Размещено на http://www.allbest.ru/

на тему:

" Система управления синхронным компенсатором"

Целью дипломного проекта является разработка регулятора синхронного компенсатора (СК). Решены задачи выбора математической модели. Проведено исследование имитационной модели. Предлагаются возможные решения по структурному построению системы и разработке программных реализаций.

Во введении рассмотрены вопросы важности и необходимости решения задач такого класса.

В первом разделе приведена общая постановка задачи.

Во втором разделе дипломной работы рассмотрен СК как объект управления.

Третий раздел посвящен построению структуры системы управления СК.

Четвертый раздел посвящен исследованию имитационной модели системы управления СК в среде Simulink.

В пятом разделе дипломной работы приведено создание интерфейса программным путем в среде Matlab .

В шестом разделе осуществлен выбор технических средств для реализации СУ СК.

Также были рассмотрены экономические аспекты, аспекты безопасности жизнедеятельности и социальной значимости.

Оглавление

• ВВЕДЕНИЕ
• 1. Способы компенсации реактивной мощности в электрических сетях
• 1.1 Реактивная мощность
• 1.2 Потребители реактивной мощности.
• 1.3 Компенсация реактивной мощности в электрических сетях
• 1.4 Батареи статических конденсаторов
• 1.5 Синхронные компенсаторы
• 2. Cинхронный компенсатор как объект управления
• 2.1 Структурная схема системы управления синхронным компенсатором
• 2.2 Теоретические основы регулирования СК
• 3. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов
• 3.1 Регулятор знакопеременного возбуждения.
• 3.2 Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой ротора.
• 4. Синтез системы управления СК
• 4.1 Построение математической модели СК
• 4.2 Построение структурной схемы СУ-q
• 5 Программирование интерфейса
• 5.1 Общие характеристики системы управления
• 5.2 Программирование интерфейса верхнего уровня
• 6. Выбор технических средств
• 6.1 Измерительные преобразователи системы
• 6.1.1 Трансформатор тока
• 6.1.2 Трансформатор напряжения
• 6.1.3 Датчики температуры
• 6.1.4 Датчики давления
• 6.1.5 Датчики расхода
• 6.1.6 Датчики вибрации
• 6.2 Регулятор каналов "q" и "d"
• 6.2.1 Модули автоматического регулирования FM 455С
• 6.2.2 Функциональный модуль FM 458-1 DP
• 6.2.3 Коммуникационный процессор СР 443-5
• 6.3 Функциональная схема регулятора "q" и "d " (регулятора)
• 7. Технико-экономическое обоснование работы
• 7.1 Актуальность разработки
• 7.2. Расчет затрат на этапе проектирования
• 7.3. Расчет себестоимости продукции
• 7.4. Исходные данные для расчета экономического эффекта
• 7.5 Расчет экономического эффекта от использования системы
• 7.6 Затраты на эксплуатацию системы
• 7.8. Определение цены разрабатываемой системы управления
• 8. Безопасность и экологичность проекта
• 8.1 Анализ условий труда в научно-исследовательской лаборатории
• 8.2 Расчет искусственного освещения
• 8.3 Безопасность при эксплуатации СК
• 8.4 Требования безопасности систем возбуждения
• 9. Социальная значимость работы
• ЗАКЛЮЧЕНИЕ
• Библиография
• ПРИЛОЖЕНИЕ 1
• ВВЕДЕНИЕ

Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электрической, и повышения экономичности работы электроустановок являются важной государственной проблемой.

Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определенными характеристиками, позволяющими судить о ее пригодности в различных производственных процессах. Совокупность таких характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качества электроэнергии.

В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, технологический процесс производства.

При решении задачи повышения качества электроэнергии выделяют экономические, математические и технические аспекты.

Экономические аспекты включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения. Математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчета показателей качества электроэнергии. Технические аспекты включают в себя разработку технических средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также организацию системы контроля и управления ее качеством [1].

Качество электроэнергии можно улучшить средствами питающей сети или применением соответствующего дополнительного оборудования на основе имеющегося опыта проектных и эксплуатационных организаций.

Часть решений, в основном обусловленных техническими требованиями, является общей и должна приниматься на основе имеющихся указаний. В других случаях учитывают специфику конкретных условий.

Стремление повысить производительность труда на современных промышленных предприятиях, а также интенсификация и усложнение технологических процессов обусловили то, что все большую долю в общем объеме суммарных нагрузок занимают резкопеременные и нелинейные нагрузки с повышенным потреблением реактивной мощности. Это, прежде всего, вентильные преобразователи, нашедшие широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности, а также мощные дуговые печи, сварочные установки и т. п. Характерной особенностью работы этих потребителей является влияние их на качество электроэнергии питающих сетей. В свою очередь нормальная работа электрооборудования зависит от качества электроэнергии питающей системы. Такое взаимное влияние электрооборудования и питающей системы определяют термином "электромагнитная совместимость".

Решение проблемы электромагнитной совместимости связано с определением и поддержанием оптимальных показателей качества электроэнергии, при которых выполняются технические требования с минимальными затратами. Проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью остро возникла в последнее время в связи с широким внедрением мощных вентильных преобразователей, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электрической энергии в питающих электрических сетях.

При разработке новых приемников электроэнергии необходимо учитывать то отрицательное влияние, которое они могут оказывать на питающую электрическую сеть. При оценке должны приниматься во внимание дополнительные устройства, предотвращающие ухудшение качества электрической энергии. Необходимые нормы качества электрической энергии могут быть достигнуты уже на стадии проектирования электроснабжения промышленных предприятий путем соответствующих расчетов и применения технических средств.

Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в сетях, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения.

Рациональная (оптимальная) компенсация реактивной мощности в промышленных электросетях включает в себя широкий комплекс вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок, улучшение качества потребляемой электроэнергии и включающих в себя методы выбора и расчета компенсирующих устройств, исходя из условий выполнения заданий энергосистемы; вопросы места установки компенсирующих устройств и их наивыгоднейшего размещения, рациональной и безопасной эксплуатации и защиты; ключевые вопросы автоматического регулирования реактивной мощности в промышленных электросетях, а также создания целенаправленного научного подхода к разработке и решению с минимумом погрешности адекватной математической модели задачи рациональной компенсации реактивной мощности.

Рациональная компенсация реактивной мощности приводит к снижению потерь мощности из-за перетоков реактивной мощности, обеспечению надлежащего качества потребляемой электроэнергии за счет регулирования и стабилизации уровня напряжений в электросетях, достижению высоких технико-экономических показателей работы электроустановок.

Проблема компенсации реактивной мощности в электрических системах страны имеет большое значение по следующим причинам:

в промышленном производстве наблюдается опережающий рост потребления реактивной мощности по сравнению с активной;

в городских электрических сетях возросло потребление реактивной мощности, обусловленное ростом бытовых нагрузок;

увеличивается потребление реактивной мощности в сельских электрических сетях.

Количественные и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. В настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. При этом передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.

Интенсификация производственных процессов, повышение производительности труда связаны с совершенствованием существующей и внедрением новой, передовой технологии. Этому процессу сопутствует широкое внедрение мощных вентильных преобразователей, электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.

Следует отметить, что практически все показатели качества электроэнергии по напряжению зависят от потребляемой, промышленными электроприемниками реактивной мощности. Поэтому вопросы качества электроэнергии невидимо рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности.

Проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью, которую в последнее время сравнивают с проблемой загрязнения окружающей среды, порождает новые научные и технические проблемы при проектировании и эксплуатации промышленных электрических сетей. В настоящее время принимаются меры для того, чтобы уменьшить влияние потребителей на качество электроэнергии в промышленных сетях. Проблема может быть решена путем создания и промышленного освоения быстродействующих многофункциональных средств компенсации реактивной мощности, улучшающих качество электроэнергии сразу по нескольким параметрам. Внедрение этих устройств приведет также к уменьшению потерь электроэнергии.

Экономное использование электроэнергии приобретает все большее значение, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации промышленных сетей высокого и низкого напряжения. Анализ потребления электрической энергии промышленными предприятиями показывает, что основными направлениями сокращения потерь электроэнергии в сетях являются компенсация реактивной мощности с одновременным улучшением качества потребляемой электрической энергии непосредственно в сетях промышленных предприятий, увеличение загрузки трансформаторов с целью достижения максимальной эффективности их использования, приближение трансформаторов к приемникам электроэнергии (глубокие вводы), сокращение ступеней трансформации и исключение дополнительного реакторного оборудования, сокращение потерь непосредственно в трансформаторах, внедрение более экономичного силового электрооборудования и источников света, оптимизация режимов работы электрооборудования, реконструкция и перевод сетей на повышенное напряжение, внедрение диспетчерского управления и автоматизированных систем управления электроснабжением и учетом электроэнергии.

Вопросы качества электроэнергии требуют тщательной разработки и изучения происходящих при этом явлений. Особые трудности связаны с отсутствием требуемых измерительных приборов в электрических сетях, а также сложностью и необходимостью изменения методов измерений. Это связано, в частности, с влиянием случайного характера изменений нагрузок, что, в свою очередь, требует применения статистических приборов и соответствующей обработки получаемой информации - использования вероятностно-статистических методов расчета [2].

1. Способы компенсации реактивной мощности в электрических сетях

1.1 Реактивная мощность

Появление термина «реактивная» мощность связана с необходимостью выделения в мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая обеспечивает вращающий момент. Эта составляющая имеет место при двигательном, то есть индуктивном характере нагрузки. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер. С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая - реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Действительно, для простейшей схемы, приведенной на рис.1.1

Рис. 1.1 Общая структура передачи энергии

P = Ph + Ph2• R / Uh2; (1.1)

Q = Ph2 •X / Uh2. (1.2)

где:

Р - активная мощность в центре питания;

Рн - активная мощность на шинах потребителя;

R - активное сопротивление распределительной сети;

Q - реактивная мощность в центре питания;

Qh - реактивная мощность на шинах потребителя;

U - напряжение в центре питания;

Uh - напряжение на шинах потребителя;

X - индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается - значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р = Рн + ( Рн2 + Qh2 ) • R / Uh2; (1.3)

Q = Qh + ( Рн2 + Qh2 ) • X / Uh2. (1.4)

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

-в распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности - потери при транспорте электрической энергии:

?U = ( Рн2 + Qh2 ) • R , (1.5)

часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

-величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:

Uh = U - ( P • R + Q •X ) / U. (1.6)

-увеличивается загрузка распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности - потребительских статических конденсаторов.

1.2 Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей ,, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя - статора передаётся во вторичную - ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

1.3 Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Продольная составляющая падения напряжения (потеря напряжения) ?U связывает напряжение в центре питания U1 с напряжением в конце сети U2 и определяется выражением:

?U= U1-U2= (1.7)

где Рн, Qн - потоки мощности, обусловленные нагрузкой; R, X - активное и реактивное сопротивления сети.

