Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Электрические станции, сети и системы

Диссертационная работа:

Шхати Хамид Вассфи. Развитие методов математического моделирования переходных процессов современных генераторов для повышения эксплуатационных показателей их работы : диссертация ... доктора технических наук : 05.14.02 / Шхати Хамид Вассфи; [Место защиты: ГОУВПО "Санкт-Петербургский государственный университет"]. - Санкт-Петербург, 2008. - 381 с. : 12 ил.

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

ВВЕДЕНИЕ 9

  1. Актуальность темы 9

  2. Состояние вопроса и задачи диссертации 13

ГЛАВА 1 ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ МОЩНЫХ

СИНХРОННЫХ МАШИН В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИИ

1.1. Развитие синхронных машин 23

  1. Влияние повышения степени использования активных материалов на параметры мощных синхронных генераторов 24

  2. Развитие турбогенераторостроения 30

  3. Развитие гидрогенераторостроения 35

1.2. Виды и сопоставление наиболее рациональных систем ох
лаждения электрических машин большой и средней мощно
сти 41

  1. Воздушное охлаждение турбогенераторов 41

  2. Турбогенераторы с водородным охлаждением 43

  3. Турбогенераторы с водяным охлаждением типа ТЗВ 44

1.3. Обзор методов математического моделирования переходных
процессов ЭЭС 46

1.4 Направления исследований переходных процессов ЭЭС... 51
1.4.1. Автоматизация исследования переходных процессов в элек
трических системах 53

1.5 Задачи диссертации 61

ГЛАВА 2 ВОПРОСЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ

2.1 Уравнения переходных процессов синхронной машины в

различных системах относительных единиц 63

  1. Построение схем замещения синхронной машины на основе обращения матриц индуктивных сопротивлений... 73

  2. Математическое моделирование переходных процессов внешней сети для расчета крутильных колебаний 86

  3. Математическое моделирование крутильных колебаний валопровода турбоагрегата 102

2.5 Выводы 104

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

ВАЛОПРОВОДА АГРЕГАТА.

3.1 Виды неблагоприятных воздействий на валопровод
турбоагрегата 106

  1. Внезапные короткие замыкания 106

  2. Коммутации в сети 106

  3. Крутильные колебания валопровода турбоагрегата, обусловленные системой возбуждения 107

  4. Крутильные колебания валопровода, обусловленные субсинхронным резонансом 108

  5. Крутильные колебания валопроводов турбоагрегатов, работающих вблизи преобразовательных подстанций 109

  1. Проблемы обеспечения механической прочности валов турбоагрегатов 110

  2. Параметры исследуемых турбоагрегатов. 113

  3. Физическая природа демпфирования крутильных колебаний валопровода 113

3.4.1. Воздействие изменения коэффициента демпфирования,
обусловленного отклонением частоты вращения лопаток
турбины относительно парового объема, на показатели
устойчивости 115

3.4.2. Воздействие конструкционного демпфирования на показа-

тели устойчивости на частотах крутильных колеба
ний 120

  1. Влияние коэффициентов кп и Н на частотные характеристики системы с АРВ 122

  2. Влияние коэффициентов кп и Н на величины максимальных скручивающих моментов при коротких замыкани-

ях 125

3.7. Формы частот крутильных колебаний валопроводов турбо
агрегатов 128

  1. Математическое моделирование крутильных колебаний ва-лопровода 129

  2. Анализ собственных значений и собственных векторов 131

  3. Анализ форм колебаний (модальный анализ) 132

  4. Результаты расчетов 135

3.8. Выводы 147

ГЛАВА 4. РАЗАБОТКА МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ СИСТЕМ

АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗ-6УЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН.

