Регулирование возбуждения синхронных генераторов

где К_с -- коэффициент трансформации трансформатора синхронизации; W_ф(jщ) -- частотная характеристика фильтра, который выделяет из питающего напряжения преобразователя его первую гармоническую составляющую.

Величины амплитуды и фазы опорной синусоиды, входящие в уравнение (5.4), определяются из уравнений:

Линеаризация дает систему уравнений, описывающую работу системы управления тиристорами для режима малых отклонений:



Таким образом, последняя система уравнений совместно с уравнением (5.2) или системой уравнений (5.3) является математической моделью статической системы возбуждения, связывающей величину изменения напряжения возбуждения ДU_f с изменением выходного напряжения регулятора ДU_АРВ.

При работе синхронного генератора параллельно с сетью большой мощности частота напряжения питания тиристорного преобразователя меняется незначительно, поэтому можно положить Дщ = 0. Тогда система уравнений (5.5) сведется к двум уравнениям:

где

Однако при исследовании устойчивости регулирования и при расчетах переходных процессов автономных систем необходимо использовать полную систему уравнений (5.5).

5.3 УПРОЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ СТАТИЧЕСКОЙ ТИРИСТОРНОЙ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Упрощенное уравнение тиристорного преобразователя получается при пренебрежении величиной реактивности коммутации. В этом случае

Если пренебречь инерционностью фильтра системы управления тиристорами и положить, что при синхронной частоте А_ф = 1 и з = 0, уравнения СУ Т упрощаются:

Совместное решение систем уравнений (5.7) и (5.8) с учетом уравнений установившегося режима дает

Отсюда следует, что приращение напряжения возбуждения линейно связано с приращением выходного напряжения регулятора, причем коэффициент передачи равен отношению кратности форсирования возбуждения к амплитуде опорной синусоиды. Этот вывод справедлив для независимой системы возбуждения и системы самовозбуждения.

5.4 БЕСЩЕТОЧНАЯ СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ

В работах [62--64 ] была предложена математическая модель бесщеточного возбудителя (рис. 5.2), замещающая диодный выпрямитель моста внешней характеристикой. При этом предполагалось, что угол коммутации не изменяется в течение переходного процесса. В действительности же угол коммутации, оставаясь постоянным во всех установившихся режимах диодного преобразователя, в переходных режимах существенно меняется. Расчеты и эксперименты показывают, что в диапазоне от 0.2 до 2 Гц амплитуда частотной характеристики угла коммутации изменяется на 25 дБ, а фаза -- на 150°.

Поэтому учет изменения угла коммутации в переходном процессе обязателен. Кроме того, при составлении математического описания возбудителя влияние поперечного демпферного контура не учитывалось, а влияние продольного демпферного контура без достаточных на то оснований учитывалось упрощенно. Принятые допущения не позволяют использовать предложенные ранее модели для исследования устойчивости систем автоматического регулирования возбуждения.

Поэтому была разработана новая модель [50], в которой мостовой диодный преобразователь моделируется по основной гармонике тока питающей сети и по его внешним характеристикам. При этом предполагается, что в течение коммутационного цикла по-токосцепления обмоток обращенного синхронного генератора, а также ток и напряжение главного генератора постоянны.

Эти допущения позволяют рассматривать возбудитель как мостовой преобразователь, в котором коммутирующей эдс является сверхпереходная эдс Е'' обращенного синхронного генератора, приложенная за реактивностью коммутации Х_г = 1/2 (Х''_qв + Х''_dв). Для составления полной математической модели запишем систему уравнений обращенного синхронного генератора с учетом продольного и поперечного демпферных контуров в системе относительных единиц А. А. Горева [16]:



Рис. 5.2. Бесщеточная диодная система возбуждения.

Обозначения: ТС -- трансформатор синхронизации; СУТ -- система управления тиристорами; ТП -- тиристорный преобразователь; В -- возбудитель; ДП -- диодный преобразователь; АРВ -- автоматический регулятор возбуждения; Б0С -- блок обратной связи; Г -- генератор; ВТ -- выпрямительный трансформатор; ТН -- трансформатор напряжения; ТТ -- трансформатор тока.

где

U_б.як.в -- базисное значение напряжения якоря возбудителя, определяемое как номинальное линейное напряжение обращенного синхронного генератора; Z_б.як.в. -- базисное сопротивление якоря обращенного синхронного генератора.