Из этого выражения (1.7) видно, что на величину U2 можно воздействовать изменением потока реактивной мощности, поскольку в отличие от активной мощности, единственным источником которой являются генераторы электростанций, реактивная мощность может быть получена от других источников, называемых компенсирующими устройствами. Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее потребления. При этом передающие элементы сети разгружаются по реактивной мощности, чем достигается снижение потерь напряжения, активной мощности и энергии.

Компенсация реактивной мощности применяется:

- по условию баланса реактивной мощности;

-как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;

-для регулирования напряжения.

В качестве компенсирующих устройств используются синхронные компенсаторы (СК), батареи статических конденсаторов (БСК), статические источники реактивной мощности (ИРМ) и шунтирующие реакторы [3].

1.4 Батареи статических конденсаторов

Различают два принципа применения БСК:

- шунтовые БСК, которые подключаются к шинам подстанций параллельно, и применяются для генерации реактивной мощности в узлах сети - поперечная компенсация;

-установки продольной компенсации (УПК), которые включают в линии последовательно для уменьшения реактивного сопротивления линий

- продольная компенсация.

Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, соединенных последовательно и параллельно. Конденсаторы выпускаются в однофазном и трехфазном исполнении на номинальное напряжение 0,22 - 10,5 кВ.

Рис. .1.2 Принципиальные схемы батарей конденсаторов:

а, б - последовательное и параллельное соединение конденсаторов; в, г - соединение фаз БСК треугольником и звездой.

При соединении шунтовых конденсаторов звездой мощность батареи:

QБСК =3Uф2щC . (1.8)

При соединении конденсаторов треугольником мощность батареи:

QБСК =3Uл2щ=9Uф2щC (1.9)

Батареи конденсаторов бывают регулируемые (управляемые) и нерегулируемые. В нерегулируемых БСК число конденсаторов неизменно, а величина реактивной мощности зависит только от квадрата напряжения. Суммарная мощность нерегулируемых батарей конденсаторов не должна превышать наименьшей реактивной нагрузки сети. В регулируемых батареях конденсаторов в зависимости от режима автоматически или вручную изменяется число включенных конденсаторов. При этом изменяется С-емкость БСК и мощность, выдаваемая в сеть.

Основные технико-экономические преимущества конденсаторов в сравнении с другими компенсирующими устройствами состоят в следующем:

-возможность применения, как на низком, так и на высоком напряжении;

-малые потери активной мощности. Недостатки конденсаторов с точки зрения регулирования режима:

-зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения может способствовать возникновению лавины напряжения;

-невозможность потребления реактивной мощности (регулирование напряжения возможно только в одну сторону);

-ступенчатое регулирование выработки реактивной мощности и невозможность ее плавного изменения, следовательно, регулирование напряжения не плавное, а ступенчатое;

-чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения.

Конденсаторные батареи также имеют ряд эксплуатационных преимуществ: простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся частей); простота производства и монтажа (малая масса, отсутствие фундамента); возможность использования для установки конденсаторов любого сухого помещения. Среди эксплуатационных недостатков БСК следует отметить малый срок службы (8--10 лет) и недостаточную электрическую прочность (особенно при коротких замыканиях и напряжениях выше номинального) [4].

1.5 Синхронные компенсаторы

Синхронный компенсатор (СК) - это синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода, т.е. без нагрузки на валу. Потребляемая им активная мощность (если пренебречь потерями холостого хода) Рск~0, и СК загружен только реактивным током. По сравнению с обычным синхронным двигателем СК изготовляются с облегченным валом, они имеют меньшие размеры и массу.

Мощность, вырабатываемую СК, можно найти из выражения:

Qск= • Icк= Uc (1.10)

Величина и знак реактивной мощности СК зависят от соотношения между ЭДС Eq и Uc - напряжением в точке сети, где подключен СК. Eq определяется значением тока возбуждения, причем росту тока возбуждения соответствует увеличение Eq. Если Eq=Uc, реактивная мощность СК Qск=0. При повышении тока возбуждения (перевозбуждении) Ea>Uc и СК генерирует в сеть реактивную мощность, причем ток, генерируемый СК, Iск опережает напряжение Uск на 900. Уменьшая ток возбуждения, можно получить режим недовозбуждения, тогда Eq<Uc и Iск отстает на 90° от напряжения Uск. В этом режиме СК потребляет реактивную мощность, получая ее из сети. Номинальная мощность синхронного компенсатора Qcк.ном указывается для режима перевозбуждения. По конструктивным особенностям, связанным с условиями нагрева обмоток, в режиме недовозбуждения Qск=0,5Qск.ном.

При выборе мощности СК ее находят для режима перевозбуждения, исходя из желаемого напряжения U2жел:

Qск= 2жел (1.11)

где : X - сопротивление сети, к которой подключен СК

Положительными свойствами СК как источников реактивной мощности являются:

-возможность увеличения генерируемой мощности, если напряжение в сети понижается;

-возможность плавного и автоматического регулирования реактивной мощности, причем как в сторону повышения, так и понижения напряжения.

Недостатки СК:

-наличие вращающихся частей требует присутствия обслуживающего персонала;

- стоимость 1 квар мощности, выработанной СК, во много раз больше 1квар, выработанного БСК.