  1. Обзор развития систем автоматического регулирование возбуждения 148

  2. Автоматические регуляторы возбуждения 151

  1. Математическое моделирование независимой тиристорнои системы возбуждения 154

  2. Математическое моделирование бесщеточной диодной системы возбуждения 158

4.2.3 Диодные бесщеточные системы зарубежных фирм 161

4.3. Математическое описание автоматического регулятора воз
буждения сильного действия ( АРВ-СД ) 164

4.3.1 Демпферные свойства турбоагрегата с генератором ТВВ-

4.3.2 Демпферные свойства турбоагрегата с генератором ВВС -

4.4 Математическая модель дополнительного канала систем
ной стабилизации (PSS) 175

4.4.1 Исследование эффективности использования дополнитель
ных сигналов в законе регулирования возбужде
ния 177

  1. Математическое описание автоматического регулятора пропорционального действия 184

  2. Принципы построения систем оптимального управления возбуждением 187

4.61 Синтез ЛКГ - регуляторов 188

  1. Фильтр Калмана 190

  2. Использование структуры регулирования, построенной на основе теории оптимального управления 191

4.7. Демпфирование крутильных колебаний валопровода турбо
агрегата с помощью АРВ 194

  1. Демпферные свойства турбоагрегата при обычном регулировании возбуждения 196

  2. Использование дополнительного канала регулирования 199

4.8. Выводы 202

ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ СИНХРОННЫХ МАШИН С УЧЕТОМ НАСЫЩЕНИЯ СЕРДЕЧНИКОВ

  1. Обзор методов учета насыщения 204

  2. Учет насыщения сердечников неявнополюсных СМ 213

  3. Учет насыщения на путях потоков рассеяния контуров 216

  4. Влияния насыщения сердечников мощных турбогенераторов на скручивающие моменты при коротких замыканиях

  1. Влияния насыщения на скручивающие моменты при коротких замыканиях на зажимах генератора в режиме холостого хода 222

  2. Влияние насыщения на скручивающие моменты при коротких замыканиях на зажимах генератора в режиме номинальной нагрузки 223

5.4.3. Влияния насыщения на отключение неудалённых к.з 224

5.5. Выводы 226

ГЛАВА 6. РАСЧЕТЫ И АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ И КОММУТАЦИЯХ
В СЕТИ
6.1 Общие положения 227

  1. Скручивающие моменты при нормативных возмущениях 228

  2. Скручивающие моменты валопровода мощного турбоагрегата при отключении неудаленных коротких замыканий 233

  3. Скручивающие моменты при коротких замыканиях и коммутациях в высоковольтной сети 240

  1. Трёхфазное к.з. с последующим АПВ линии 241

  2. Исследование скручивающих моментов, воздействующих на валопровод турбоагрегата при использовании мероприятий

по повышению динамической устойчивости... 251

  1. Переходные процессы при электрическом торможении ротора генератора 251

  2. Переходные процессы при импульсном регулировании турбины 255

  1. Исследование скручивающих моментов, воздействующих на валопровод турбоагрегата при неуспешном АПВ линии.. 259

  2. Выводы 265

ГЛАВА 7. РАСЧЕТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЭЛЕМЕНТАХ ВАЛОПРОВОДА МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ (МКЭ)

  1. Общие положения 267

  2. Основные операции в процедуре метода 269

  1. Дискретизация области 269

  2. Выбор основных неизвестных 271

  3. Построение интерполирующего полинома и условия сходимости МКЭ г)1у

1.2А. Получение основной системы разрешающих уравнений 273

7.3. Совместное решение системы алгебраических уравнений
Определение «выходных» параметров краевой задачи 275

  1. Интерполирующие полиномы 276

  2. Прямоугольный параллелепипед 276

  3. Тетраэдр 277

  4. Метод конечных элементов в задачах теории упругости Основные разновидности МКЭ 278

  5. Метод перемещений 279

  6. Метод сил 279

7.4. Матрица жесткости и вектор узловых внешних нагрузок 279

  1. Матрица жесткости 279

  2. Вектор узловых внешних нагрузок 282

7.5. Объемные элементы 283

  1. Общая теория МКЭ, реализованная в программе ANSYS.... 286

  2. Расчет напряжений в элементах валопровода генератор-возбудитель 288

  1. Вводные замечания 288

  2. Описание модели участка вала генератор-возбудителем 289

  3. Допускаемые напряжения 290

7.7.3.1 Для болтов 290

7.7.3.2 Для валов 290

  1. Расчет болтового соединения с использованием методов сопротивления материалов 291

