Структура и эффективные алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом центробежного нагнетателя газоперекачивающего агрегата
На правах рукописи
ВАСИЛЬЕВ Богдан Юрьевич СТРУКТУРА И ЭФФЕКТИВНЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАГНЕТАТЕЛЯ ГАЗОПЕРЕКАЧИВАЮЩЕГО АГРЕГАТА Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и си стемы
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ- 2013
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального об разования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор Козярук Анатолий Евтихиевич
Официальные оппоненты:
Ершов Михаил Сергеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Россий ский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина», кафедра теоретической электротехники и элек трификации нефтяной и газовой промышленности, заведующий кафедрой Курмашев Арон Даутханович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Санкт Петербургский государственный политехнический универси тет», кафедра систем и технологий управления, доцент Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им.
В.И. Ульянова».
Защита диссертации состоится 7 июня 2013 г. в 14 часов мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, д. 2, ауд. № 7212.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нацио нального минерально-сырьевого университета «Горный».
Автореферат разослан 29 апреля 2013 г.
УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ГАБОВ диссертационного совета Виктор Васильевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Российская Федерация в мировой си стеме оборота энергоресурсов занимает одно из ведущих и ключе вых мест, и особенно значимы позиции нашей страны на мировом рынке природного газа. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубопроводного транспорта природного газа целесообразно путем обоснования эффективности (технической, экономической и эколо гической) использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов (ЭГПА), разработки и внедрения частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов (ГПА), с использованием релейно-импульсных табличных алгоритмов управления.
Главной целью энергетической политики Российской Федера ции является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и всего потенциала энергетического секто ра для устойчивого роста экономики и качества жизни населения страны и содействия укреплению ее внешнеэкономических позиций.
Важнейшими направлениями развития газотранспортной системы (ГТС) является повышение ее энерго- и ресурсосбережения, надеж ности, безопасности и экологичности. Для этого в «Энергетической стратегии России до 2030 года» и основных программных докумен тах ОАО «Газпром», которые определяют вектор развития ГТС, вы делены следующие основные направления: реконструкция га зотранспортных объектов и системная организация технологических режимов работы магистральных газопроводов;
сокращение потерь газа;
внедрение автоматизированных систем управления и телеме ханики;
улучшение технического состояния ГПА;
расширение ис пользования регулируемых ЭГПА.
Большое внимание повышению энерго- и ресурсосбережения, надежности, безопасности и экологичности трубопроводного транс порта природного газа, за счет использования электротехнических комплексов на основе частотно-регулируемых электроприводов, в разные годы уделяли такие известные отечественные ученые как:
Демирчян К.С., Жежеленко И.В., Микитченко А.Я., Шидловский А.К., Чаплыгин Е.Е., Рудаков В.В., Браславский И.Я., Шрейнер Р.Т., Ершов М.С., Козаченко А.Н., Пронин М.В., Абрамович Б.Н., Ефи мов А.А., Емельянов А.П., Крюков О.В., Будзуляк Б.В. и др. Интерес к разработке и использованию ЭГПА проявляют различные электро технические, газодобывающие и транспортирующие компании ми ра: ОАО «Газпром», Statoil, ABB, Siemens, MAN и др.
Несмотря на уже накопленный в мировой практике опыт разра ботки и строительства компрессорных станций (КС) не до конца решен ряд вопросов с выбором типа привода центробежных нагне тателей (ЦН) ГПА и обоснованием его эффективности. В настоящее время продолжается поиск, направленный на разработку методик рационального выбора типа привода ГПА с учетом всех факторов эффективной, надежной, безопасной и экологичной работы ГТС.
Так, сегодня, на КС в Российской Федерации, доминирующее поло жение занимает газотурбинный привод (ГТ) ГПА, доля которого около 86%, с износом в среднем 20-25 лет, по отдельным агрегатам 40 лет. Это обстоятельство приводит к сжиганию природного газа в качестве топлива ГПА от 11 до 15 % всего транспортируемого газа, а транспортная составляющая в его стоимости достигает 52%. Эти обстоятельства делают российский природный газ менее конкурен тоспособным на мировом рынке энергоресурсов.
Другим актуальным вопросом создания ГПА на основе высоко вольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН является разработка рациональной структуры электропривода и алгоритмов управления полупроводниковыми ключами преобразователей часто ты и режимами работы электродвигателей с улучшенной электро магнитной и электромеханической совместимостью.
Указанные актуальные вопросы по разработке ЭГПА и их раци ональному использованию определили содержание настоящей рабо ты.
Цель работы. Повышение энерго- и ресурсосбережения трубо проводного транспорта природного газа путем обоснования эффек тивности (технической, экономической и экологической) использо вания ЭГПА и разработки частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА, с использованием предложенной структуры и алгоритмов управления электроприводами.
