Введение 3
1. Задачи обеспечения надёжности и устойчивости работы энергосистемы 6
1.1 Структура и объекты энергосистемы 7
1.2 Инженерно-технические мероприятия по повышению надёжности работы
электростанции собственных нужд 13
1.3 Выбор варианта двухстороннего питания потребителей электроэнергии 16
1.4 Оценочный анализ устойчивости работы энергосистемы 17
1.5 Задачи углублённых исследований устойчивости работы энергосистемы 22
1.6 Выбор средств моделирования процессов 23
1.7 Выводы по первой главе 27
2. Формирование модели энергосистемы в среде (ПАК) RTDS 29
2.1 Математические модели элементов в среде ПАК RTDS 36
2.1.1 Математические модели для формирования простых сетей 40
2.1.2 Представление математических моделей основного оборудования 42
2.2 Компоновка и отладка модели энергосистемы в среде ПАК RTDS 56
2.3 Выводы по второй главе 59
3. Исследование устойчивости работы энергосистемы 61
3.1 Моделирование и анализ процессов при больших возмущениях 63
3.2 Методика экспериментально-аналитического исследования колебательной
устойчивости 65
3.2.1 Построение амплитудно-фазовых частотных характеристик (АФЧХ) энергосистемы
как замкнутой системы 67
3.2.2 Приведение АФЧХ к виду разомкнутой системы 70
3.2.3 Определение запасов колебательной устойчивости по Найквисту 72
3.2.4 Вопросы автоматизации исследовательских работ 74
3.3 Моделирование и анализ процессов при малых возмущениях 75
3.4 Выводы о третьей главе 77
Заключение
Проблема и актуальность. На сегодняшний день в нефтегазовой промышленности большое распространение получили автономные электрические станции. Целесообразность их использования заключается в том, что развитие нефтегазотранспортной системы страны опережает развитие магистральных электрических сетей, и зачастую существуют такие места, где подключение к высоковольтным сетям не представляется возможным, ввиду их отсутствия. Единственным вариантом в качестве источника электроснабжения является автономные электростанции.
В качестве автономного электроснабжения компрессорных станций нового поколения, с газотурбинным приводом газоперекачивающих агрегатов, в основном используются газопоршневые электростанции собственных нужд, с единичной мощностью агрегата от 315 кВт до 1.5 МВт.
К недостаткам автономного электроснабжения можно отнести невозможность обеспечить электроснабжение потребителей, при выходе из строя всего генерирующего оборудования, а также частые коммутации генерирующего оборудования.
При параллельной работе нескольких электростанций могут возникать переходные процессы, связанные с нарушением устойчивости работы генераторов, что может привести к потере электроснабжения технологического оборудования и перебоях в поставках газа потребителям. Кроме динамических процессов (короткие замыкания, остановы генераторов, резкие набросы нагрузки и т.д.), которые влияют на устойчивость работы автономной энергосистемы (АЭЭС), существует возможность потери устойчивости «в малом». Нарушение устойчивости «в малом» может быть вызвано процессом самораскачивания роторов генераторов из-за несоответствия настроек АВР всем возможным режимам работы АЭЭС.
Под устойчивостью технической системы понимают свойство системы возвращаться к первоначальному состоянию после прекращения внешнего возмущающего воздействия. Требование устойчивости является одним из основных требований, предъявляемых к технической (в том числе электроэнергетической) системе и определяет, как правило, работоспособность этой системы [1].
Исследования, положившие начало разработке методов расчета статической устойчивости электрических систем были начаты с середины 30х годов. Фундаментальные результаты в этом направлении были получены А.А Горевым, С.А. Лебедевым, П.С. Ждановым [2-4] и другими известными советскими и зарубежными учеными и специалистами [5].
Для анализа устойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС) в настоящее время используются алгебраические и частотные критерии, а также корневой анализ методом D-разбиения. Процесс анализа устойчивости является очень трудоемким и может занять очень много времени, соответственно оперативно изменять необходимые параметры генераторов для повышения устойчивости их работы не представляется возможным [6].
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование параллельной работы генераторов, объединенных в сеть напряжением 0.4 кВ с использованием критерия Найквиста.
Для достижения этой цели были выполнены следующие задачи:
1. Произвести детальный анализ АЭЭС (ГКС) «Сахалин». Выявить причины пониженной надёжности работы АЭЭС КС и возможные пути их преодоления.
2. Обосновать применимость критерия Найквиста для исследования устойчивости «в малом» ЭЭС без выполнения процедуры линеаризации исходных систем дифференциальных уравнений.
3. Выполнить экспериментальные исследования по вопросам устойчивости энергосистемы КС с использованием программно-аппаратного комплекса (ПАК) RTDS.
4. Оценить устойчивость смоделированной автономной энергосистемы по критерию Найквиста, при вводе в эксплуатацию нового энергоблока отечественного производства.