  2. Расчет вала и фланца на скручивающий момент по МКЭ с использованием программы ANSYS 292

7.7.6 Результаты расчета 293

7.7.7. Выводы по расчётной модели участка вала генератор-
возбудителем 298

7.8. Расчет напряжений на участке вала между генератором и

турбиной 299

  1. Общее описание 299

  2. Допускаемые напряжения 300

7.8.3 Расчет болтового соединения с использованием методов со
противления материалов 301

  1. Расчет шпонок 302

  2. Расчёт нагрузок на вал и полумуфту 303

  3. Расчет вала по МКЭ с использованием программы ANSYS.. 305

  4. Результаты 307

  5. Расчет полумуфты по МКЭ с использованием программы ANSYS 309

7.8.9. Результаты 311

7.8.10. Выводы по работе 314

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ

РАБОТЕ 316

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 320

Приложение 1 386

Приложение 2 3 89

Приложение 3 393

Введение к работе:

Актуальность темы. Современное состояние Российской

электроэнергетики характеризуется быстро растущим спросом на электрическую энергию и определенным отставанием ввода новых генерирующих мощностей. Основными причинами увеличения спроса являются оживление промышленной активности, масштабное жилищное строительство, существенное увеличение спроса в бытовом секторе, а в зимние месяцы (январь, февраль) - понижение температуры.

Для покрытия максимумов потребления задействуются практически все располагаемые резервы электростанций. Режимы электрических сетей характеризуются как весьма напряженные, перегрузка оборудования предотвращается проведением специальных мероприятий (переводом потребителей на электроснабжение от менее загруженных центров питания, ограничением потребления). В условиях повышенного спроса загрузка основных трансформаторных мощностей находилась в интервале между 85 и 100%. До 20% высоковольтных линий электропередачи в эти периоды были загружены на 90 - 95%.

Таким образом, напряженные периоды работы энергосистемы характеризуются полным использованием резервов генерирующих мощностей, полным использованием пропускной способности межсистемных транзитов, значительными величинами потоков мощности по системообразующей сети и автотрансформаторным связям, необходимостью ограничения потребителей в период повышенных нагрузок.

Такая ситуация сложилась вследствие недостаточного внимания к развитию электрических сетей и обеспечению опережающего ввода генерирующих мощностей, что обусловлено сложными условиями развития народного хозяйства в течение переходного периода 1991 - 2001 гг. В связи с большой территориальной протяженностью России и высокой стоимостью сооружения высоковольтных линий (ВЛ) имеется тенденция к предельному использованию их пропускной способности, что на фоне роста нагрузок, приводит к увеличению длительности утяжеленных режимов, характеризующихся сниженными запасами устойчивости. К этому необходимо добавить соображения о существенном старении оборудования сетей и о моральном износе большинства эксплуатируемых релейных защит.

Основой развития электроэнергетики является объединение электроэнергетических систем (ЭЭС) и использования в них синхронных генераторов больших единичных мощностей, достигающих 1000 и 1200 МВт. Механическая прочность элементов валопроводов мощных агрегатов снижается с ростом единичной мощности, а при некоторых режимах