Для реализации поставленной цели были решены следующие основные задачи исследования:
1. Проведен анализ и дана оценка основных типов приводов ГПА с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбере жения, технико-экономических характеристик, надежности, без опасности и экологичности, и обоснована эффективность использо вания высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов ЦН ГПА.
2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора и управления режимами ра бот приводным асинхронным электродвигателем ГПА на основе ре лейно-импульсных табличных алгоритмов управления (ТАУ).
3. Предложена мультиструктурная система управления техноло гическими режимами работы ЭГПА на базе разработанных алгорит мов управления электроприводом.
4. Построена математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный элек тродвигатель – центробежный нагнетатель – магистральный газо провод» с возможностью исследования характеристик электропри вода.
5. Исследованы энергетические, регулировочные и электромаг нитные характеристики частотно-регулируемого электропривода в различных технологических режимах работы ГПА и обоснована эф фективность применения разработанных алгоритмов управления.
Идея работы. Обеспечение энерго- и ресурсосбережения, по вышение технико-экономических характеристик, надежности, без опасности и экологичности транспортировки природного газа по магистральным газопроводам при переменной газоподаче и газопо треблении, целесообразно производить с использованием частотно регулируемых электроприводов ЦН ГПА c релейно-импульсными ТАУ режимами работы электродвигателей и преобразователями ча стоты, что позволит улучшить энергетические показатели электро приводов.
Методы исследований. Для решения поставленных задач ис пользовались методы теории электропривода, методы теории авто матического управления сложной электромеханической системой.
Математическое имитационное моделирование, расчеты и анализ полученных результатов проводились с использованием пакета при кладных программ MatLab. Экспериментальные исследования про водились на лабораторном макете частотно-регулируемого электро привода.
Научная новизна:
1. Разработана математическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный элек тродвигатель – центробежный нагнетатель – магистральный газо провод».
2. Установлены зависимости изменения электромагнитной и электромеханической совместимости электропривода от динамиче ских нагрузок и производительности ЭГПА в различных технологи ческих режимах работы, позволяющие обосновать необходимый алгоритм системы управления ЭГПА, обеспечивающий энергетиче ски эффективный режим работы агрегата.
Защищаемые научные положения:
1. Применение частотно-регулируемых электроприводов цен тробежных нагнетателей газоперекачивающих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных электродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико-экономических показателей электропривод ных газоперекачивающих агрегатов, а также безопасности и эколо гичности компрессорных станций.
2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханической совместимости в электротехнических комплексах газоперекачиваю щих агрегатов целесообразно использование релейно-импульсных табличных алгоритмов управления трехуровневыми преобразовате лями частоты, состоящими из активных выпрямителей и автоном ных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэффициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение коэффициентов несинусоидальных искаже ний формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронно го электродвигателя ниже 5 %.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссер тации, основывается на сходимости результатов математического моделирования, а также экспериментальных исследований частотно регулируемого электропривода с релейно-импульсными табличны ми алгоритмами управления не менее 95%.
Практическая ценность работы:
1. Проведена оценка эффективности расхода топливно энергетических ресурсов на компрессорных станциях при использо вании ГПА с газотурбинным и электрическим приводом, проведена технико-экономическая оценка различных типов электроприводов, рассмотрены экологические особенности использования газотур бинного и электрического приводов ГПА.
2. Разработан алгоритм формирования управляющих сигналов силовыми полупроводниковыми ключами трехуровневого преобра зователя частоты, состоящего из активного выпрямителя и автоном ного инвертора, и алгоритм управления режимами работы асин хронного электродвигателя ГПА на основе релейно-импульсных ТАУ, обеспечивающих электромагнитную и электромеханическую совместимость ЭГПА.
3. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2467462 «Трехфазный активный выпрямитель».
4. Получен патент на изобретение Российской Федерации №2476982 «Способ управления электромагнитным моментом асин хронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором».
Внедрение разработанных алгоритмов управления ЭГПА осу ществлено в ЗАО «РЭП Холдинг» и ОАО «Газпром автоматизация».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на следующих конференциях: всероссийской конференции «Проведение научных исследований в области энергетики и энергосбережения» в 2011 го ду в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В.И.Ульянова (Ленина)» (СПбГЭТУ);
на всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ «Эврика 2011» в Южно-Российском государственном техническом универси тете (НПИ);
международной пятнадцатой научно-технической кон ференции «Электроприводы переменного тока» в 2012 году в Уральском федеральном университете имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»;
на XIV международной конференции «Элек тромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» в 2012 году (Национальный исследовательский уни верситет «МЭИ»);
на VII Международной конференции по автома тизированному электроприводу в 2012 году в Ивановском государ ственном энергетическом университете имени В.И.Ленина;
а также, на следующих выставках: на форуме-выставке «Нефть Газ Про мышленность» в 2012 в г.Москва;
64-ой международной выставке Ideas – Inventions - New Products (IENA-2012) в г. Нюрнберг (Герма ния);
на X Международном энергетическом форуме – выставке «ТЭК России в XXI веке» в 2012 году в г.Москве;
на XV Междуна родном салоне изобретений и инновационных технологий «Архи мед» в 2012 году в г.Москва. Также в диссертации представлены результаты научно-исследовательской работы, выполняемой в рам ках государственного контракта № 14.740.11.1290 от 17 июня года, на тему «Энергоэффективность и энергосбережение объектов магистрального газопровода», выполняемой в 2011-2012 годах, на кафедре электротехники, электроэнергетики, электромеханики Национального минерально-сырьевого университета «Горный» (научный руководитель работы Васильев Б.Ю.).