Постоянные времени и реактивные сопротивления рассчитываются в соответствии с общепринятой схемой замещения [16 ] по следующим соотношениям:

Величина эквивалентного сопротивления диодного преобразователя характеризует режим работы вентилей. Если R_Э ? 1/3, то преобразователь работает в режиме 2--3 и б_вын ⁼ 0. При R_Э > 1/3 вентили диодного моста работают в режиме 3--3 и г = 60°.

Для режима 2--3 величина угла коммутации и коэффициенты, входящие в систему уравнений (5.10), рассчитываются по формулам:

При работе вентилей преобразователя в режиме 3--3 значения вынужденного угла зажигания и коэффициентов определяются по уравнениям:

Для использования модели диодной бесщеточной системы возбуждения при расчетах статической устойчивости параллельной работы синхронных генераторов требуется ее линеаризация. Линейная математическая модель в приращениях переменных имеет вид:



При работе вентилей диодного преобразователя в режиме 2--3 последняя система уравнений должна быть дополнена:

При работе вентилей диодного моста в режиме 3--3 уравнения приращения переменных, определяющих проводимость преобразователя, запишутся в виде:

Таким образом, система (5.11), дополненная в зависимости от режима работы вентилей уравнениями (5.12) или (5.13), является подробной математической моделью вращающегося диодного возбудителя.

5.5 УПРОЩЕННАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ БЕСЩЕТОЧНОГО ДИОДНОГО ВОЗБУДИТЕЛЯ

Менее громоздкая, но достаточно точная модель для анализа поведения синхронного генератора и расчетов устойчивости его параллельной работы с энергосистемой может быть получена при пренебрежении влиянием демпферных контуров и изменением поперечного тока якоря возбудителя. Для этого в системе уравнений (5.11) следует положить равными нулю Дe_rq, Дe_rd, Дi_q. Тогда, исключив промежуточные переменные, получаем достаточно простое уравнение, описывающее работу возбудителя [50 ]:

где

Формулы для выражений, входящих в (5.15), в зависимости от режима работы диодного преобразователя приведены в табл. 5.1.

Более точное определение величин k_i и Т_i может быть выполнено на базе экспериментальных или расчетных (по полным уравнениям возбудителя) частотных характеристик.

Для этой цели был проведен расчет частотных характеристик возбудителя типа БВД-4600-1500 по полным уравнениям математической модели (5.11) для режимов холостого хода и короткого замыкания. Из анализа расчетных характеристик были определены значения коэффициентов и постоянных времени, входящих в уравнение (5.14). Сравнение полученных значений параметров со значениями, определенными по формулам (5.15), показало их отличие в пределах 5--7 % (табл. 5.2).

С целью определения зависимости постоянных времени и коэффициентов, входящих в уравнение (5.14), от режима работы возбудителя были выполнены расчеты величин этих параметров для ряда значений выходной координаты (напряжение возбуждения генератора). В результате этого установлено, что параметры математической модели возбудителя, представленной в такой форме, практически не зависят от режима работы синхронного генератора. Поэтому будет справедливо представить модель бесщеточного возбудителя в форме:

Модель возбудителя была получена при большом количестве допущений, указанных выше. Поэтому для определения степени соответствия разработанной математической модели оригиналу потребовалась экспериментальная проверка. Такая проверка была выполнена в период пусконаладочных испытаний турбогенератора ТВВ-1000-4 с возбудителем БВД-4600-1500. Для этого в режиме короткого замыкания энергоблока определены частотные характеристики системы возбуждения. Входной синусоидальный сигнал подавался на вход системы управления тиристорами; выходной сигнал снимался с делителя обратной связи, т. е. был пропорционален напряжению ротора. Полученные частотные характеристики приведены на рис. 5.3, 5.4 (кривые 1). Расчет параметров, входящих в уравнение (5.16), выполненный по предложенной методике для возбудителя БВД-4600-1500, дал результаты, приведенные в табл. 5.2.



Уравнение, связывающее входной сигнал с напряжением возбуждения возбудителя, определяется упрощенной моделью тиристорного преобразователя (5.9):



Уравнение обмотки возбуждения в режиме короткого замыкания энергоблока имеет вид

где

Х_T -- сопротивление рассеяния блочного трансформатора. Совместное решение (5.16)--(5.18) дает

Из последнего уравнения были определены расчетные частотные характеристики, представленные на рис. 5.3 и 5.4 (кривые 2). Сравнение расчетных кривых с экспериментальными показывает, что в диапазоне от 0.5 до 4 Гц амплитудные характеристики отличаются друг от друга не более чем на 2 дБ, а фазовые -- не более чем на 2.5°.