Практическая значимость. Методика оценки устойчивости предоставляет возможность решать следующие практические задачи:
• создание системы реального времени для оценки устойчивости, с использованием критерия Найквиста;
• разработанная и прошедшая анализ устойчивости схема электроснабжения может быть применена на многих автономных энергосистемах компрессорных станций для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей;
• в будущем количество автономных энергосистем компрессорных станций будут только увеличиваться. Проводимые исследования уже на стадии проектирования позволят выявить вышеописанные недостатки и дать рекомендации по изменению схем электроснабжения, режимов работы генерирующего оборудования, настройке АРВ генераторов и возможности установки необходимого дополнительного оборудования для поддержания бесперебойной работы сложного технологического процесса.
В данной работе была рассмотрена автономная система электроснабжения КС с газотурбинным приводом. Целью магистерской диссертационной работы являлось:
- Произвести детальный анализ различных режимов работы АЭЭС КС. Определить причины пониженной надёжности работы (ГКС) «Сахалин» и возможные пути их преодоления;
- Оценка запасов статической и динамической;
- Проведение практических экспериментов с использованием программно-аппаратного комплекса (ПАК) RTDS АЭЭС ГКС «Сахалин» для измененной схемы электроснабжения;
- Разработка методики оценки устойчивости автономных энергосистем газокомпрессорных станций с использованием критерия Найквиста;
Для достижения поставленных целей была рассмотрена и изучена реальная ГКС, ее преимущества и недостатки.
Проведя детальный анализ автономной энергосистемы ГКС «Сахалин» были выявлены основные проблемы аварийных остановов энергоблоков ЭСН. Были составлены инженерно-технические мероприятия по повышению надёжности работы ЭСН, которые позволили повысить запас устойчивости работы автономной энергосистемы.
Для проведения экспериментальной части работы, был выбран специализированный комплекс (Real Time Digital Simulator - RTDS), предназначенный для изучения стационарных режимов и электромагнитных переходных процессов в электроэнергетической системе (ЭС) в реальном масштабе времени.
Для проверки нештатных ситуаций осуществлялось моделирование аварийных режимов работы энергосистемы (короткое замыкание, остановы генераторов, сбросы/набросы нагрузки и т.д.). Кроме этого, моделировалась логика работы систем возбуждения генераторов с учётом возможности подачи входного сигнала, необходимого для построения АФЧХ. Предусматривается также возможность снятия выходного сигнала, связанного с интересующим параметром режима.
В результате выполненных исследований были получены следующие основные результаты:
1. В ходе инженерно-технических решений по повышению надежности работы АЭЭС ГКС был выбран оптимальный вариант двухстороннего питания потребителей электроэнергии. Данное решение помогло значительно снизить частоту появления отказов и нарушений в работе ЭСН;
2. Для проверки соответствия динамических параметров, выполнено моделирования коротких замыканий. В совокупности результаты сравнения модельного и натурного переходных процессов свидетельствуют о достаточно качественном моделировании динамических параметров элементов АЭЭС.
3. По результатам компьютерного моделирования и анализа получено, что режимные частотные характеристики могут быть с удовлетворительной точностью построены по исходным нелинейным математическим моделям ЭЭС и на их основе могут проводиться исследования статической (колебательной) устойчивости ЭЭС по критерию Найквиста.
4. Была разработанная методика оценки устойчивости автономных энергосистем, позволяющая, в перспективе её дальнейшего развития, проводить исследования и в больших энергосистемах, где анализ устойчивости по исходным моделям является большим упрощением этого процесса.
5. Результаты проведенных исследований позволяют своевременно и с достаточной полнотой исследовать вопросы устойчивости работы автономных энергосистем компрессорных станций, проводить настройку регулирующей аппаратуры, систем автоматического регулирования, в частности АРВ СД.
6. Дальнейшие исследования предлагается направить на разработку устройства по подаче и снятию сигналов с генераторов для получения частотных характеристик, а также разработку программного обеспечения для анализа этих характеристик по критерию Найквиста и в режиме реального время мониторинга устойчивости энергосистем.
ПАК RTDS - очень хорошо подходит для выполнения исследований функционирования РЗА, моделирования энергосистем, для исследования и разработки силовых полупроводниковых комплексов, обучения персонала и т.д. Применение программно-аппаратного комплекса RTDS для моделирования режимов работы энергосистем потенциально предоставляет новые возможности по повышению их надежности и устойчивости. Однако в каждом случае необходимо выполнить сложную работу по построению конечной модели конкретной энергосистемы в формате RTDS.
Также хотелось бы отметить, что само по себе наличие специального моделирующего комплекса не может обеспечить гарантированное получение высоких научных результатов. Для получения значимых научных результатов необходима соответствующая квалификация исполнителей.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