Личный вклад автора. Обоснована эффективность использо вания ЭГПА на КС в части обеспечения энерго- и ресурсосбереже ния, экономической эффективности и экологической и промышлен ной безопасности. Разработаны структура и алгоритмы управления частотно-регулируемым электроприводом ГПА. Разработана мате матическая модель системы «питающая сеть электроснабжения – преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – цен тробежный нагнетатель – магистральный газопровод» с возможно стью исследования характеристик электропривода с различными алгоритмами управления. Произведены лабораторные исследования на стендовом макете асинхронного частотно-регулируемого элек тропривода.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 11 печатных работах, в том числе в 7 научных изданиях, включен ных в «Перечень ВАК…» и двух патентах РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 192 страницах, содержит рисунка, 24 таблицы, список литературы из 98 наименований.
Во введении обоснована актуальность темы работы, сформули рована идея работы, на основании которой определены цель и ос новные задачи исследования, а также научная новизна и практиче ская ценность результатов работы.
В главе 1 проведен краткий анализ состояния газотранспортной системы Российской Федерации. Приведены основные типы приво дов газоперекачивающих агрегатов. Приведены специфические тех нические требования, предъявляемые к электроприводу газоперека чивающих агрегатов, и основные современные технические реше ния. Обоснована эффективность использования электроприводных газоперекачивающих агрегатов с различных точек зрения, а именно, энерго- и ресурсосбережения, технико-экономической эффективно сти, надежности, промышленной и экологической безопасности.
В главе 2 обоснованы энергоэффективные режимы работ ос новных элементов агрегата, а именно, центробежного нагнетателя, электродвигателя, преобразователя частоты. Разработана рацио нальная структура газоперекачивающего агрегата, состоящая из вы сокооборотного асинхронного электродвигателя и трехуровневого активного выпрямителя и автономного инвертора.
В главе 3 рассмотрены скалярные и векторные алгоритмы управления электродвигателем и векторный алгоритм управления активным выпрямителем преобразователя частоты. Даны их основ ные преимущества и недостатки. Разработана мультиструктурная система управления на основе релейно-импульсных ТАУ преобразо вателем частоты и режимами работы приводным электродвигателем ГПА.
В главе 4 представлена имитационная математическая модель разработанного ЭГПА и результаты моделирования. Приведены описание макета электропривода частотно-регулируемого электро привода и результаты экспериментальных исследований.
Заключение отражает обобщенные выводы по результатам ис следований в соответствии с целью и решенными задачами.
ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ 1. Применение высоковольтных частотно-регулируемых электроприводов центробежных нагнетателей газоперекачива ющих агрегатов на основе высокооборотных асинхронных элек тродвигателей обеспечивает энерго-, ресурсосбережение, а именно, снижение расхода топливно-энергетических ресурсов компрессорных станций, повышения надежности и технико экономических показателей электроприводных газоперекачи вающих агрегатов, а также безопасности и экологичности ком прессорных станций.
Поскольку в диссертационной работе ставилась задача обосно вания эффективности использования ЭГПА, в части расхода топ ливно-энергетических ресурсов (ТЭР), то этот вопрос был рассмот рен на примере двух КС: ОАО «Газпром» (КС «Портовая») в г. Вы борг;
Statoil ASA в г.Берген (Норвегия). Сравнительная оценка тех нических характеристик станций приведена в таблице 1.
Анализ таблицы 1 показывает превосходство ЭГПА по всем техническим характеристикам. Так, электропривод обладает более высоким КПД и более широким диапазоном регулирования частоты вращения, чем ГТ привод. При использовании электропривода нет необходимости содержать маслохозяйство для агрегатов, что обес печивает высокую надежность и экологическую безопасность.
Результаты расчета показателей эффективности расхода ТЭР представлены в таблице 2. Расчетный период показателей эффек тивности один год. По результатам расчета показателей эффектив ности видно, что КПД агрегатов с электроприводом выше, чем у аг регатов с ГТ приводом более чем в два раза. Удельный расход ТЭР компрессорной станций с ЭГПА 2,56 кгу.т./кВтч, что на 42% меньше, по сравнению со станцией с ГТ приводом ГПА, аналогич ный показатель которой равен 4,39 кгу.т./кВтч. Удельный показа тель эффективности расхода ТЭР на КС с ГТГПА (57,9) превышает аналогичный показатель электроприводной КС (43,8) на 24%. Это свидетельствует о высокой энергетической эффективности ЭГПА.