Использование в качестве компенсирующего устройства синхронных компенсаторов иллюстрируется на рис.1.3 а. Напряжение в конце линии до установки компенсатора определяется выражением:

?U= U1- (1.12)

Пусть U2 ниже желаемого. При работе СК в режиме перевозбуждения QCк выдается в сеть, снижается переток по сети реактивной мощности, потеря напряжения снижается и U2 повышается, определяясь следующим выражением:

U2=U1 - . (1.13)

Если U2 выше желаемого, СК переводится в режим недовозбуждения. Тогда Qcк потребляется из сети, повышается переток по сети реактивной мощности, потеря напряжения повышается и U2 снижается, определяясь следующим выражением:

U2=U1 - . (1.14)

При перевозбуждении СК генерирует реактивную мощность

Qск.пер=Qск.ном. (1.15)

При недовозбуждении СК потребляет реактивную мощность

Qск.нед=0.5•Qск.ном (1.16)

что приводит к увеличению потерь напряжения в сети и к уменьшению напряжения у потребителей. Недовозбуждение синхронных компенсаторов можно использовать, когда надо снизить напряжение, например в режиме наименьших нагрузок. На рис.1.3 представлены векторные диаграммы в режимах перевозбуждения и недовозбуждения.

В режиме перевозбуждения СК ток Iск, выдаваемый в сеть, опережает на 90° напряжение U2. Из векторной диаграммы (рис.1.3 , б) видно, что в этом режиме модуль напряжения повышается с U2 до U2 доп. В режиме недовозбуждения ток и реактивная мощность СК изменяют свои знаки на противоположные. Ток I.ск, текущий из сети, отстает на 90° от напряжения U2. Из векторной диаграммы (рис. ,1.3 в) видно, что в этом режиме модуль напряжения понижается с U2 до Uдоп.нм

Включение в качестве компенсирующего устройства БСК позволяет только повышать напряжение, так как конденсаторы могут лишь вырабатывать реактивную мощность. Конденсаторы, подключенные параллельно к сети (рис.1.3, г), обеспечивают поперечную компенсацию. В этом случае БСК, генерируя реактивную мощность, повышает сosц сети и одновременно регулирует напряжение, поскольку уменьшаются потери напряжения в сети. В период малых нагрузок, когда напряжение в сети повышено, должно быть предусмотрено отключение части БСК, чтобы уровни напряжений не превышали допустимых значений.

Векторная диаграмма при поперечной компенсации с помощью БСК та же, что и для СК в режиме перевозбуждения (рис.1.3 , б), где вместо тока Iск следует говорить о токе Iк. В этом случае, как и при использовании СК, уменьшается потеря напряжения в сети и увеличивается напряжение U2, а также угол сдвига между напряжениями в конце и в начале линии [5,6,7].



Рис. 1.3 Режимы работы компенсирующих устройств:

а - включение синхронного компенсатора; б, в - векторные диаграммы синхронного компенсатора при перевозбуждении и недовозбуждении; г - включение батареи статических конденсаторов.

2. Cинхронный компенсатор как объект управления

2.1 Структурная схема системы управления синхронным компенсатором

Структурная схема системы управления синхронным компенсатором приведена на рис.2.1

Рис.2.1 Структурная схема системы управления СК: СК- синхронный компенсатор; ТАск- трансформатор тока СК; ТАл- трансформатор тока линии; Т- силовой трансформатор; TV- измерительный трансформатор напряжения; ДУ- датчик углового положения ротора СК.

Функционально СУ можно считать совокупностью следующих подсистем:

- система охлаждения обеспечивает температурный режим обмоток и магнитопроводов СК. В нашем случае система охлаждения двухконтурная (первый контур водородный, второй водяной). При отказе системы охлаждения начинает работу система аварийного отключения;

- система управления пуском и аварийного отключения предназначена для пуска (как правило пуск СК производится в асинхронном режиме) и аварийного отключения СК ;

- регулятор возбуждения предназначен для управления величиной токов возбуждения в обмотках ротора с целью обеспечения максимального значения cosц в ЛЭП и обеспечения устойчивости работы СК.

В настоящей работе разрабатывается регулятор возбуждения.

2.2 Теоретические основы регулирования СК

Синхронный компенсатор (СК) -- традиционный генератор реактивной мощности, используется в современных энергосистемах и как ее управляемый потребитель.

Режим генерирования (выдачи) или потребления определяется возбуждением СК. В соответствии с U-образной его характеристикой (рис. 2.2,а) при номинальном возбуждении (/в.ном) синхронный компенсатор выдает реактивную мощность

Qск.ном= (2.1)

а при отсутствии возбуждения (1В = 0) -- потребляет реактивную мощность

|- Qск.ном|= ? 0.5 Qск.ном . (2.2)

Наибольшая возможная загрузка СК потребляемой реактивной мощностью достигается или при граничном отрицательном токе возбуждения -- Iв.гр. или при отсутствии возбуждения (IВ = 0) и внутреннем угле компенсатора д=р/2, т.е. при расположении ротора по поперечной оси. При этом

|- Qск.гр|= ? 0.75 Qск.ном . (2.3)

Граничный режим потребления реактивной мощности определяется условием устойчивости работы СК -- сохранением синхронизма. Синхронизирующий вращающий момент создается синхронным электромагнитным Мс и реактивным (обусловленным явнополюсностью) Мр моментами

Mc = sinд

Mp= • sin2д . (2.4)

В частности, при отсутствии возбуждения СК удерживается в синхронизме только за счет реактивного момента. При отрицательном возбуждении синхронный момент противодействует реактивному и ухудшает устойчивость работы СК: отрицательное возбуждение уменьшает Xd, снижая эффект явнополюсности [6].