Таким образом, расчеты и эксперименты подтвердили, что, несмотря на свою кажущуюся простоту, упрощенная модель диодного бесщеточного возбудителя (5.16) является достаточно точной.

5.6 МОДЕРНИЗИРОВАННАЯ ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ СИСТЕМА ВОЗБУЖДЕНИЯ

С 70-х годов турбогенераторы мощностью от 100 до 500 МВт оснащались высокочастотной системой возбуждения. За истекшие годы произошло моральное и физическое старение аппаратуры регулирования этих систем, выполненных на магнитных усилителях. В настоящее время эти системы не удовлетворяют требованиям по части быстродействия, ограничения перегрузок и минимального возбуждения, а также по части резервирования основного АРВ. В связи с этим встал вопрос об их модернизации. Модернизация высокочастотной системы возбуждения заключается в замене аппаратуры, выполненной на магнитных усилителях, полупроводниковым регулятором АРВ-СДП1 и тиристорным преобразователем, в отказе от подвозбудителя и исключении из схемы системы возбуждения последовательной обмотки возбуждения возбудителя [61 ]. Схема модернизированной высокочастотной системы возбуждения приведена на рис. 5.5. Ток ротора синхронного генератора складывается из токов двух диодных мостов, питаемых от вращающегося возбудителя (I_f1) и от трансформаторов силового компаундирования (I_f2). В связи с этим очевидно следующее уравнение:

Уравнение, описывающее работу диодного выпрямительного моста, питающегося напряжением вращающегося возбудителя и работающего на обмотку возбуждения синхронного генератора, было получено ранее (5.14) при рассмотрении бесщеточной системы возбуждения:

Коэффициенты и постоянные времени, входящие в последнее уравнение, определяются по формулам (5.15). При этом в качестве реактивности коммутации следует брать реактивность рассеяния возбудителя Х_г = Х_sв. Режим работы преобразователя, питаемого напряжением возбудителя, зависит от распределения тока между мостами и определяется эквивалентным сопротивлением диодного преобразователя:

Если R_Э ? 1/3, то преобразователь работает в режиме 2--3, если R_Э > l/З, то--в режиме 3--3.

Работа диодного выпрямителя силового компаундирования может быть описана уравнением внешней характеристики. При этом коммутирующей эдс является величина, пропорциональная произведению тока статора на реактивность шунта намагничивания, а реактивностью коммутации -- сумма реактивных сопротивлений намагничивания и рассеяния трансформатора компаундирования. Следовательно, для режима малых отклонений справедливо следующее уравнение:



где для случая соединения трансформаторов компаундирования по схеме треугольника

где Х_м , Х_s -- реактивные сопротивления намагничивания и рассеяния трансформаторов компаундирования, приведенные ко вторичной обмотке и выраженные в омах; k_т -- коэффициент трансформации трансформаторов компаундирования.

Решив совместно уравнения (5.19)--(5.22), получим:

где

Для вычисления коэффициентов линеаризованных уравнений требуется определить распределение токов между диодными выпрямительными мостами. Ток диодного моста, питаемого от трансформатора силового компаундирования, определяется как корень квадратного уравнения



где

Очевидно, что ток выпрямительного моста, питаемого от высокочастотного генератора, определяется как разность токов

В качестве примера выполним расчет параметров математической модели высокочастотного возбудителя турбогенератора ТВФ-120-2 для номинального режима работы. Номинальные величины турбогенератора имеют значения: U_{f ном} = 300 В; I_{f ном} = 1830 А; I_{г. ном} =7763 А.

Параметры трансформаторов силового компаундирования имеют следующие значения: Х_м = 3 Ом, X_s = 0.0275 Ом, k_т = 14.

Величины параметров высокочастотного возбудителя равны:

S_в.ном = 340 кВ*А, U_в.ном = 280 В, X_{d в} =1.24, X'_{d в} = 0.64, X_г = 0.57,

T_{d 0в}= 0.64 с.

В номинальном режиме работы турбогенератора U_f= 1.0, I_f = 1.0, I_г = 1.0.

Коэффициенты квадратного уравнения (5.24) равны В₁I_г = 0.831, B₂U²_f = 0.098.

Ток выпрямителя, питающегося от трансформаторов силового компаундирования, определенный как корень уравнения (5.24), равен I_f2 =0.689.

Ток выпрямителя, питающегося от высокочастотного возбудителя, вычисляется по формуле (5.25), I_f1 = 0.311.