При использовании ЭГПА на КС «Портовая», экономия энергоре сурсов составит около 1,83 кгу.т./кВтч. Эта экономия, прежде всего, выражается в сбережении 1012% от всего транспортируемо го через КС природного газа, который используется в качестве топ лива ГТ привода. Если принять, что стоимость российского природ ного газа в Германии в 2013 составит 300 долл./тыс.м3, то при реали зации высвобожденных 0,8 млрд.м3 возможная выручка может со ставить примерно 240 млн.долл. в год.
Основными источниками угроз экологической безопасности яв ляются ГТГПА и технологические процессы, связанные с их эксплу атацией. Выбросы продуктов сгорания и природного газа, безвоз вратные потери масла из систем маслосмазки и маслоуплотнений, шум, вибрация, тепловые выбросы и другие факторы приводят к негативному воздействию на окружающую среду и человека. В таб лице 3 приведен состав продуктов сгорания агрегатов мощностью 24-60 МВт.
Анализ данных таблицы 3 показывает, что при низком КПД (около 40%) на выходе ГТ температура выхлопа выше 600 К, при чем, эта тепловая энергия образуется как побочный продукт и никак не используется. ГТ установки Rolls-Royce Trend 60 производят мг/м3 оксида азота, при предельно допустимом 51,25 мг/м3. На станции в г.Бергене выбор в пользу ЭГПА был сделан, исходя из экологического аспекта транспортировки природного газа.
Сделанные в диссертационной работе технико-экономические расчеты показывают, что дополнительные затраты на применение частотно-регулируемого электропривода ГПА составят 24млн.руб.
по отношению к нерегулируемому. Однако, ежегодное потребление электроэнергии ЭГПА снижается на 32 850тыс. кВтчас и текущие затраты снижаются на 27млн.руб. Чистый дисконтированный доход за 10 лет составит 58,55млн.руб., при этом срок окупаемости меньше года. Таким образом, внедрение частотно-регулируемого ЭГПА яв ляется экономически целесообразным.
К основным районам Российской Федерации, в которых наибо лее целесообразно использование ЭГПА, относятся территории, по которым проходят магистральные газопроводы Южный и Северный поток. Также к числу таких регионов можно отнести, например, Красноярский центр газодобычи.
На сегодняшний день основной акцент в развитии газовой от расли делается на освоение шельфовых месторождений природного газа северных морей и разработку технических средств подводного обустройства этих месторождений. Использование электропривод ных подводных перекачивающих комплексов позволяет обеспечить транспортировку природного газа без использования транспортных судов и минимизирует влияние на экосистему. Также, обеспечивает высокий уровень ресурсосбережения и энергоэффективности про цесса освоения месторождений природного газа, за счет экономии топливно-энергетических ресурсов транспортных судов, добываю щих платформ и других традиционных технических средств освое ния морских месторождений. Электроприводной подводный перека чивающий комплекс построен по принципу интеграции различных компонентов в едином корпусе. Так, в подводном перекачивающем комплексе объединена совокупность технических средств (автоном ного инвертора, электродвигателя, центробежного нагнетателя, мик ропроцессорных систем связи и диагностики) в едином герметичном корпусе. Структура подводного перекачивающего комплекса пред ставлена на рисунке 1 (подана заявка на патент на изобретение Рос сийской Федерации №2012100910 «Подводный газоперекачиваю щий агрегат для многониточного трубопровода» и получено поло жительное решение о выдаче патента от 2013.01.09.
2. Для обеспечения электромагнитной и электромеханиче ской совместимости в электротехнических комплексах газопе рекачивающих агрегатов целесообразно использование релейно импульсных табличных алгоритмов управления трехуровневы ми преобразователями частоты, состоящими из активных вы прямителей и автономных инверторов, и режимами работы приводного электродвигателя, что обеспечит повышение коэф фициента мощности электропривода до 0,92-0,97 и снижение ко эффициентов несинусоидальных искажений формы тока сети электроснабжения и тока статора асинхронного электродвига теля ниже 5 %.
Для эффективного управления трехуровневым преобразовате лем частоты и режимами работы приводного асинхронного электро двигателя ЭГПА, и обеспечения электромагнитной и электромеха нической совместимости, наиболее целесообразно использование алгоритма с разрывным управлением и скользящими режимами – релейно-импульсного табличного алгоритма управления. Основные преимущества заключаются в простоте, надежности и инвариантно сти управления к внешним и параметрическим возмущениям, за счет отсутствия в системе преобразователей координат, регуляторов со ставляющих тока статора электродвигателя и специальных аппарат ных и программных средств обеспечения широтно-импульсной мо дуляции выходного напряжения преобразователя частоты. Главные особенности релейно-импульсного ТАУ заключаются в том, что в системе управления режимами работы электродвигателя и активным выпрямителем используются релейные регуляторы, которые обеспе чивают высокое быстродействие системы, а модуляционное управ ление ключами полупроводникового преобразователя частоты осу ществляется по таблице переключений. Схема мультиструктурной системы управления ЭГПА на базе асинхронного электродвигателя представлена на рисунке 2.