(отключение короткого замыкания, особенно в случае отказа основного выключателя, автоматическое повторное включение, в том числе неуспешное) механические напряжения валопровода могут превысить допустимые. Электромеханические параметры таких генераторов ухудшены, и обеспечение устойчивости и надежности работы ЭЭС обеспечивается за счет применения различных систем управления, важное место среди которых занимают системы автоматического регулирования возбуждения генераторов, частоты вращения турбин, активной мощности электрических станций и т.д. Достижение высоких демпферных свойств реализуется благодаря использованию в АРВ в качестве параметров стабилизации сигналов производной напряжения статора, отклонения частоты напряжения статора и производной частоты. Однако повышение качества демпфирования электромеханических колебаний ротора генератора за счет повышения быстродействия аппаратуры и усиления воздействий на обмотку возбуждения генератора приводит и к увеличению механических нагрузок на валопровод. Новые возможности моделирования (например, на основе широко распространненной системы программирования MatLab) позволяют реализовать весьма сложные исследовательские модели и получить представления о направлениях развития систем автоматического управления, обеспечивающих подавление нежелательных воздействий на турбоагрегат, обусловленных односторонним подходом к оптимизации настроечных параметров системы регулирования возбуждения, направленных на повышение показателей демпфирования на частотах электромеханических колебаний. В результате выполнения работы удалось разработать рекомендации по подавлению нежелательных явлений резонансного характера на турбоагрегатах, оснащенных старыми типами АРВ, а также определить направления развития структуры перспективных цифровых АРВ.

Общей чертой электрических машин с высоким использованием активных материалов является существенная зависимость основных параметров от режимов работы, обусловленная влиянием насыщения магнитной цепи и протеканием вихревых токов в массивных участках магнитопроводов. Указанные обстоятельства требуют совершенствования методов расчета установившихся режимов и переходных процессов. Потребность внедрения уточненных методов моделирования и расчета повышается в связи ухудшением электромеханических параметров высокоиспользованных генераторов и увеличением механических нагрузок на элементы конструкции агрегатов. В этой связи большое значение имеет уточнение реальных демпферных свойств турбоагрегатов, в том числе на частотах крутильных колебаний. На основе анализа естественных факторов демпфирования, свойственных конструкции валопровода, удалось уточнить реальные показатели демпфирования и оценить их влияние на протекание переходных процессов.

Значительное внимание в работе уделено исследованию процессов при конечных возмущениях в ЭЭС. Проанализированы возможные

неблагоприятные сочетания воздействий ударного характера, вызывающие опасные значения скручивающих моментов, снижающих ресурс валопровода. Показано, что существующая методика определения нормативных величин для расчета механических характеристик валопровода нуждается в корректировке.

На основе рассчитанных величин ударных электромагнитных и скручивающих моментов были выполнены расчеты механических напряжений в элементах конструкции турбоагрегата.

Цели и задачи работы. Целью работы являлась разработка и
совершенствование методов математического моделирования

турбоагрегатов с высокоиспользованными генераторами, которые оснащены современными системами возбуждения, для исследования демпферных свойств и переходных процессов при конечных возмущениях, а также разработка мероприятий по возможному снижению опасных воздействий на валопровод. Для достижения поставленных целей потребовалось:

выполнить исследование демпферных свойств регулируемого турбоагрегата, оснащенного быстродействующей системой возбуждения, в диапазоне низших частот крутильных колебаний;

выполнить оценку возможного дополнительного демпфирования крутильных колебаний на основе учета демпфирования, связанного с отклонением скорости перемещения лопаточного аппарата турбины от скорости парового объема («паровое» демпфирование) и демпфирования, обусловленного трением в элементах лопаточного аппарата («конструкционное» демпфирование);

разработать алгоритмы расчета переходных процессов с учетом насыщения сердечников на путях основного магнитного потока и путях потоков рассеяния;

разработать методы расчета напряжений во внешней сети, пригодные для моделирования процессов при несимметричных коротких замыканиях и последовательных коммутациях;

разработать комплексные математические модели в среде MatLab, учитывающие реальную структуру систем возбуждения агрегатов, включая электромагниный момент вспомогательного генератора системы возбуждения (для независимой тиристорной и диодной бесщеточной систем);

выполнить расчеты переходных процессов при различных сочетаниях ударных воздействий на валопровод: коротких замыканиях и их отключении, выполнении автоматических повторных включений линии электропередачи, в том числе и неуспешных АПВ для оценки возможности появления опасных скручивающих моментов;

выполнить оценку эффективности применения фильтрации сигналов и дополнительных сигналов регулирования для подавления

слабодемпфированных составляющих на частотах крутильных колебаний;

