Требования, предъявляемые к электроснабжению предприятий, зависят от их величины и потребляемой ими мощности. Схемы электроснабжения строятся таким образом, чтобы вся система была экономична, надежна, удобна и безопасна в обслуживании и обеспечивала необходимое качество электроэнергии в нормальных и послеаварийных режимах. Надежность систем электроснабжения предприятий, как правило, должна повышаться при приближении к источникам питания и по мере увеличения мощности соответствующих звеньев системы, так как аварии в мощных звеньях приводят к более тяжелым последствиям, чем в мелких, и охватывают большую зону предприятия.
Наиболее экономичной и надежной является система электроснабжения с применением глубоких вводов, при которой источники напряжения максимально приближены к потребителям электроэнергии, а прием электроэнергии рассредоточивается по нескольким пунктам.
Система электроснабжения строится таким образом, чтобы все ее элементы постоянно находились под нагрузкой. «Холодный» резерв в линиях и трансформаторах не применяется. При таком режиме работы уменьшаются потери электроэнергии, и повышается надежность, так как долго находившийся в бездействии «холодный» резервный элемент может при его включении отказать в работе вследствие каких-либо неисправностей, оказавшихся незамеченными. Так называемый «скрытый» резерв предусматривается в самой схеме электроснабжения, которая при послеаварийном режиме должна быть в состоянии принять на себя нагрузку временно выбывшего элемента путем перераспределения ее между оставшимися в работе частями сети с использованием перегрузочной способности электрооборудования.
Рис. 1. Принципиальная схема внутреннего электроснабжения участка ВГП
Объект исследования и исходные данные моделирования. Вентиляторная станция главного (ВГП) проветривания рудника по бесперебойности электропитания относится к потребителям 1-й категории, перерыв в электроснабжении которых допускается на время срабатывания АВР (автоматического включения резерва). Перечень электрооборудования, расположенного на станции, включает в себя: 2 вентилятора ВЦД-42,5; 4 вентилятора охлаждения (обдува) ГВУ; 4 маслостанции; 14 электроприводов ляд (дверей); мостовой кран; освещение. По перечисленному оборудованию составляем схему внутреннего электроснабжения ВГП, принципиальный вид которой изображен на рис. 1.
По приведенной принципиальной схеме электроснабжения потребителей вентиляторной станции будем разрабатывать математическую модель, предполагающую структурное моделирование системы электроснабжение ВГП в программе MatLab/Simulink/SimPowerSystem [21].
Исходными данными будут являться параметры элементов системы электроснабжения, расширенные данные синхронного двигателя ГВУ СДМ3–17–59–12УХЛ4 и силовых высоковольтных трансформаторов ТМН-6300/110 и ТМ-250/10.
Методы исследования. Моделирование представляет собой сложный процесс, целью которого является создание представления о поведении системы при вариациях параметров. Замена реального объекта его математической моделью дает большие преимущества для исследования. Вычислительный эксперимент предназначен для изучения и оптимизации сложных многопараметрических процессов, исследование которых традиционными способами затруднено или невозможно. Такой подход гарантирует гибкость систем и дает возможности их постоянного улучшения без вкладывания значительных средств в обновления аппаратной части [1, 13, 18].
Система электроснабжения ВГП моделируется в пакете программ MatLab, отвечающим требованиям для разработки подобных систем [10, 23]. Приложение для моделирования энергетических и электротехнических систем – Simulink/SimPowerSystem. Компоненты моделей, в свою очередь, являются графическими блоками и моделями, которые содержатся в ряде библиотек и с помощью мыши могут переноситься в основное окно и соединяться друг с другом необходимыми связями. В состав моделей могут включаться источники сигналов различного вида, виртуальные регистрирующие приборы, графические средства анимации.
Описание блоков модели. Начнем описание элементов модели с источника питания трехфазного переменного напряжения. Мощность источника питания будет соответствовать мощности силового высоковольтного трансформатора 6300 кВА, а выходное напряжение составлять 6 кВ при частоте сети 50 Гц.
Трансформаторы используются для преобразования одного уровня напряжений в другой, в нашем случае он понижающий [5]. В нашей схеме от источника питания установлены два трансформатора ТМ-250/10: мощностью 250 кВА; напряжение высокой стороны трансформатора 6 кВ; низкая сторона 0,4 кВ, напряжения короткого замыкания 4,5 %.
Трехфазная последовательная RLC-нагрузка с помощью данного блока моделируют трехфазную цепь, состоящую из трех последовательных RLC-нагрузок. Параметры цепи задаются через мощности фаз цепи при номинальном напряжении и частоте. С помощью блока нагрузки моделируют трехфазную цепь, состоящую из трех последовательных RLC-нагрузок. Схема соединения цепей – звезда с заземленной нейтралью. Параметры цепи задаются через мощности фаз цепи при номинальном напряжении и частоте.
Трехфазный измерительный блок используется для измерения мгновенного трехфазного напряжения и тока в цепи. Блок может выводить напряжение и токи в относительных единицах (о.е.) или в вольтах и амперах.
