Особенно высокие требования по провалам и выбросам напряжения предъявляют современные микропроцессорные устройства, интегрированные в контуры управления технологическим оборудованием, системы мониторинга и технологических защит. До настоящего времени нет методических материалов, позволяющих согласовать технические характеристики основных компонент систем резервного питания друг с другом и с характеристиками электроприемников. Проектные организации испытывают затруднения при выборе электрооборудования для таких систем, особенно по динамическим характеристикам, по вопросам устойчивой работы при возмущениях, вызываемых резкими изменениями нагрузки и короткими замыканиями в электроустановках добывающих предприятий. Основной причиной затруднений является сложность современных СРЭ, использующих как классические вращающиеся электрические машины, так и современные устройства преобразовательной техники с микропроцессорными системами регулирования. Расчет переходных процессов в таких системах возможен лишь с помощью весьма сложных математических моделей. Фактором, затрудняющим использование в СРЭ современного оборудования, является недостаток нормативных документов, регламентирующих динамические характеристики полупроводниковых преобразовательных устройств, особенно национальных и отраслевых. В данной статье приведены результаты исследования переходных процессов в СРЭ газодобывающего предприятия, выполненного на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ».
В составе электроприемников СРЭ могут быть электроприводы насосов, клапанов и задвижек трубопроводов, резервное освещение, системы контроля и управления. В послеаварийном режиме, питание электроприемников второй группы СРЭ предусматривается от дизель-генераторов, а электроприемников первой группы - от дизель-генераторов и аккумуляторных батарей.
Объем научных исследований режимов работы СРЭ, количество и качество нормативных документов, необходимых для их проектирования и эксплуатации, не соответствуют важности вопроса и масштабам возможных последствий отказов СРЭ. Известные международные, национальные и отраслевые стандарты [1,2] содержат неоднозначные, а иногда и противоречивые требования к оборудованию СРЭ. Особенно это относится к параметрам, регламентирующим электромагнитную совместимость и условия срабатывания защит, при возникновении переходных процессов в полупроводниковых преобразовательных устройствах, вызываемых резкими изменениями нагрузки и короткими замыканиями в электроустановках добывающих предприятий и в примыкающих к ним участках электрической сети.
В последние годы, в выпрямителях и инверторах СРЭ, вместо тиристоров, используются новые полупроводниковые элементы - MOSFET и IGBT силовые транзисторы, вместо аналоговых применяются цифровые регуляторы. Новая элементная база существенно изменяет динамические характеристики СРЭ, повышается трудоемкость расчета режимов и анализа переходных процессов. Для проведения научных исследований современных СРЭ, использующих классические вращающиеся электрические машины в сочетании с современными устройствами преобразовательной техники, необходимы новые математические модели. В данной статье приведены результаты работы, выполненной на кафедре «Электрические станции» НИУ «МЭИ», в ходе которой была разработана математическая модель современной СРЭ и с ее помощью проанализирована электромагнитная совместимость оборудования СРЭ, соответствие его требованиям действующих международных, национальных и отраслевых стандартов.
Верификация разработанной математической модели была осуществлена путем сопоставления результатов компьютерных расчетов с результатами натурных экспериментов, проведенных в учебно-исследовательском центре (УИЦ) кафедры «Электрические станции». УИЦ был создан на кафедре в рамках программы развития Национального исследовательского университета «МЭИ», для него были закуплены комплексы инновационного оборудования, произведенного швейцарской фирмой GUTOR Electronic LLC, входящие в состав системы оперативного постоянного тока и системы собственных нужд переменного тока.
Расчетно-теоретическое исследование выполнено применительно к СРЭ, осуществляющей питание электроприводов насосов, клапанов и задвижек трубопроводов, аварийного освещения, системы контроля и управления технологическим оборудованием, рис. 1. Были проанализированы переходные процессы, вызванные пуском асинхронных двигателей, при отключении рабочего трансформатора (ТСН) и переводе питания СРЭ на дизель-генераторную установку (ДГУ). Номинальные параметры ДГУ, выпрямителя, аккумуляторной батареи (АБ), инвертора и нагрузки, подключенной к инвертору, соответствуют проектным данным одной из реальных электроустановок. Емкость аккумуляторной батареи рассчитана на поддержку автономной работы СРЭ в течение 24 часов.
Модели выпрямителя и инвертора состоят из двух частей: силовой и блоков управления. Силовая часть модели выпрямителя содержит преобразовательный трансформатор со схемой соединений обмоток «Y/Δ», тиристорный мост и фильтр сглаживания пульсаций выходного напряжения, состоящий из дросселя и конденсатора.
