Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Бочкарева, Ирина Ивановна

• Бочкарева, Ирина Ивановна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бочкарева, Ирина Ивановна

Список основных сокращений.

Введение.

Глава 1 Состояние вопроса в области электромагнитной совместимости электротехнических комплексов газотурбинных компрессорных станций.

1.1 Основные сведения о магистральном транспорте газа.

1.2 Электроснабжение и электрооборудование газотурбинных компрессорных станций.

1.3 Проблема качества электроэнергии в СЭС газотурбинных КС МГ при оснащении установок охлаждения газа частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов.

1.4. Постановка задач исследования.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Влияние частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ на источники электроснабжения.

2.1 Подход к построению математической модели частотно-регулируемого электропривода вентиляторов как нагрузки источника электроснабжения.

2.2 Математическая модель для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ одного компрессорного цеха на источники электроснабжения.

2.2.1 Выбор среды моделирования.

2.2.2 Модель в среде Ма1:1аЬ+81тиПпк для исследования качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при оснащении частотно-регулируемым электроприводом одной УОГ.

2.3 Влияние частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ одного компрессорного цеха на источники электроснабжения

2.4 Влияние частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ группы компрессорных цехов на источники электроснабжения

Выводы по главе 2.

Глава 3 Способы и технические средства снижения уровня высших гармоник в СЭС газотурбинной КС МГ при оснащении частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов УОГ группы компрессорных цехов. ^

3.1 Снижение уровня высших гармоник на стороне 0,4 кВ.

3.2 Схемы подключения электроприводов с объединенным звеном постоянного тока.

3.3 Снижение уровня высших гармоник на стороне 6(10) кВ.

Выводы по главе

Глава 4 Исследование качества электрической энергии в СЭС газотурбинной КС МГ при использовании схемы подключения частотно-регулируемых электроприводов с разделением секций шин КТП.

4.1 Математическая модель для исследования качества электроэнергии в СЭС КС МГ при разделении секций шин КТП.

4.2 Исследование с помощью математической модели качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при разделении секций шин КТП частотно-регулируемой УОГ.

4.3 Необходимость установки фильтров на гармонические составляющие с номерами 11 и

4.4 Несимметричные режимы работы подсекций КТП частотно-регулируемой УОГ.

4.5 Учет зубцовых гармоник при электроснабжении газотурбинной КС МГ от электростанции собственных нужд.

Выводы по главе 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение электромагнитной совместимости частотно-регулируемых установок охлаждения газа с источниками электроснабжения»

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 [15].

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 [119].

Однако опыт создания и опытно-промышленной эксплуатации частотно-регулируемых УОГ показал необходимость решения задач по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС) таких установок с источниками электроснабжения [16]. 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 [14].

В настоящее время на объектах магистрального транспорта газа активно реализуется программа внедрения УОГ нового поколения [99]. 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 МАТЬАВ с пакетом расширения 8шшПпк. 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 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 «Ефективність та якість електропостачання промислових підприємств» (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, библиографического списка из 140 наименований, а также приложений. Общий объем составляет 120 страниц, в том числе 50 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Бочкарева, Ирина Ивановна

Выводы по главе 1

1. В настоящее время происходит активный процесс оснащения УОГ частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов

2. Частотно-регулируемый электропривод вентиляторов УОГ строится на основе ПЧ с промежуточным звеном постоянного тока, поэтому из-за входного выпрямителя является источником ВГ.

3. В условиях электроснабжения газотурбинных КС МГ от автономных источников применение частотно-регулируемого электропривода вентиляторов даже на одной УОГ приводит к заметному ухудшению качества электроэнергии в СЭС на стороне 6(10) кВ

4. Дальнейшее оснащение газотурбинных КС МГ УОГ с частотно-регулируемым электроприводом вентиляторов требует решения комплекса задач по обеспечению качества электроэнергии в СЭС.

Глава 2

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Бочкарева, Ирина Ивановна, 2012 год

1.1 Подход к построению математической модели частотно-регулируемого электропривода вентиляторов как нагрузки источника электроснабжения

2. Рис. 2.1. Расчетная схема одной секции КТП частотно-регулируемой УОГ

3. Рис. 2.2. Расчетная схема частотно-регулируемого электропривода вентилятора как нагрузки источника электроснабжения

4. Величину эквивалентного сопротивления Яик определим на основе баланса активных мощностей. В резисторе ЯИк схемы замещения рис. 2.2 рассеивается активная мощность2Л)1. И кгде им напряжение питания инвертора к-го ПЧ.