Блок «Трехфазный выключатель» реализует трехфазный автоматический выключатель, где открытие и закрытие может управляться либо от внешнего сигнала (внешний режим управления) или от внутреннего таймера управления (внутренний режим управления). Трехфазный выключатель использует три блока однофазных выключателей, соединенных между входами и выходами блока. Если трехфазный выключатель блока находится в режиме внешнего управления, контроль входа появляется на значке блока. Сигнал управления подключен к этому вход должен быть 0 или 1, 0 чтобы открыть выключатели, 1 чтобы закрыть их. Если трехфазный выключатель установлен в режиме внутреннего контроля, время переключения задаются в диалоговом окне блока.
Для отображения результатов моделирования используется блок осциллографа. Для того чтобы открыть окно просмотра сигналов, необходимо выполнить двойной щелчок левой клавишей мыши на изображении блока. Это можно сделать на любом этапе расчета (как до начала расчета, так и после него, а также во время расчета). В том случае, если на вход блока поступает векторный сигнал, то кривая для каждого элемента вектора строится отдельным цветом. Подробное описание блоков и анализ работы моделей в Simulink представлено в [6, 12, 14–16].
Моделирование при номинальном режиме работы. При номинальном режиме работы система работает при заданных заводом изготовителем значениях. К номинальным данным относятся активная и реактивная мощность, ток, напряжение и ряд других данных.
Задаем полученные при расчете электроснабжения значения в блоке источника питания «Source». В блоке выключателя в значении переходной функции времени вставляем 0. В блоке RLС-нагрузки также поставляем полученные в ходе расчета электроснабжения значения. Блок вентилятора с синхронным двигателем в дальнейшем будет использоваться в качестве компенсатора реактивной мощности в сети. После того как вся схема электроснабжения собрана в среде MatLab (рис. 2) и все данные поставлены во всех нагрузках, трансформаторах и выключателях запускаем программу, полученные данные доступны в окне осциллографа (в данном случае графики нагрузки) (рис. 3). Подробное описание снятиях рабочих характеристик изложено в [2, 3, 7–9, 11, 19, 20, 22, 24].
Из графика видно, что в установившемся режиме активная мощность примерно составляет 1,32 МВт, а реактивная достигает значения – 1,2 МВАр. В свою очередь суммарная (полная) мощность достигает значения 1,76 МВА, что практически совпадает с расчетным значением:
откуда
.
Рис. 2. Модель схемы электроснабжения участка вентиляторной станции рудника
Рис. 3. График нагрузки при номинальном режиме работы системы электроснабжения (на шинах 6 кВ)
Режим компенсации реактивной мощности. Синхронные двигатели имеют по сравнению с асинхронными большое преимущество, заключающееся в том, что благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с коэффициентом мощности равном единице и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе на холостом ходу даже отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.
Для имитации режима компенсации реактивной мощности при запуске модели убираем активную нагрузку в вентиляторе (рис. 4), так как двигатель будет работать в холостом ходу. После режима компенсации в осциллографе 1 наблюдается изменение графика нагрузки по сравнению в номинальном режиме (рис. 5).
Рис. 4. Модель с компенсацией реактивной мощности
Это происходит за счет того, что синхронные двигатели, в процессе своей работы способны генерировать реактивную мощность. По этой причине электропривод с синхронным двигателем может работать с заданным коэффициентом мощности cos ?, максимальным КПД и обеспечивать необходимый уровень показателей качества электросети, к которой он подключён. Воздействие на энергетические показатели осуществляется с помощью регулирования тока возбуждения двигателя в ручном или автоматическом режиме.
При некотором токе возбуждения реактивная составляющая тока станет равной нулю, т.е. ток статора станет чисто активным. Это состояние характеризуется минимальным значением тока статора и максимальным значением соs ? = 1. Если продолжить увеличивать ток, возбуждения вновь появится, и начнёт расти реактивная составляющая тока, но она будет опережать напряжение сети на 90°. За счёт этого ток статора, будет также опережать напряжение сети, и синхронный двигатель начнет работать с опережающим сos ?, уже отдавая реактивную мощность в питающую сеть. Обобщая выше сказанное получим, что при работе синхронного двигателя с переменной нагрузкой на валу для наилучшего использования его компенсирующих свойств требуется соответствующее изменение тока возбуждения. Моделирование электропривода ГВУ рассмотрено в [4, 17].
Рис. 5. График нагрузки при компенсации реактивной мощности (на шинах 6 кВ)
Из графика видно, что в установившемся режиме реактивная мощность была скомпенсирована до рассчитанного значения -0,55 МВАр, в свою очередь активная мощность увеличилась и примерно составляет 2,6 МВт. В результате суммарное снижение реактивной мощности составило:
Вывод. При моделировании режимов системы электроснабжения вентиляторной станции рудника была построена модель компенсации реактивной мощности при помощи синхронного электродвигателя. В результате представлены графики зависимости мощностей (полной, активной, реактивной) от времени. Из графиков видно, что при использования синхронного двигателя в режиме компенсатора реактивной мощности последняя уменьшилась. Погрешности смоделированных параметров не превышают 5 % по сравнению с расчетными данными. Можно считать моделирование проведенным успешно, а модель – рабочей.
Библиографическая ссылка
Семенова М.Н., Заголило С.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГЛАВНОЙ ВЕНТИЛЯТОРНОЙ УСТАНОВКИ РУДНИКА ПРИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 3-8. ;URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=18766 (дата обращения: 21.11.2024).