Выпрямитель работает по шестипульсной схеме. Основное влияние на работу выпрямителя, при переходных процессах, оказывают регуляторы, включенные в модель блоков управления. Регулирование напряжения на выходе выпрямителя осуществляется пропорционально-интегральным регулятором, который обеспечивает ограничение выходного тока выпрямителя в соответствии с заданными пределами его изменения. При отклонении напряжения на входе выпрямителя за пределы допустимых значений, предусмотрено снятие импульсов управления тиристорами и отключение выпрямителя.
В совокупности, регулятор по напряжению, ограничитель выходного тока и логика отключения выпрямителя определяют поведение выпрямителя при возмущениях, как со стороны источника переменного тока, так и со стороны нагрузки постоянного тока.
К силовой части инвертора относится сглаживающий конденсатор на его входе, IGBT-мост, дроссель, трансформатор, конденсаторы на выходе, и тиристорный статический ключ, осуществляющий переключение на резервный источник – «байпас».
Принцип действия инвертора базируется на широтно-импульсной модуляции (ШИМ) коммутаций биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT). Работой IGBT моста управляет модуль с базовой частотой модуляции 2,1 кГц. Задающий сигнал, для ШИМ IGBT-моста, формируется пропорционально-интегральным регулятором, контролирующим напряжение на выходе инвертора, и системой ограничения мгновенных значений тока на выходе инвертора. При отклонении параметров входного напряжения за допустимые пределы, а также при отказе силовой части инвертора происходит переключение нагрузки на резервный источник без перерыва питания с помощью тиристорного статического переключателя.
Модель ДГУ включает в себя, кроме уравнений синхронного генератора, уравнения дизеля с регулятором топливоподачи, уравнения системы и регулятора возбуждения. Модель аккумуляторной батареи учитывает ЭДС поляризации и позволяет задавать степень заряженности аккумуляторов и учитывать степень их износа.
На модели были проведены расчеты переходного процесса в СРЭ при пуске асинхронного двигателя электропривода задвижек технологического трубопровода. Двигатель подключен к выходной сборке 0,4 кВ инвертора. В расчете были приняты следующие параметры компонентов СРЭ:
Генератор: Pном = 0,12 МВт; Uном = 0,4 кВ; cosφном = 0,8; Ifхх = 27 А; Xd’’=0,16 о.е.; Xd’=0,17 о.е.; Xd=2,02 о.е.; X0=0,08 о.е.; Td”(3)=0,011 с; Td’(3)=0,035 с.
Зарядное устройство: Uвх.ном =400 В; Uвых. =236,4 В; Iном = 630 А.
Аккумуляторная батарея: C10 = 1000 А∙ч; RАБ = 21,5 мОм; количество аккумуляторов – 106 шт.
Инвертор: Uвых.ном
=400 В; Uвх.ном
=220 В; Sном = 100 кВА;
Ilim = 4 Iном (уставка токоограничения).
Асинхронный двигатель: Рном = 24 кВт; Uном = 380 В; cosjном = 0,91; cosjп = 0,3; Iп/Iном = 7,0; Mп/Mном = 1,4; Mмакс/Mном = 2,5; hном = 89 %; sном = 1,9 %; J = 0,255 кг·м2/рад; момент сопротивления механизма – постоянный; коэффициент загрузки – 0,8.
Статическая нагрузка: Sном = 10 кВА; Uном = 380 В; cosjном = 0,8.
Результаты расчета переходных процессов представлены на рис. 3 в виде приведенных к 20 мс среднеквадратичных и средних значений напряжений и токов. Переменные напряжения и токи представлены среднеквадратичными значениями, постоянные напряжения и токи представлены средними значениями. Пульсации токов и напряжений не отображены, но в первичных результатах расчета они имеются.
В предшествующем пуску двигателя режиме работы фазное напряжение на шинах ДГУ составляло 233 В, фазный ток на входе выпрямителя – 84,2 А. Выпрямитель обеспечивал поддерживающий заряд аккумуляторной батареи при напряжении 236,2 В и питание статической нагрузки током, составляющим на входе инвертора 52,1 А. Фазное напряжение на выходе инвертора составляло 231 В, ток на выходе инвертора, обусловленный статической нагрузкой – 15,9 А, что соответствует загрузке инвертора на 10,5% номинальной мощности.
В момент времени 10,0 с начался пуск асинхронного двигателя, подключенного к инвертору. Наибольший выходной ток инвертора, включающий пусковой ток двигателя и ток статической нагрузки, составил 298 А, при номинальном токе инвертора 152 А, см. рис. 3. Пуск двигателя вызвал провал напряжения на выходе инвертора до 151,8 В, что составляет 69% номинального напряжения, продолжительность провала – 34 мс, затем напряжение восстановилось до номинального. За 1,1 с двигатель развернулся до номинального скольжения, а в момент времени 11,5 с был отключен. Такой режим работы двигателя имитирует управление группой технологических задвижек.