Уместно заметить, что в период пусконаладочных работ на высо- кочастотной системе турбогенератора ТВФ-120-2 был произведен замер распределения токов между диодными мостами в номинальном режиме работы турбогенератора. Измерения дали следующие результаты: I_f1 = 580 А, что составляет 0.317 о.е.; I_f2 = 1250 А, что составляет 0.683 о.е.

Величина эквивалентного сопротивления диодного моста, питающегося от высокочастотного возбудителя, составляет R_Э1 = 0.238.

Полученное значение эквивалентного сопротивления меньше одной трети, следовательно, диодный преобразователь работает в режиме 2--3. Расчеты по формулам, приведенным в табл. 5.1, дают следующие результаты: г = 52° , b = -0.354, g= 0.52, ш =15.7°, F(г, ш) = 0.219, G (г, ш) = -2.76.

Коэффициенты и постоянные времени, определенные по формулам (5.15), равны: T₁ = 0.739 с, Т₂ = 0.286 с, k₁ = 1.79, k₂ = 0.795.

Параметры, входящие в уравнение (5.23), равны: A₁ = 1.61, А₂ = 0.593, А₃ = 0.714, ф₁ = 0.691, ф₂ = 0.268.

Таким образом, уравнение высокочастотной системы возбуждения турбогенератора ТВФ-120-2 для номинального режима работы имеет вид:

Очевидно, что для высокочастотных систем возбуждения, выполненных без силового компаундирования, выражения для параметров, входящих в уравнение (5.23), упростятся. Действительно, отсутствие трансформаторов компаундирования эквивалентно тому, что X_s > ?, X_м > 0.

В этом случае R_Э2 >?, A₁ = k₁, А₂ = 0, A₃ = k₂, ф₁ = T₁, ф₂ = T₂. Таким образом, математическое описание работы модернизированной высокочастотной системы возбуждения без силового компаундирования совпадает с моделью бесщеточной системы возбуждения.

ГЛАВА 6. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1 МЕТОДИКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕРКИ И НАЛАДКИ СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Надежная и устойчивая работа генерирующего агрегата в значительной степени зависит от качества настройки системы автоматического регулирования возбуждения. Повышение требований к показателям надежности соответственно увеличивает время, необходимое на проверку, настройку и испытания систем регулирования возбуждения в период выполнения пусконаладочных работ и планово-предупредительных ремонтов. Однако технические условия эксплуатации силового энергетического оборудования ограничивают объем и продолжительность испытательных режимов. Так, например, существенные ограничения накладываются на режим холостого хода турбогенераторов, в то время как наладка систем возбуждения требует вращения турбоагрегата с номинальным числом оборотов. Значительные ограничения испытательных режимов накладываются на проверки, связанные с перегрузкой основного энергетического оборудования. В связи с этим становится эффективным специализированное устройство для проверки регулятора возбуждения (УПР), позволяющее проводить наладку и испытания регуляторов в предпусковой период на неподвижном агрегате. УПР обеспечивает повышение надежности работы системы возбуждения за счет:

-- повышения устойчивости работы синхронных генераторов вследствие выполнения более качественной настройки АРВ;

-- исключения опасных режимов при проведении испытаний и сокращения объема испытаний на работающем агрегате;

-- снижения времени восстановления при выходе из строя блоков основного комплекта АРВ.

С помощью УПР проверяется функционирование каналов регулирования по отклонению и первой производной напряжения статора, по первой производной тока ротора, по изменению и первой производной частоты напряжения статора, а также канала жесткой обратной связи по напряжению ротора (для бесщеточных и высокочастотных систем возбуждения). УПР обеспечивает проверку работоспособности каналов ограничения максимального и минимального возбуждения, алгоритмов начального возбуждения и разгрузки генератора по реактивной мощности. Устройство представляет собой аналоговую модель синхронного генератора с системой возбуждения для ряда характерных с точки зрения проверки АРВ режимов работы

и состоит из следующих четырех блоков: блока модели объекта регулирования (МОР), блока модели генератора в режиме перевозбуждения (МГУ), блока модели генератора в режиме потребления реактивной мощности (МГО), блока модели регулятора возбуждения (МРВ).

Блок МОР является простейшей аналоговой моделью системы возбуждения и синхронного генератора, работающего в режиме холостого хода. Возбудитель моделируется в соответствии с уравнениями математической модели статической или бесщеточной системы возбуждения. В основе модели синхронного генератора лежат уравнения Парка--Горева, записанные для режима холостого хода.