Рис.2.2. Характеристики синхронного компенсатора:

а -- идеальная U-образная характеристика; б -- зависимость вращающих моментов от положения ротора; в-- зависимости потребляемой реактивной мощности от угла

Граничное значение отрицательной ЭДС Едгр определяется приравниванием к нулю производной синхронизирующего момента по углу д.

С учетом (2.4) имеем

(Mc + Mp) ? cosд + • cos2д = 0 . (2.5)

При д = 0

Eqгр= Uш = Uш . (2.6)

При отрицательном возбуждении наибольшая потребляемая реактивная мощность --Qск.гр теоретически достигается в граничном режиме при д = 0. Практически, в связи с наличием потерь активной мощности (на вентиляцию, трение) мощность -- Qск.гр достигается при угле д « р/10 (рис. 2.2,в).

В граничном режиме СК выпадает из синхронизма. Согласно (2.4) и рис. 2.2,6 при д = р/4 моменты равны

|- Mc.гр|= Mp.max , (2.7)

а при д > р/4 синхронизирующий момент отрицательный. Даже при отсутствии отрицательного возбуждения угол д > р/4 увеличивается, поскольку реактивный момент уменьшается. При д=р/2, т.е. при положении ротора по поперечной оси, сопротивление статора равно Xq, и потребляемая мощность достигает наибольшего значения (2.3) при отсутствии возбуждения (1В = 0). На такой режим возможен только в условиях искусственной устойчивости СК [8].

Искусственная устойчивость работы СК при расположении ротора по поперечной оси обеспечивается быстродействующим знакопеременным автоматическим регулированием реверсивного возбуждения СК по отклонениям угла ±?д от граничного значения дrp = р/2. Возникающие при этом положительный или отрицательный синхронизирующие вращающие моменты замедляют или ускоряют ротор, который, вибрируя, удерживается в динамически равновесном положении по поперечной оси. Обмотка возбуждения СК при этом выполняет роль только удерживающей ротор в указанном положении. Такую же роль удерживания ротора в положении по продольной оси, т.е. при угле д = 0, и отрицательном возбуждении может выполнять вторая удерживающая обмотка возбуждения, расположенная по поперечной оси ротора. Такие СК с двумя обмотками возбуждения -- основной продольной и удерживающей поперечной -- могут загружаться любой, ограниченной, лишь термической стойкостью обмоток статора, потребляемой реактивной мощностью при угле положения ротора д?0. [9]

Режим значительного потребления реактивной мощности возможен только при автоматическом знакопеременном регулировании тока возбуждения Ibq в поперечной обмотке LG2 (см. рис. 3.3). Потребляемая реактивная мощность определяется током возбуждения Ibd в основной (продольной) LG1 обмотке ротора.

Таким образом, как и в асинхронизированном генераторе [9], автоматическое регулирование возбуждения СК с поперечной обмоткой ротора осуществляется двумя отдельными регуляторами, которые не взаимодействуют между собой. Источниками токов возбуждения Ibd , Ibq синхронного компенсатора служат два реверсивных тиристорных возбудителя, управляемые двумя автоматическими регуляторами АРВ-d и АРВ-q.

Первый из указанных регуляторов APB-d имеет лишь одно назначение -- поддержание напряжения Um на шинах электростанции или подстанции путем изменения генерируемой или потребляемой реактивной мощности СК. Он представляет собой пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор, формирующий регулирующее воздействие по отклонению напряжения AUni и его производной dUm/dt.

Задачами второго регулятора АРВ-q являются: удержание СК в режиме искусственной устойчивости при положении ротора по продольной оси и отрицательном, не ограничиваемом условием (2.7) равенства отрицательного электромагнитного и положительного реактивного вращающих моментов, токе возбуждения Ibd; предотвращение самораскачивания ротора и демпфирование его колебаний и поддержание, как указывалось, угла д?05. Поэтому регулирующее воздействие Uperq формируется ПД-регулятором, функционирующим по отклонениям угла ?д от д = 0 и по его первой и второй производным.

Таким образом, достигается полное использование синхронных компенсаторов не только в режиме генерирования, но и потребления реактивной мощности, причем возможна даже кратковременная, ограниченная лишь термической стойкостью форсировка СК по реактивной мощности. Повышение скорости набора реактивной нагрузки и снижение инерционности СК с поперечной обмоткой ротора достигается частичной компенсацией его переходного сопротивления X'd конденсаторами, включаемыми в цепь статора.

В нашем случае объектом управления является синхронный компенсатор типа КСВБО 100-11У1 с водородным охлаждением, прошедший модернизацию в 2010г. ( установлен в г.Ногинск, Московской области) [2]. В процессе модернизации была изменена магнитная система ротора- убрана отрицательная обмотка возбуждения и добавлена поперечная обмотка.

