессорных систем управления БАР устройством РПН удовлетворяющей требованиям современных предприятий нефте, газо и горнодобывающей промышленности.

Целью работы является повышение качества электрической энергии и снижение уровня ее потребления на электроустановках предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Идея работы заключается в снижении уровня потребления и повышение качества электрической энергии путем группового регулирования коэффициента трансформации силовых трансформаторов и степени компенсации искажений кривых тока и напряжения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• выявить зависимость изменения потерь активной и реактивной мощности в электротехническом комплексе от изменения уровня напряжения, параметров и конфигурации радиально-магистральных линий, вариации нагрузки и регулирующих эффектов по напряжению;
• дать прогнозную оценку снижения срока службы основного электрооборудования в электрических сетях промышленных предприятий в зависимости от параметров источников высших гармонических;
• разработать структуру и алгоритм выбора параметров технических средств, позволяющих без потерь технологических и функциональных возможностей ограничить влияние высших гармонических в узлах нагрузки электрических сетей и обеспечить групповое регулирование режима напряжения;
• разработать метод выбора определяющего присоединения и выбора уставок по напряжению на шинах ГПП;
• разработать алгоритм группового регулирования коэффициента трансформации силовых трансформаторов позволяющий посредством FUZZY технологии поддерживать рациональный уровень напряжения на присоединениях, питающих электроустановки электротехнического комплекса предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Защищаемы научные положения:

1. Выявленные зависимости изменения потерь активной и реактивной мощности в электротехническом комплексе от изменения уровня напряжения, параметров и конфигурации радиально–магистральных линий, вариации нагрузки и регулирующих эффектов по напряжению позволяют без потерь технологических и функциональных возможностей электрооборудования обосновать структуру системы электроснабжения, в которой осуществляется групповое регулирование режима напряжения при компенсации высших гармонических в узлах нагрузки электрических сетей.

2. Алгоритм группового регулирования коэффициента трансформации силовых трансформаторов, позволяющий посредством FUZZY технологии поддерживать рациональный уровень напряжения на присоединениях, питающих электроустановки электротехнического комплекса предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием методов теории электрических цепей, теории автоматического управления, численных методов решения уравнений, математического и физического моделирования, методов теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов, теории нечетких множеств.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• установлены зависимости изменения потерь активной и реактивной мощности системы электроснабжения (СЭС) с источниками высших гармонических напряжения от регулирующих эффектов нагрузки по напряжению, параметров и конфигурации радиально-магистральных линий, вариации нагрузки, и долевого участия линейной и нелинейной нагрузки;
• выявлены закономерности, позволяющие установить фактический вклад каждого объекта с искажающими электроприемниками в уровень несинусоидальности в точке общего присоединения;
• разработана структура и алгоритм выбора параметров технических средств, позволяющих без потерь технологических и функциональных возможностей электроснабжения, ограничить влияние высших гармонических в узлах нагрузки электрических сетей и обеспечить работу системы группового регулирования режима напряжения.
• обоснована возможность группового регулирования режима напряжения в центре питания на основании данных об электропотреблении и параметрах определяющего присоединения в структуре системы электроснабжения с ограниченным влиянием высших гармонических.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, разработанных в диссертации, подтверждается достаточным объемом экспериментальных исследований и удовлетворительной сходимостью аналитических и опытных данных.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

• разработана методика выбора определяющего присоединения, по параметрам которого производится коррекция уровня напряжения на шинах главной понизительной подстанции (ГПП) при групповом регулировании режима напряжения;
• разработан комплекс технических средств, позволяющий осуществлять автоматический выбор определяющего присоединения и управление коэффициентом трансформации силового трансформатора в центре питания, который обеспечивает рациональный режим напряжения в электротехническом комплексе горных и нефтегазодобывающих предприятий;
• разработан алгоритм группового регулирования коэффициента трансформации силовых трансформаторов и степени компенсации искажений кривых тока и напряжения, позволяющий поддерживать рациональный уровень напряжения на присоединениях, питающих электроустановки электротехнического комплекса предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения установок группового регулирования в ООО “ЮНГ-Энергонефть”составил 480 720 руб.

Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на научно-технической конференции «Человек Севера в XXI веке», Воркута, 2001 г.; конференциях молодых ученых «Полезные ископаемые России и их освоение» в 2001-2004 гг. в СПГГИ (ТУ); седьмой международной конференции «Новые идеи в науках о земле», 2005 г., Москва; шестой, седьмой и восьмой Санкт-Петербургских ассамблеях молодых ученых и специалистов, Политехнических симпозиумах «Молодые ученые промышленности Северо-западного региона», 2002-2004 гг., Санкт-Петербург.

Личный вклад автора. Поставлены задачи исследований, разработана методология их решения, обоснована возможность определения рационального уровня напряжения при групповом регулировании в центре питания с использованием данных о параметрах и электропотреблении определяющего присоединения, разработаны алгоритм и структура комплекса технических средств позволяющих производить автоматический выбор определяющего присоединения при минимизации потерь электроэнергии при групповом регулировании режима напряжения, разработана структура электромеханического комплекса, включающего технические средства повышения эффективности и надежности работы системы энергоснабжения.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 9 работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 152 страницах. Содержит 54 рисунка, 9 таблиц, список литературы из 94 наименований.

Во введении дается общая характеристика диссертационной работы, обосновывается ее актуальность.

В первой главе приведена характеристика рассматриваемой научно-технической проблемы снижения электропотребления и повышения качества электрической энергии, сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе определены регулирующие эффекты по напряжению для активной и реактивной мощности в узлах нагрузки с источниками высших гармонических.

В третьей главе представлена структура и параметры группового регулирования напряжения в которой ограничено влияние высших гармонических. Приведена методика выбора верхней и нижней уставок срабатывания устройств РПН трансформаторов ГПП по условию экономической эффективности работы электроприемников.

В четвертой главе предложен алгоритм группового регулирования коэффициента трансформации силовых трансформаторов и его реализация в коммерческой систем контроля и учета электроэнергии. Рассмотрен способ адаптации существующих микропроцессорных систем управления блоком автоматического регулирования устройством РПН, удовлетворяющий требованиям современных предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИЯХ

1. Выявленные зависимости изменения потерь активной и реактивной мощности в электротехническом комплексе от изменения уровня напряжения, параметров и конфигурации радиально–магистральных линий, вариации нагрузки и регулирующих эффектов по напряжению позволяют без потерь технологических, функциональных возможностей и надежности электрооборудования обосновать структуру системы электроснабжения, в которой осуществляется групповое регулирование режима напряжения при компенсации высших гармонических в узлах нагрузки электрических сетей.

Потери активной и реактивной мощности в узле нагрузки в относительных единицах (о.е) определяются из выражений:

Рi узл.=(Рi п.АД(1-i)Ai+)+(Рi п.СД(1-i)Ai +)+…;

Qi узл=Qi пол.АД(1-i)Bi+Qi пол.СД(1-i) Bi +…,

где =Ai ;=Bi;

а0i, а1i, а2i и b0i, b1i, b2i - коэффициенты, отображающие зависимость активной и реактивной мощности от напряжения в i-том узле;

i - коэффициент полезного действия i-того электроприемника;

и - дополнительные потери активной мощности в асинхронном и синхронном двигателе, обусловленные несинусоидальностью напряжения и тока;

Рi п., Qi п. - полезная активная и реактивная мощности, потребляемые i-м электроприемником.

За базис при определении изменения потерь активной и реактивной мощности в зависимости от уровня напряжения приняты соответственно потери активной и реактивной мощности при номинальном напряжении (UН=1).