оценить возможности применения линейно-квадратичного управления и оптимального оценивания состояния на основе применения фильтра Калмана для обеспечения высоких демпферных свойств в области частот крутильных колебаний;

выполнить анализ естественных факторов демпфирования, свойственных конструкции валопровода, и уточнить реальные демпферные свойства агрегатов;

оценить воздействия на валопровод агрегата таких мероприятий по повышению динамической устойчивости, как электрическое торможение и импульсное регулирование турбины;

выполнить расчеты напряжений в элементах конструкции валопровода на основе метода конечных элементов с использованием программных комплексов ANSYS, SOLIDWORKS, KOSMOSWORKS и других.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

в среде MatLab разработаны математические модели турбоагрегата различной полноты для исследования переходных процессов турбоагрегата с быстродействующим возбудителем для анализа процессов при конечных возмущениях и демпферных свойств;

выполнена оценка улучшения показателей демпфирования крутильных колебаний за счет учета «парового» и «конструкционного» демпфирования;

в разработанных программных комплексах реализован учет насыщения сердечников генератора на путях основного магнитного потока и потоков рассеяния контуров;

разработанный метод моделирования переходных процессов во внешней сети позволяет воспроизводить многократные возмущения (короткие замыкания, отключение участков линии электропередачи, их повторное включение, в том числе неуспешное);

установлена возможность появления слабодемпфированных колебаний валопровода, обусловленных работой системы возбуждения генератора;

выполнена оценка эффективности ряда мероприятий, позволяющих обеспечить демпфирование крутильных колебаний валопровода. Одним из них является использование в законе регулирования сигналов, пропорциональных относительным углам закручивания элементов валопровода. Второе связано с применением линейно-квадратичного управления и оптимального оценивания состояния;

проведено исследование скручивающих моментов при коротких замыканиях в высоковольтной сети и последующих коммутациях; выявлены наиболее опасные сочетания аварийных воздействий на агрегат; рассмотрены воздействия на валопровод, обусловленные применением мероприятий по повышению уровня динамической

устойчивости.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанное программное обеспечение, полученные выводы и рекомендации могут быть использованы в проектных и эксплуатационных организациях при определении условий работы турбогенераторов в ЭЭС, расчетах величин скручивающих моментов при авариях. Разработанное программное обеспечение используется в научной работе кафедры «Электрические системы и сети» СПбГПУ при решении задач анализа аварий в энергосистемах и их перспективного развития.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электрические системы и сети» а также на научно-технических конференциях, проводимых в СПбГПУ. По теме диссертации опубликовано 21 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 617 наименований и трех приложений. Содержание работы изложено на 400 страницах, иллюстрируется 135 рисунками и 85 таблицами.

Подобные работы
Надтока Иван Иванович
Развитие теории и методов моделирования и прогнозирования электропотребления на основе данных средств автоматизации учета и телеизмерений
Мохамед Емад Джасем
Исследование влияния параметров турбо- и гидрогенераторов на показатели статической и динамической устойчивости параллельной работы
Мозоль Владимир Иванович
Электрические сети городов напряжением от 6 до 10 кв: развитие методов и средств обеспечения надежности электроснабжения
Тузлукова Екатерина Валерьевна
Развитие методов анализа динамических свойств энергосистем на основе решения частичной проблемы собственных значений
Попов Владимир Анатольевич
Развитие методов исследований несимметричных режимов электроэнергетических систем и их практическое применение
Этингов Павел Валерьевич
Развитие методов адаптации нечетких АРВ для повышения динамической устойчивости сложных электроэнергетических систем
Толстунов Василий Иванович
Развитие и применение критериального метода для задач управления в реальном времени режимами неоднородных электрических сетей
Рындина Ирина Евгеньевна
Методы компьютерного моделирования для проектирования и анализа режимов систем электроснабжения
Попков Евгений Николаевич
Теория и алгоритмы имитационного моделирования машинно-вентильных систем методом структурных ориентированных чисел
Пономаренко Игорь Степанович
Учет вероятностного характера изменения нагрузок при моделировании процессов развития аварий в электрических системах

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net