В соответствии с ГОСТ Р 51317.6.5 – 2006 [2] глубина провалов напряжения на клеммах электроприемников допускается в пределах 30% номинального напряжения при продолжительности не более 200 мс. Следовательно, пуск двигателя может вызывать сбои в работе электроприемников, входящих в состав статической нагрузки.
В Standard IEC 62040-3 Uninterruptible power systems (UPS) [1] определены требования к качеству переходных процессов, вызванных резким набросом или сбросом нагрузки в виде границ зоны допустимых значений провалов и выбросов напряжений от их продолжительности для трех классов установок бесперебойного питания. На рис. 4 приведена характеристика допустимых изменений напряжения для установок бесперебойного питания третьего класса.
Результаты моделирования показали, что моделируемая СРЭ удовлетворяет требованиям лишь, третьего класса, по Standard IEC 62040-3 Uninterruptible power systems (UPS) [1]. Требования по провалам напряжения, соответствующие второму и первому классу представляются чрезмерно высокими.
Пуск двигателя вызвал резкое увеличение тока во входной цепи инвертора до 708 А, см. рис. 3. Это привело к снижению выходного напряжения выпрямителя до 203 В, что соответствует 92% номинального напряжения. В начале пуска двигателя аккумуляторная батарея приняла на себя большую часть возросшей нагрузки. Ток в цепи батареи через 75 мс после начала пуска составил429 А, а в цепи выпрямителя в этот же момент времени 276 А. Под действием регуляторов выпрямителя напряжение на его выходе увеличивалось и через 0,375 с после начала пуска достигло 220 В. При этом по мере восстановления напряжения происходило перераспределение токов между выпрямителем и аккумуляторной батареей: ток выпрямителя нарастал до номинального, а ток АБ снижался. Параметры провала напряжения на сборке постоянного тока СРЭ определяются динамическими характеристиками выпрямителя и внутренним сопротивлением аккумуляторной батареи. Продолжительность провала напряжения на выходе выпрямителя значительно больше, чем на выходе инвертора, что обусловлено процессами перехода аккумуляторов из режима разряда в режим заряда и инерционностью регуляторов выпрямителя. Максимальная мощность, потребляемая инвертором при пуске двигателя, достигала 150 кВт. Это более чем в два раза превышает активную мощность нагрузки, что объясняется большим потреблением двигателем реактивной мощности при его пуске.
В соответствии с ГОСТ Р 51317.6.5 – 2006 [2] допустимая глубина провалов напряжения на клеммах технических средств систем оперативного постоянного тока электроустановок составляет 30% номинального напряжения, при продолжительности не превышающей 1 с и 60% номинального напряжения при продолжительности не превышающей 100 мс. Пуск двигателя не привел к провалу напряжения ниже 90% от номинального на выходе выпрямителя, таким образом, пуск двигателя не приводит к сбоям в работе электроприемников постоянного тока.
Ток дизель-генератора увеличился с 84,2 А, при работе на статическую нагрузку, до 352 А во время пуска двигателя. При этом возник провал напряжения до 187 В, что составляет 85% от номинального. Продолжительность провала – 0,65 с. Ввиду малой глубины провала напряжения, пуск двигателя не вызывает сбоев в работе электроприемников, подключенных к шинам ДГУ.
Выводы:
1. Результаты исследования переходных процессов в СРЭ показали, что для обеспечения соответствия требованиям по ЭМС, содержащимся в 2. ГОСТ Р 51317.6.5 [2], необходимо существенно завышать мощность установленного оборудования СРЭ.
2. Глубину и продолжительность провалов напряжения в СРЭ целесообразно нормировать на основе 3. Standard IEC 61000-4-11 Electromagnetic compatibility (EMC) [3], допускающего провалы глубиной 30% при продолжительности 1 с и 60% при продолжительности 0,5 с.
3. Исследования переходных процессов в СРЭ с выпрямителями и инверторами, использующими современную элементную базу силовых ключей и цифровые регуляторы следует продолжить для обновления действующих и разработки новых национальных и отраслевых стандартов
Список литературы
1. Standard IEC 62040-3 Uninterruptible power systems (UPS) – Part 3: Method of specifying the performance and test requirements
2. ГОСТ Р 51317.6.5 – 2006 Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний
3. Standard IEC 61000-4-11 Electromagnetic compatibility (EMC). Part 4-11: Testing and measurement techniques. Voltage dips, short interruptions and voltage variations immunity tests