Таблица 2.1

Технические данные синхронного компенсатора КСВБО 100-11У1

Мощность при опережающем токе, МВА	100
Мощность при отстающем токе, МВА	82.5
Напряжение, кВ	Uш	11
Частота вращения, об/мин	750
Потери, кВт	1350
Избыточное давление, кПа	200
Возбуждение	положительное	Напряжение, В	195
		Ток, А	1500
	отрицательное	Напряжение, В	260
		Ток, А	290
Пусковые характеристики при 0,4Uном	Iп/Iном	2.0
	Мп/Мном	0.20
	tп сек	30
Момент инерции ротора 103кг•м2	J	56.5
Масса, 103кг	статора	112
	ротора	75
	общая	230
Индуктивные сопротивления	xd	2.1
	x/d	0.4
	x//d	0.2
	xq	0.21
	X0	0.1
Постоянные времени, сек	Td0	9.5
	Ta	1.8
	Tq	0.06
	Td	0.20
Система охлаждения	водородная
Возбудитель (штатный)	электромашинного типа ВТ-2100-3600Т3

3. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов

3.1 Регулятор знакопеременного возбуждения

Основной особенностью автоматического регулятора знакопеременного возбуждения, обусловленной задачей обеспечения искусственной устойчивости СК в режиме потребления реактивной мощности, является его быстродействие и необходимость формирования сигнала по отклонению угла д от значения, близкого к р/2 [9]. Он применяется на СК с тиристорным бесщеточным возбуждением [10]. Реверсивный возбудитель состоит из двух встречно включенных тиристорных преобразователей. При безщеточном возбуждении обмотка ротора состоит из двух параллельных ветвей LG1, LG2 (рис. 3.1), каждая из которых подключена к вращающимся диодным выпрямителям VS1, VS2, питаемым от двух обращенных синхронных генераторов GE1, GE2. Генераторы имеют тиристорное возбуждение -- тиристорные преобразователи VST1, VST2, подключенные через трансформатор Т к выводам СК. Тиристорные преобразователи в режиме выпрямления через устройства управления УУ1, УУ2 -- формирователи импульсов токов iи.у включения тиристоров управляются положительным и отрицательным напряжением ±Uрег реверсивного автоматического регулятора.

В режиме генерирования реактивной мощности напряжение Uрег положительно, возбуждение создается первым возбудителем -- GEl, VS1, VST1. Оно пропорционально положительному отклонению напряжения Uш от предписанного ?U = Uш.пр -- Uш и его производной в соответствии с характеристикой измерительного органа напряжения ИОН регулятора - f(Uш) (рис. 3.2,а).

При напряжении Uш >Uш.пр регулирующее воздействие Uper отрицательно. При этом VST1 закрывается и вступает в действие второй возбудитель -- GE2, VS2, VST2, создающий отрицательное возбуждение. После достижения граничного режима по потребляемой реактивной мощности СК стремится к выпадению из синхронизма -- его внутренний угол д увеличивается. При достижении им значения д > р/4 начинается формирование сигнала измерительным органом угла ИОУ, характеристика которого U?д=f(Uш) показана на рис. 3.2,б.

Рис.3.1. Функциональная схема автоматической системы регулирования возбуждения синхронного компенсатора с реверсивным безщеточным возбуждением



Рис.3.2. Характеристики измерительных органов:

а -- напряжения; б -- угла; в -- суммарная характеристика измерительной части; г -- графики, иллюстрирующие формирование выходного напряжения измерительного органа угла автоматического регулятора знакопеременного возбуждения

При этом напряжение Uper пропорционально сумме сигналов измерительных органов U? = -U?u/max+ U?д (рис. 3.2,в). После достижения углом значения д = р/3 положительное напряжение U?д становится равным ограниченному абсолютному значению отрицательного напряжения | -- U?u/max |, суммарное напряжение U? =0 (рис. 3.2,в). Соответственно снижается до нуля и регулирующее воздействие (Uper = 0). Синхронный компенсатор работает при отсутствии возбуждения с углом д = р/3. Потребляемая реактивная мощность согласно характеристике на рис. 2.1,в практически равна Qск.гр. Дальнейшее нарастание угла д по мере выпадения СК из синхронизма обусловливает положительные напряжения U? и Uper (рис. 3,2,в). Снова вступает в действие первый возбудитель, создающий положительное возбуждение: выпадение из синхронизма СК прекращается, угол д уменьшается. Но при д = р/3 напряжение Uper снижается до нуля и при дальнейшем уменьшении угла становится отрицательным. Начинает работать второй возбудитель, создающий отрицательное возбуждение, что приводит к возрастанию угла д. Таким образом, благодаря знакопеременному возбуждению, компенсатор искусственно удерживается в синхронизме при угле д ? р/3 и потребляет реактивную мощность -- Qск.гр.

Быстродействие измерительного органа угла обеспечивается принципом его действия. Напряжение U?д формируется запоминанием мгновенного значения синусоидального напряжения, например фазы А, статора иа путем заряда конденсатора в момент появления импульса иш от индукционного измерительного преобразователя (датчика) угла ИПУ (рис. 3.2,г).

Датчик угла положения ротора СК состоит из постоянного магнита с обмоткой (см. рис. 3.1), расположенного на статоре СК у торца вала ротора. На торце вала размещена пластина из магнитного материала, перекрывающая зазор между полюсами постоянного магнита в момент времени, смещающийся относительно момента перехода через нуль мгновенным значением напряжения иа с изменением угла д. В момент перекрытия зазора между полюсами постоянного магнита в обмотке индуцируется импульс напряжения uи, положение которого на оси времени (в пределах первой четверти периода иа) определяется углом д. Соответственно 1 раз за период изменяется напряжение U?д на запоминающем конденсаторе (рис. 3,2,г).

Измерительные органы напряжения ИОН, токов статора НОТ и возбуждения И0ТВ1, И0ТВ2 (регулятор не допускает длительной перегрузки СК) в полупроводниковом регуляторе выполнены на диодных элементах сравнения с 12-фазными выпрямителями и поэтому не содержат частотных фильтров.