Годограф результирующего напряжения на выходе автономного инвертора представлен на рисунке 3. Результирующий вектор напряжения автономного инвертора имеет двенадцать устойчивых положений UI1 – UI12. Выбор того или иного положения результиру ющего вектора напряжения автономного инвертора, а, следователь но, и комбинации включения силовых полупроводниковых ключей, осуществляется по таблице переключений.
Номера строк таб РЧВ РМ лицы переключений (Ns, зад М М* dМ определяются s=1-6) комбинацией выходных М ТАУ значений релейных ре- Р d АИ гуляторов электромаг- зад нитного момента и по токосцепления статора, Nc которые входят в состав Рисунок 4 Блок регуляторов системы блока регуляторов, управления автономным инвертором представленного на ри сунке 4.
Непрерывный ПИ – регулятор частоты вращения (РЧВ) внешне го контура, который сравнивает заданную (зад) и расчетную частоту вращения (), формирует задание для внутреннего контура регули рования электромагнитного момента (М*). Внутренние контуры со держат релейные регуляторы электромагнитного момента (РМ) и потокосцепления статора (Р), выходные значения которых опреде ляются уравнениями:
1, при dt 1, при М dt 0 dМ d ;
(1), (2) 0, при М dt 0 1, при dt где dМ, d - выходные значения регуляторов электромагнитного момента и потокосцепления статора, соответственно;
М / dt, / dt скорость изменения рассогласований по электромагнитному момен ту и потокосцепления статора, соответственно.
Номера столбцов определяются номером сектора (Nс, с=1-12), в котором в текущий момент времени находится вектор потокосцеп ления статора. Для этого фазовую плоскость в координатах (-) условно разбивают на двенадцать секторов, как показано на рисун ке 3:
если 23 12 s 12, то N c 1;
если 11 12 s 13 12, то N c 7 ;
если 12 s 4, то N c 2 ;
если 13 12 s 15 12, то N c 8 ;
если 4 s 5 12, то N c 3 ;
если 15 12 s 17 12, то N c 9 ;
если 5 12 s 7 12, то N c 4 ;
если 17 12 s 19 12, то N c 10 ;
если 7 12 s 9 12, то N c 5 ;
если 19 12 s 21 12, то N c 11 ;
если 9 12 s 11 12, то N c 6 ;
если 21 12 s 23 12, то N c 12.
Таким образом, в зависимости от комбинации выходных значе ний релейных регуляторов и угла положения вектора потокосцепле ния статора s по таблице переключений выбирается результирую щий вектор напряжения таким образом, чтобы обеспечить макси мальное значение электромагнитного момента электродвигателя. В таблице 4 указаны условия выбора результирующего вектора напряжения автономного инвертора. Релейно-импульсный ТАУ ре жимами работы электродвигателей защищен патентом на изобрете ние Российской Федерации №2476982 от 01.08.2011 «Способ управ ления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором».
Для обеспечения электромагнитной совместимости целесооб разно использовать активный выпрямитель с системой управления на основе релейно-импульсного ТАУ, унифицированной с системой управления режимами работы электродвигателем.
На рисунке 5 показан годограф вектора напряжения сети элек троснабжения при питании от нее трехуровневого активного выпря мителя. Как при управлении автономным инвертором, так и при управлении ключами трехуровневого активного выпрямителя с це лью унификации алгоритмов управления и повышения надежности системы управления, выбраны комбинации ключей, которые обра зуют вектора UR1, UR2, …, UR12.
Во внешнем контуре регулирования выпрямленного напряжения сети установлен ПИ – регулятор, который формирует уставку на внутренний контур регулирования активной составляющей тока, потребляемого приводом из сети электроснабжения. Во внутренних контурах установлены регуляторы следующих типов: активной со ставляющей тока - двухпозиционный релейный регулятор;
реактив ной составляющей тока - трехпозиционный релейный регулятор.
Структура блока регуляторов системы управления активным вы прямителем аналогична структуре блока представленного на рисун ке 4. Комбинация выходных значений релейных регуляторов опре деляет номера строк таблицы переключений (Ks).
1, при I gq dt 1, при I gd dt 0,, dI gd dI gq (3) (4) 0, при I gd dt 0 1, при I dt gq где выходные значения регуляторов составляющих тока dI gd, dI gq сети электроснабжения, соответственно;
I gd / dt, I gq / dt - скорость из менения рассогласований по составляющим тока сети электроснаб жения, соответственно.