С учетом представленных зависимостей РСЭС, Рузл., QСЭС, Qузл. целевая функция при групповом регулировании режима напряжения в ЦП имеет вид:

=

=,

где Uk1, Uk2, Uk3 и Uk4 – модули векторных составляющих характеризующих потери в i-м участке линии при вариации подключенной в ее узлах нагрузки; ; i – угол нагрузки i-го участка СЭС; КQ - коэффициент приведения потерь реактивной мощности к потерям активной мощности; q - число радиально-магистральных линий; s – число участков линии; B(t)–вектор булевых переменных, характеризующих состояние коммутационной аппаратуры, определяющей схему подключения энергообъектов; R(t)–вектор, характеризующий распределение нагрузки вдоль питающей линии; L(t)-вектор параметров питающих линий; P(U)(t)-вектор регулирующих эффектов потерь активной мощности узлов нагрузки; Q(U)(t)-вектор регулирующих эффектов реактивной мощности узлов нагрузки.

Экономически рациональным методом группового регулирования напряжения на шинах главной понизительной подстанции является управление напряжением при помощи устройства регулирования напряжения под нагрузкой, путем автоматического изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов.

Однако, как показали исследования систем управления блоков автоматического регулирований различных производителей, устройства РПН весьма критичны к наличию искажений в кривой тока и напряжения. Так несинусоидальное напряжение может стать причиной погрешности измерения напряжения превышающей требуемую согласно паспорту устройства БАР РПН, что не позволит корректно осуществить приближение фактического режима напряжения к экономически рациональному.

Ежегодный экономический ущерб от искажения формы кривой напряжения складывается из ущерба, обусловленного снижением срока службы электрооборудования, ущерба, обусловленного дополнительными потерями активной мощности и ущерба, обусловленного дополнительными затратами на мероприятия по усовершенствованию системы электроснабжения.

Наиболее уязвимыми с точки зрения снижения срока службы являются асинхронные двигатели (АД), силовые трансформаторы (СТ) и конденсаторные установки (КУ). В часы минимума нагрузки действующее значение напряжения на шинах электроподстанций может достигать 1,1- 1,12 от номинального, что также приводит к значительному сокращению срока службы электрооборудования и дополнительным потерям электроэнергии.

Кратность снижения срока службы изоляции АД:

,

где ; - действующее значение -ой гармоники.

Кратность снижения срока службы изоляции СМ:

см=exp(780ксмК)

где ксм – коэффициент, учитывающий дополнительные потери активной мощности, обусловленные несинусоидальностью напряжения.

Кратность снижения срока службы КУ определяются из выражения:

,

где b – параметр, характеризующий вид изоляции

В зависимости от эффективности и экономического обоснования может быть применена различная структура технических решений и их сочетание, позволяющие без потерь функциональных возможностей основного оборудования обеспечить синусоидальную форму кривой тока и напряжения в узлах нагрузки электрических сетей предприятий по добыче и переработке полезных ископаемых.

Для обоснования данной структуры необходимо установить фактический вклад (ФВ) каждого объекта с искажающими электроприемниками в уровень несинусоидальности в точке общего присоединения (ТОП).

ФВ в ТОП каждого электроприемника характеризуется модулем вектора напряжения n-ой гармоники или модулем вектора напряжения обратной последовательности, создаваемого искажающими электроприемниками (ЭП).

Для выявления объектов с искажающими ЭП, оказывающими влияние на несинусоидальность напряжения в ТОП следует:

1) Вычислить значение a как отношение разрешенной мощности объекта Sразр к наименьшей мощности короткого замыкания Sкз.нм в ТОП (в процентах):

a = (Sразр/Sкз.нм)100

Допустимые значение отношения aдоп для ТОП в электрических сетях:

– 6 кВ и выше – aдоп не более 0,3 %;

– 0,22/0,38 кВ – aдоп не более 0,2 %.

Если а адоп, то рассматриваемый объект относят к группе объектов с ЭП, не оказывающими влияние на несинусоидальность напряжения в ТОП.

Если а > адоп, то на основе состава нагрузок объекта необходимо определить суммарную установленную мощность искажающих ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой Sиск.

2) Вычислить значение a1 как отношение суммарной установленной мощности искажающих ЭП объекта к наименьшей мощности короткого замыкания в ТОП (в процентах):

a1 = (Sиск /Sкз.нм)100