3.2 Автоматические регуляторы возбуждения синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой ротора

Реверсивное изменение возбуждения СК с дополнительной удерживающей обмоткой ротора, расположенной по поперечной его о.си, создается, как указывалось, двумя тиристорными возбудителями VST1, VST2 (рис. 3.3), состоящими каждый из двух встречно включенных тиристорных выпрямителей, подключенных через трансформатор Т к выводам обмоток статора, управляемых двумя автоматическими регуляторами возбуждения APB-d и APB-q.

Алгоритмы функционирования автоматических регуляторов определяются их назначением. Регулятор APB-d обеспечивает поддержание напряжения Uш на шинах путем изменений генерируемой или потребляемой СК реактивной мощности. На него возлагается и задача демпфирования качаний синхронных генераторов электростанций путем создания принужденных колебаний напряжения на шинах с частотой колебаний роторов генераторов с фазой, обеспечивающей эффективное их затухание.

Это достигается использованием сигнала по изменениям активной мощности ?'Р в линии электропередачи, формируемого реальным дифференцирующим звеном. Регулирующее воздействие Uper.d определяется суммой сигналов, отображающих отклонение напряжения ?U = Uпр -- Uш, производной напряжения и изменения ?'Р мощности.



Рис. 3.3 Функциональная схема автоматической системы регулирования возбуждения синхронного компенсатора с поперечной обмоткой ротора.

В операторной форме алгоритм автоматического регулирования имеет следующий вид:

Uрег.d() = . (3.1)

Сигнал, формируемый по производной напряжения, является стабилизирующим автоматическую систему регулирования возбуждения по продольной оси -- предотвращает ее переход в неустойчивое автоколебательное состояние из-за обычно весьма высоких значений коэффициента ku усиления сигнала по отклонению напряжения (ku > 100).

Алгоритм автоматического регулирования возбуждения по поперечной оси определяется его назначением, состоящим в удержании ротора в положении по продольной оси, т.е. при угле д = 0, в режиме потребления реактивной мощности при отрицательном токе возбуждения Iвd в продольной обмотке возбуждения LGl и демпфирования колебаний ротора в режиме исскуственной устойчивости СК. Поэтому регулятором APB-q используются сигналы по отклонению угла ?д от д = 0, его производной и отклонению (появлению) электромагнитного момента -- активной мощности на валу СК. В операторном виде алгоритм автоматического регулирования

Uрег.q() = . (3.2)

Автоматические регуляторы APB-d и АРВ-q содержат соответствующие алгоритмам (3.1) и (3.2) измерительные органы (рис. 3.3): напряжения ИОН с дифференциатором AD1, активной мощности линии ИОАМ с реальным дифференциатором AD2; угла положения ротора ИОУ с дифференциатором AD2 и электромагнитного момента ИОЭМ на валу СК. Измерительные органы ИОАМ и ИОЭМ содержат измерительные преобразователи мощности линии ИПАМ1 и синхронного компенсатора ИПАМ2; их задающие элементы ЗЭ1, ЗЭ2 устанавливают сигналы, отображающие установленную передаваемую мощность по линии Рл.пр и мощность Рск.пр, определяемую главным образом его вентиляцией.

Измерительные части регуляторов выполняются на интегральных микросхемах: ИОН с использованием управляемых интеграторов AJ, как и в микросхемном аналоговом АРВ-СДП синхронных генераторов , а измерительный орган угла ИОУ -- аналогично описанному измерительному органу автоматического регулятора знакопеременного возбуждения СК без поперечной обмотки (см. рис. 3.2).

После суммирования сигналов измерительных органов интегральными сумматорами AWl, AW2 исполнительными усилителями Al, А2 они преобразуются в регулирующие воздействия Uperd, Uperq на устройства управления УУ1-УУ4 тиристорами возбудителей через разделительные диоды: разнополярные напряжения Uperd и Uperq воздействуют на разные тиристорные выпрямители возбудителей VST1, VST2 синхронного компенсатора GC [11,12].

4. Синтез системы управления СК

4.1 Построение математической модели СК

Задача построения полной математической модели СК в настоящее время не решена. Как правило, разрабатываются частные модели [13]. В нашем случае ставится задача построения системы стабилизации ротора.

При построении модели примем следующие допущения:

-рассматриваем только движение ротора относительно магнитного поля статора. Основным параметром в этом случае является угол д между магнитной осью ротора и вектором магнитной индукции статора ;

-при составлении уравнений движения ротора считаем, что регуляторы токов продольной и поперечной обмоток независимы (см. гл.2 и 3);

-приращения значений моментов, действующих на ротор, незначительные.

Согласно [14] составим уравнение моментов, действующих на ротор

Jд''= ?M. (4.1)

где: J- момент инерции ротора.

?М = Мс+ Мр , (4.2)

тогда подставив Мс и Мр из (2.4) получим

Jд''= sinд +• sin2д. (4.3)

Подставив Eq из (2.6) получим следующее уравнение

Jд'' =• +• . (4.4)

При максимальном значении потребляемой реактивной мощности д=р/2, тогда

Jд'' =• + • . (4.5)

Для поперечной обмотки в режиме потребления максимальной мощности д ? 0, а следовательно sin 2д ? 2д.

Уравнение (4.3) примет вид

Jд'' - • =• 2 . (4.6)

Подставив числовые значения для J, xd, xq и Uш из табл.2.1, получим

1.9•10-4 • д'' - д = 1.7 . (4.7)

В операторном виде

1.9•10-4 •р2 д - д= 1.7 (4.8)

или

•р - 1) • р = 1.7.