На рисунке 6-8 представлены общая схема имитационной мате матической модели разработанного ЭГПА и примеры схем блоков системы управления режимами работы электродвигателя, реализо ванные в MatLab, а именно, наблюдателя координат и определителя столбца таблицы переключений. Параметры моделируемого элек тродвигателя приведены в таблице 6. Система управления активным выпрямителем унифицирована и имеет аналогичную структуру. Для подтверждения адекватности имитационных математических моде лей реальным электроприводам были проведены опыты на стендо вом макете частотно-регулируемого электропривода. Данные, полу ченные на стендовом макете, совпадают с соответствующими значе ниями для имитационной модели, что позволяет сделать вывод об удовлетворительной сходимости результатов, а, следовательно, об адекватности математической модели реальному объекту.
На рисунке 9 приведены осциллограммы частоты вращения и электромагнитного момента при пуске ЭГПА с релейно импульсным ТАУ режимами работы асинхронного электродвигате ля. Время пуска составляет 30 с. Анализ осциллограмм показывает, что перерегулирование по частоте вращения составляет 1,5%. Дина мическая ошибка в процессе регулирования практически отсутству ет, статическая – равна нулю. Амплитуда пульсаций электромагнит ного момента в установившемся режиме составляет около 1400 Нм.
Коэффициент несинусоидальных искажений тока за счет использо вания релейно-импульсного ТАУ равен 1,2%, что обеспечивает бо лее высокий уровень электромагнитной и электромеханической совместимости преобразователя частоты и приводного электродви гателя.
На рисунке 10а приведена осциллограмма потребляемой разра ботанным электроприводом мощности. На рисунке 10б осцилло граммы потребляемой электроприводом мощности, в состав силовой части которого входит неуправляемый двенадцатипульсный выпря митель. На рисунке 11а. приведена осциллограмма напряжения и тока сети электроснабжения разработанного электропривода при работе в установившемся режиме. На рисунке 11б приведен спек тральный состав тока сети электроснабжения. На рисунке 11в и ри сунке 11г приведены аналогичные осциллограммы альтернативного варианта ЭГПА.
Разработанный электропривод с релейно-импульсным ТАУ ак тивным выпрямителем обеспечивает значительное снижение коэф фициента несинусоидальных искажений формы тока в сети электро снабжения, который равен 1,27%. Все гармоники не превышают 1,7%, практически полностью подавляются 5 и 7 гармоника. При использовании двенадцатипульсного выпрямителя коэффициент несинусоидальных искажений равен 6,7, что в 5,27 раза больше, и превышает предельно допустимый уровень, установленный в ГОСТ 13109-97, в 5% для сетей в 6-20 кВ.
За счет использования активного выпрямителя в составе преоб разователя частоты, обеспечивается синфазность тока и напряжения сети электроснабжения. Коэффициент мощности разработанного электропривода составляет около (0,92 - 0,97), против 0,76-0,8 у аль тернативного варианта. За счет высокого коэффициента мощности действующее значение тока разработанного электропривода (I1450A) меньше, чем у электропривода с двенадцатипульсным выпрямителем (I1600A), на 11%, а полная мощность S, потребляе мая электроприводом, равна активной мощности P.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диссертация является законченной научно-квалификационной работой, в которой содержится научно-обоснованное решение акту альной научно-технической задачи обоснования эффективности ис пользования ЭГПА и создания перспективных структуры и алгорит мов управления электроприводов ГПА с обеспечением электромаг нитной и электромеханической совместимости.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Обоснована эффективность использования ЭГПА на КС в ча сти обеспечения энерго- и ресурсосбережения, повышения технико экономических характеристик, надежности, безопасности и эколо гичности. Показано, что удельный расход ТЭР компрессорной стан ции с ЭГПА равен 2,56 кгу.т./кВтч, что на 42% меньше, по срав нению со станцией с ГТ приводом ГПА. Удельный показатель эф фективности расхода ТЭР на станции с ГТ приводом ГПА (57,9) превышает аналогичный показатель электроприводной (43,8) на 24%. Это свидетельствует о высокой энергетической эффективности ЭГПА. Рассмотрены перспективные районы применения ЭГПА, как на континентальных магистральных газопроводах, так и на подвод ных, для транспортировки природного газ с шельфовых месторож дений и предложена структура подводного ЭГПА.
2. Предложена структура электроприводного газоперекачиваю щего агрегата на базе асинхронного электродвигателя и преобразо вателя частоты, в состав которого входит трехуровневый автоном ный инвертор и активный выпрямитель, которая обеспечивает элек тромагнитную совместимость, что позволяет работать с коэффици ентом мощности, близким к единице, и минимальным коэффициен том несинусоидальных искажений тока в сети электроснабжения, и электромеханическую совместимость, которая заключается в сни жении коэффициента несинусоидальных искажений формы тока статора электродвигателя и колебаний электромагнитного момента.