5. От выпрямителя к-го ПЧ отбирается активная мощностьном к О-ноч к1 р ¿к ном ( к \1. Ыном /" ^ ПЧ ном1. V ) V )2.2)1. Лпчк -Л эл дв к 'Пвент кгде Нном к, <2Н0М к соответственно номинальные величины напора и расхода к-го вентилятора;

6. Пт к'Лэлдвк' 1вент к ~ соответственно КПД преобразователя, электродвигателя и вентилятора;пч ном >/пчк~ номинальное и текущее значение частоты напряжения на выходе ПЧ, которым соответствуют значения частоты вращения вентилятора (Оном >®к ■

7. В формуле (2.2) также введено обозначение Н • О

8. Рак ном ---^^^--мощность, потребляемая от выпрямителя к1. Лпчк -1 эл дв к Л вент кго ПЧ в номинальном режиме работы электропривода.

9. Объединяя выражения (2.1) и (2.2), получим формулу для расчета эквивалентного сопротивления инвертора к-го ПЧ1. R 2 ( г \31. J пч номр fdk ном V J пчк )2.3)

10. Отметим, что входящая в формулу (2.3) величина напряжения Udk зависит от напряжения на шине питания ЭТК, а также от тока I dk выпрямителя, который, в свою очередь, является функцией сопротивления ЯИк.

11. Математическая модель для исследования влияния частотно-регулируемого электропривода вентиляторов УОГ одного компрессорного цеха на источники электроснабжения22.1 Выбор среды моделирования

12. Настройка процесса моделирования заключается в выборе решателя дифференциальных уравнений и расчете максимального шага дискретизации и времени моделирования с учетом минимальной и максимальной частот анализируемых сигналов.

13. Схема модели для исследования качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при оснащении частотно-регулируемым электроприводом одной УОГ показана на рис. 2.3.

14. УЯ07 УР08 УРРЭ УРРЮ УР011 \ZFD12

15. Рис. 2.3. Схема модели для исследования качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при оснащении частотно-регулируемым электроприводом одной установки охлаждения газа

16. Образующие модель блоки могут быть разделены на две группы.

17. Рис. 2.4. Схема субсистемы VFD (Variable Frequency Drive)

18. Результаты вычислений отображаются на виртуальных дисплеях (блоки Display)

19. Product? Qsplay7 Products CWpiay19

20. Рис. 2.5. Блок Subsystem Analysis

21. Для решения дифференциальных уравнений модели по схеме рис. 2.3 выбран многошаговый метод переменного порядка оёе15з (БйГ17Ж)Р). Относительная погрешность интегрирования задана величиной 10"3.

22. Рис. 2.6. Схема модели для исследования качества электроэнергии в СЭС газотурбинной КС МГ при оснащении частотно-регулируемымэлектроприводом одной установки охлаждения газа (все электроприводы идентичные и работают в одинаковом режиме)

23. Влияние частотно-регулируемых электроприводов вентиляторов УОГ одного компрессорного цеха на источники электроснабжения

24. Входной ток преобразователей, А

25. Рис.2.7. Виртуальные осциллограммы напряжения и входного тока ПЧ.

26. По оси абсцисс время в миллисекундах

27. ПП пи 200 00 3HIJUU 150 00 Ли пи 100 00 1UU 0U 50 000 Ш > О 00 mV 10U 00 50 002ии ип 1 оо ооноооо 150 004ПП no 2U0 0010 00 ms 5 ms/Div

28. Рис. 2.8. Осциллограммы напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора при работе 12 электроприводов в номинальном режиме

29. Вход£ напряжение Влод В ток ¿OA/nnv)к ; і 1 s ; / и \ / \ і1 Л \ ЛІ /л \ lr \ й 4 1/и\\

30. J/ 11 W, 11ЇІ Vf А / а/

31. J і Г V к V ': V | 1 t

32. Л : і / 1 е / / \ і !\ Ї j \ ■i і j \ і

33. На рис. 2.9 и 2.10 показаны графики ПКЭ, характеризующие несинусоидальность напряжения и тока частотно-регулируемой УОГ в зависимости от частоты управления электродвигателями, которые получены в результате вычислительного эксперимента.1 2 1з