Тогда передаточная функция ротора

Wд(p) = . (4.9)

4.2 Построение структурной схемы СУ-q

Основной задачей при построении структурной схемы и моделировании системы управления является обеспечение стабильного положения ротора СК. У штатной системы управления компенсатором КСВБО 100-11У1 ошибка положения ротора равна 3 угл. градуса при погрешности датчика угла

1.5 угл. градуса. Перед нами ставится задача обеспечить, при том же датчике угла, ошибку положения ротора не более 2 угл. градуса.

Структурные схемы и результаты моделирования выполнены в среде Matlab (подпрограмма Simulink). Все параметры звеньев взяты из табл.2.1

Рис.4.1 Исходная структурная схема системы управления

Исходная схема приведена на рис.4.1. В схему введены следующие компоненты:

- УСТАВКА - задатчик требуемого значения угла д (в нашем случае д?0);

- ПОПЕРЕЧНАЯ ОБМОТКА- обмотка предназначена для стабилизации положения ротора СК с постоянной времени Tq= 0.06сек (см.табл.2.1);

- ПРОДОЛЬНАЯ ОБМОТКА- обмотка предназначена для регулирования cosц сети (реактивной мощности) с постоянной времени Td= 0.2сек. (см.табл.2.1);

- КОМПЕНСАТОР- объект, описанный передаточной функцией (4.9).

Из (4.9) и рис.4.1 видно, что система является структурно-неустойчивой. Для таких систем устойчивость обеспечивается введением форсирующих звеньев и изменением структурной схемы системы [15]. Задачи подобного рода слабо освещены в литературе и единого рецепта их решения не существует. Поэтому будем решать задачу поэтапно. Сначала рассмотрим управление СК для вида (4.9). Структурная схема приведена на рис.4.2.

Рис.4.2 Структурная схема СУ-q без учета влияния поперечной обмотки

Параметры регулятора выбраны согласно рекомендациям [8] и [12]. Относительно большое значение коэффициента усиления (к=1000) связано с необходимостью высокой точности стабилизации ротора, а коэффициент передачи дифференциатора (кд=10) выбран из условия устойчивости системы стабилизации. На рис.4.3 приведены переходные процессы СУ:

-4.3а- переходный процесс на интервале 0-15сек (скачок реактивной мощности при t=1сек);

- 4.3б- переходный процесс развернут во времени ( ?д ? 10-3рад.)



а) б)

Рис.4.3 Переходные процессы в СУ-q без учета поперечной обмотки

Расположение осциллограмм на рисунке: нижняя- возмущающее воздействие, средняя- ошибка системы ?д, верхняя- выходной сигнал д.

Введем в структурную схему поперечную обмотку (см.рис.4.4).



Рис.4.4 Структурная схема СУ-q с учетом поперечной обмотки

При моделировании системы приведенной на рис.4.4 получен расходящийся переходный процесс. Т.е. необходимо компенсировать наличие в СУ индуктивности поперечной обмотки. Физически это реализуется включением форсирующих конденсаторов [13].

Структурная схема СУ-q с учетом всех входящих звеньев ( тиристорный преобразователь тока возбуждения поперечной обмотки учитывается как пропорциональное звено при К=1) приведена на рис. 4.5

Рис.4.5 Полная структурная схема СУ-q

а) б)

Рис. 4.6 Результаты моделирования полной структурной схемы СУ-q

Расположение осциллограмм на рисунке: нижняя- возмущающее воздействие, средняя- ошибка системы ?д, верхняя- выходной сигнал д.

Полученные динамические параметры синтезированной системы:

tп? 3сек, ?д=7.5?10-4рад ( 0.05о). Учитывая погрешность датчика углового положения ротора ?ддатч.? 1.5о, получена общая ошибка системы

?д? = ?д + ?ддатч = 0.05+1.5 = 1.55о (4.10)

Вывод: синтезированная система управления СК полностью удовлетворяет поставленным требованиям.

5. Программирование интерфейса

5.1 Общие характеристики системы управления

Программная часть системы управления СК построена по принципу двухуровневой системы. Нижний уровень предназначен для сбора первичной информации о состоянии элементов СК, расчета управляющих воздействий и их выдачи. Управление СК на нижнем уровне может быть полностью автономным.

Алгоритмы обработки информации для нижнего уровня реализуются на основе стандартного программного обеспечения, поставляемого вместе с приобретаемым оборудованием. Реализация интерфейса сопряжения нижнего уровня с верхним обеспечивается на основе интерфейсов RS-485.

Верхний уровень системы реализуется на обычном ПК. Функция верхнего уровня заключается в контроле функционирования нижнего уровня и отображения текущего состояния энергосистемы и подключенного к ней СК. Также имеется возможность вмешательства в работу подсистемы управления нижнего уровня. Подсистемой нижнего уровня должны выполняться следующие функции:

- измерение, преобразование и нормирование текущих мгновенных и/или интегральных значений параметров, как по внутреннему алгоритму, так и по командам с пункта управления;

- выдача информации о положении, состоянии и режимах работы СК;

- сигнализация об аварийных ситуациях и режимах работы;

- регулирование параметров процессов;

- защита от выполнения ложных команд или передачи ложной информации;

- регистрация и накопление в базе данных информации о функционировании устройств комплекса и изменениях параметров системы.

5.2 Программирование интерфейса верхнего уровня

Основное окно программного обеспечения верхнего уровня представлено на рис. 5.1. Окно разработано в среде Matlab 7.12 (приложение GUIDE).

Листинги программ для окон "compensator " и "refregerating " приведены в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

...