3. Для эффективного управления режимами работы приводного асинхронного электродвигателя ЭГПА и трехуровневым преобразо вателем частоты и обеспечения электромагнитной и электромехани ческой совместимости разработаны и обоснованы алгоритмы с раз рывным управлением и скользящими режимами (табличные алго ритмы управления).
4. При использовании разработанного электропривода с релей но-импульсными ТАУ обеспечиваются высокая точность управле ния частотой вращения, снижение пульсаций электромагнитного момента, низкие коэффициенты несинусоидальных искажений тока сети электроснабжения и тока статора электродвигателя и работу электропривода с коэффициентом мощности в пределах 0,92 - 0,97.
5. Исследования разработанного электропривода ГПА на имита ционной математической модели и испытательном стенде, включа ющем преобразователь частоты и асинхронный электродвигатель, показали удовлетворительное совпадение результатов исследований.
6. Выработаны рекомендации по обоснованию эффективности использования ЭГПА, структуре и алгоритмам управления режима ми работ электроприводов ГПА.
7. По результатам исследований был получен патент Российской Федерации «Трехфазный активный выпрямитель» №2467462 и «Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором» №2476982. Также поданы заявки на патенты Российской Федерации: «Подводный га зоперекачивающий агрегат для многониточного трубопровода» № 2012100910 (решение о выдаче патента от 09.01.2013);
«Высокоди намичный бездатчиковый асинхронный электропривод с непосред ственным управлением моментом» № 2012131807 (приоритетная справка от 24.07.2012);
«Электроприводная перекачивающая стан ция на морской платформе» № 2012123034 (приоритетная справка от 04.06.2012);
«Энергосберегающая система управления асинхрон ным электроприводом» № 2012125705 (приоритетная справка от 19.06.2012).
Основное содержание диссертации опубликовано в следую щих наиболее значимых работах:
1. Козярук А.Е. Структура, состав и алгоритмы управления вы сокоэффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов / А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев // Электротехника, 2013, №2. С. 43-51.
2. Емельянов А.П. Алгоритмы и технические средства управле ния автоматизированным электроприводом турбомеханизмов / А.П.
Емельянов, Б.Ю.Васильев // Вестник ИГЭУ, 2013, № 1. С.92-95.
3. Васильев Б.Ю. Мехатронные перекачивающие комплексы на основе регулируемых электроприводов для подводного компреми рования и транспортировки природного газа / Мехатроника, автома тизация, управление. 2013, №3. С.55-60.
4. Козярук А.Е. Алгоритмы управления энергоэффективным вы сокооборотным электроприводом газоперекачивающего агрегата / А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев // Известия ВУЗов. Электромеханика.
2012, №3. С. 40-44.
5. Васильев Б.Ю. Исследование эффективности современных электроприводных газоперекачивающих агрегатов / Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2012, №4. С. 104-110. URL:
http://www.ogbus.ru/authors/Vasiliev/Vasiliev_1.pdf.
6. Васильев Б.Ю. Повышение эффективности алгоритмов управления электроприводами методами нечеткой логики / Научно технические ведомости СПбГПУ. 2012, №3-2(154). С. 229 - 233.
7. Алексеев В.В.Определение параметров векторов потокосцеп ления в электроприводах с векторным управлением / В.В. Алексеев, В.И. Вершинин, Б.Ю.Васильев //Записки Горного института. 2012, №196. С.222 - 225.
8. Емельянов А.П. Алгоритмы и технические средства управле ния автоматизированным электроприводом турбомеханизмов / А.П.
Емельянов, Б.Ю.Васильев // Труды VII Международной (VIII Все российской) научно-технической конференции по автоматизирован ному электроприводу: ФГБОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И.Ленина».-Иваново,2012. С.624 – 628.
9. Васильев Б.Ю. Актуальность и перспективы использования высоковольтных электроприводов газоперекачивающих агрегатов / Б.Ю.Васильев, А.Е.Козярук // Электроприводы переменного тока:
Труды международной четырнадцатой научно-технической конфе ренции. Екатеринбург: ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Прези дента России Б.Н.Ельцина». - Екатеринбург, 2012. - С.7-11.
10. Пат. РФ. №2467462. Трехфазный активный выпрямитель.
Патент на изобретение/А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев, А.О.Свириденко - 2011133095/07 заявл. 05.08.2011;
опубл. 20.11.2012.
11. Пат. РФ. 2476982. Способ управления электромагнитным моментом асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ро тором / А.Е.Козярук, Б.Ю.Васильев - 2011132450/07 заявл.
01.08.2011;
опубл. 27.02.2013.
Таблица 1 Сравнение технических характеристик ГПА и КС Таблица 3 Удельные выбросы загрязняющих веществ Наименование параметра ЭГПА ГТ ГПА Elliot Energy Hitachi MAN Siemens Rolls-Royce Тип провода электрический газотурбинный PG PG PG FT SGT Trend RB 6541B 6561B 6561B 8 - 60 ABB Trent 60 (RB Мощность, MВт 38,3 39,6 39,6 25,4 56 211) КПД, % 31,4 31,9 31,9 37 36, Количество/единичная мощность, 6/60 6/56 (2/26) Темп. на вых. ГУ, К 539 532 532 457 627 шт./МВт Эмиссия NOx,мг/м3 169 171 171 113 262 Суммарная установленная мощ- 360 Мощ. выброса, г/с 5,201 5,293 5,293 2,92 3, 6,520 3, ность, МВт Таблица 4 Таблица переключений автономного инвертора КПД привода ГПА, % 97 dМ d I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Диапазон регулирования 50-105 65- 1 UI3 UI5 UI5 UI7 UI7 UI9 UI9 UI11 UI11 UI1 UI1 UI Наличие специального маслохо- отсутст. есть 1 0 UI2 UI4 UI4 UI6 UI6 UI8 UI8 UI10 UI10 UI12 UI12 UI зяйства для ГПА -1 UI11 UI11 UI1 UI1 UI3 UI3 UI5 UI5 UI7 UI7 UI9 UI Выбросы вредных веществ, кг/ч отсутст. 1 UI5 UI7 UI7 UI9 UI9 UI11 UI11 UI1 UI1 UI3 UI3 UI Место использования г.Берген г.Выборг 0 0 UI12 UI12 U2 UI2 UI4 UI4 UI6 UI6 UI8 UI8 UI10 UI (Норвегия) (Россия) -1 UI9 UI9 UI11 UI11 UI1 UI1 UI3 UI3 UI5 UI5 UI7 UI Таблица 2 Сравнение показателей эффективности ГПА и КС Таблица 5 Таблица переключений активного выпрямителя Показатель эффективности ЭГПА ГТ ГПА dIgd dIgq I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Газоперекачивающих агрегатов 1 UR3 UR5 UR5 UR7 UR7 UR9 UR9 UR11 UR11 UR1 UR1 UR КПД ГПА, % 83 1 0 UR2 UR4 UR4 UR6 UR6 UR8 UR8 UR10 UR10 UR12 UR12 UR Удельный расход ТЭР ГПА 1,2 кВтч/ 0,3 м3/кВтч -1 UR11 UR11 UR1 UR1 UR3 UR3 UR5 UR5 UR7 UR7 UR9 UR кВтч 1 UR5 UR7 UR7 UR9 UR9 UR11 UR11 UR1 UR1 UR3 UR3 UR Показатель локальной энергоэффективности КС 0 0 UR12 UR12 UR2 UR2 UR4 UR4 UR6 UR6 UR8 UR8 UR10 UR Удельный расход ТЭР КС, 2,56 4, -1 UR9 UR9 UR11 UR11 UR1 UR1 UR3 UR3 UR5 UR5 UR7 UR кгу.т./кВтч Таблица 6 Параметры двигателя Показатель системной энергоэффективности КС Наименование параметра Ед.изм. Значение Удельный показатель расхода ТЭР 43,8 57, Мощность двигателя кВт КС, кгу.т./млн. м3км Частота вращения ротора (частота тока) об/мин (Гц) 8200 (137) Напряжение В Ток в фазе А Коэффициент мощности - 0, КПД двигателя - 0, Момент кНм 7. Система управления электроприводным газоперекачивающим агрегатом Подсистема регулирования давления ЗД ВЧВ РД ВН Подсистема Подсистема регулирования регулирования частоты вращения напряжения Uзад зад Вычислитель Вычислитель РН РТ1 РМ РЧВ ТАУАИ ТАУАВ зад Igqзад Р РТ УИ УИ АВ АИ АД ЦН Ig Ug U I Р ДР U Рисунок 1 Структура подводного перекачивающего комплекса: Рисунок 2 Схема мультиструктурной системы управления ЭГПА технические средства регулирования, управления и связи (1);
на базе асинхронного электродвигателя:
герметичный корпус (2);
электродвигатель (3);
газодинамические РН – регулятор напряжения;
РТ 1 (2) - регулятор тока 1 (2);
РЧВ – регулятор частоты враще уплотнения (4,5);
магнитные подшипники (6,7 и 11);
вал (8);
ния;
РМ – регулятор момента;
Р – регулятор потокосцепления статора;
ТАУ – табличный патрубки трубопровода;
(9)центробежные нагнетатели (10). алгоритм управления;
ДР – дроссель;
АВ – активный выпрямитель;
АИ – автономный инвер тор;
АД - асинхронный двигатель;
ЦН – центробежный нагнетатель;
УИ – управляющие им пульсы;
ЗД – задатчик давления;
РД – регулятор давления;
ВЧВ – вычислитель частоты вра щения;
ВН – вычислитель напряжения.