С помощью блока МОР можно проверить как соединенный с возбудителем регулятор возбуждения (режим комплексной проверки), так и собственно АРВ (режим автономной проверки). В первом случае на вход блока МОР подается сигнал, пропорциональный напряжению тиристорного преобразователя, через устройство гальванической развязки, которым может служить блок обратной связи (БОС) (рис. 6.1). Во втором случае на вход блока МОР поступает выходное напряжение АРВ. На выходе блока МОР формируются сигналы, пропорциональные напряжению статора U_г и его отклонению от номинального значения ДU_г, напряжению U_f, и току I_f ротора, с заданными масштабными коэффициентами. Сигналы с выхода МОР подаются на вход блоков АРВ в качестве сигналов регулирования. Таким образом, с помощью блока МОР имитируется работа системы регулирования в замкнутой схеме, что позволяет:

-- определить статические характеристики и коэффициенты передачи системы регулирования возбуждения;

-- проверить устойчивость работы в режиме холостого хода генератора и определить границы областей устойчивости в координатах коэффициентов усиления каналов регулирования по первым производным напряжения статора и тока ротора при различных коэффициентах усиления каналов регулирования по отклонению напряжения и канала ЖОС (для бесщеточных и высокочастотных систем);

-- проверить диапазон и скорость изменения уставки напряжения;

-- проверить работу канала начального возбуждения;

-- испытать в режиме автономной проверки работоспособность ограничителя двойного тока, проверить настройку характеристики ограничителя перегрузки, проверить работу ограничителя номинального тока ротора.

Наиболее характерными режимами синхронного генератора в сети с точки зрения проверки работоспособности АРВ является работа в зоне искусственной устойчивости и работа с потреблением реактивной мощности. Автоматический регулятор возбуждения, проверенный в полном объеме в этих двух крайних режимах, обеспечит высокое качество регулирования во всех остальных промежуточных режимах. Работа синхронного генератора в указанных режимах моделируется блоками МГУ и МГО.

Блок МГУ представляет собой простейшую аналоговую модель синхронного генератора, работающего с номинальной мощностью на приемную систему бесконечной мощности через дальнюю линию электропередачи, с фазовым углом между его поперечной осью и вектором напряжения шин приемной системы, превышающим 90°. Блок МГО является аналоговой моделью генератора, работающего с номинальной активной мощностью в режиме потребления реактивной мощности, с фазовым углом близким к 90°. Блоки МГУ и МГО учитывают инерционность обмотки возбуждения, механическую инерцию ротора и турбины, реакцию якоря генератора. В основе аналоговых моделей синхронного генератора лежат линеаризованные уравнения Парка--Горева. На вход блоков МГУ и МГО подается сигнал с блока МОР, пропорциональный напряжению ротора U_f, а на выходе формируются сигналы, пропорциональные отклонениям от установившихся значений напряжения статора ДU_г, частоты напряжения статора Дf, тока ротора ДI_f, а также величинам активной I_a и реактивной I_r составляющим тока статора. Выходные сигналы, сформированные с заданными масштабами, подаются на входы блоков АРВ в качестве сигналов регулирования.

Использование блоков МГО и МГУ позволяет осуществить в замкнутом контуре регулирования следующие функции:

-- проверку устойчивости регулирования возбуждения в зоне искусственной устойчивости и в режиме недовозбуждения с различными значениями коэффициентов усиления каналов стабилизации;

-- определение границы вступления в работу ограничителя минимального возбуждения, статизма и динамику ограничителя минимального возбуждения;

-- проверку работы канала разгрузки по реактивной мощности;

-- проверку работы канала сгона уставки при перегрузке по току ротора.

Блок МРВ служит для проверки блоков МГУ и МГО. Необходимость в применении блока МРВ объясняется тем, что блок МГУ апериодически неустойчив, а характеристики блока МГО близки к границе колебательной устойчивости. В связи с этим определение статических и динамических характеристик этих блоков было бы без МРВ крайне затруднительно. Блок МРВ представляет собой линейную аналоговую модель регулятора АРВ-СД. На его вход поступают сигналы ДU_г, Дf, ДI_f, формируемые на выходе блоков МГУ или МГО. На выходе блока МРВ вырабатывается сигнал управления, который подается на вход блока МГУ или МГО. Таким образом проверяется работоспособность блоков МГУ и МГО в замкнутом контуре.

Опыт использования УПР на электростанциях показал его эффективность, а надежность работы и простота применения обеспечивают его широкое внедрение в эксплуатацию.

6.2 ДВУХКАНАЛЬНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Традиционным способом повышения надежности работы оборудования является резервирование. Большое число находящихся в эксплуатации систем возбуждения включает в себя АРВ, подключенный своим выходом ко входам двух тиристорных преобразователей (рис. 6.2), каждый из которых обеспечивает все эксплуатационные режимы работы синхронного генератора, включая работу с номинальным током и режим форсирования возбуждения. При этом предусматривается, что на обмотку возбуждения работает один преобразователь, в то время как второй находится в горячем резерве со снятыми импульсами управления. Работа преобразователей постоянно контролируется устройством контроля. При повреждении одного из преобразователей устройство контроля осуществляет отключение импульсов управления отказавшего преобразователя и переводит систему возбуждения на резервный тиристорный преобразователь.

Рис. 6.2 Схема резервирования системы автоматического регулирования возбуждения.

Обозначения: АРВ -- автоматический регулятор возбуждения; ПДУ -- панель дистанционного управления; ТП -- тиристориый преобразователь; УК -- устройство контроля; Р -- реле.

Резервирование АРВ осуществляется включением в структуру системы регулирования панели дистанционного управления (ПДУ), представляющей собой простейший пропорциональный регулятор напряжения статора синхронного генератора. Исправность АРВ контролируется блоком контроля, входящим в состав регулятора. Перевод системы возбуждения с АРВ на ПДУ осуществляется вручную оператором или автоматически по сигналу от блока контроля, а также при отключении автоматов основного и резервного питания и автомата напряжения статора генератора.

Одним из существенных недостатков рассмотренной системы резервирования является то, что ПДУ не обеспечивает выполнения функций; возложенных на АРВ, в частности форсирования возбуждения при коротких замыканиях в энергосистеме, снижая тем самым пределы динамической устойчивости. Переходные процессы с ПДУ отличаются повышенной колебательностью по сравнению с работой на АРВ. Другим недостатком существующей схемы является отсутствие постоянного контроля за исправностью АРВ. Алгоритм работы блока контроля предусматривает его блокировку в ряде режимов, связанных с работой ограничителей перегрузки и минимального возбуждения. Кроме того, питание блока контроля осуществляется от блоков питания АРВ и, следовательно, отказ АРВ, связанный с повреждением питания, вызывает и отказ работы блока контроля.

Устранить первый из отмеченных недостатков позволяет включение в структуру резервирования второго полноценного АРВ, а второй недостаток устраняется путем организации постоянного контроля исправности основного АРВ во всех эксплуатационных режимах работы генератора с помощью блока контроля и диагностики (БКД), входящего в состав резервного регулятора возбуждения. При этом схема регулирования возбуждения становится двухканальной (рис. 6.3). Основной и резервный каналы регулирования включают в себя регулятор возбуждения и тиристорный преобразователь. Оба АРВ постоянно включены, и их выходы подключены ко входам преобразователей. Тиристорный преобразователь резервного канала работает без импульсов управления. Блок БКД осуществляет постоянный контроль за исправностью основного АРВ и диагностику резервного регулятора. Кроме того, БКД обеспечивает подгонку уставки резервного АРВ с тем, чтобы уравнять выходные напряжения двух регуляторов, при этом уравнивание происходит с определенной инерцией. При возникновении неисправности резервного АРВ блок БКД своевременно диагностирует появившийся отказ и выдает команду на блокировку перехода системы возбуждения на резервный канал. При отказе основного АРВ блок БКД выдает сигналы на снятие импульсов управления тиристорного преобразователя основного канала и подачу импульсов на преобразователь резервного канала.

Работа блока БКД основана на сравнении сигналов основного (U_{АРВ ос}) и резервного (U_{АРВ ос}) регуляторов возбуждения. Диагностирование резервного регулятора выполняется следующим образом. На аналоговых элементах производится определение величины интеграла

где 1/р -- оператор интегрирования.

Абсолютная величина вычисленного значения интеграла сравнивается с заданной величиной. Значение абсолютной величины интеграла, превышающее заданную величину, т. е. | I | > А, свидетельствует об отказе резервного регулятора. Действительно, при наличии подгонки его уставки интеграл I стремится к нулю. Существенное его отличие от нуля указывает на то, что в течение определенного времени выходные напряжения регуляторов не равны между собой. В свою очередь это указывает на отказ резервного АРВ.

Рис. 6.4 Динамика работы блока БКД при неуправляемом развозбуждении основного АРВ.

Отказ основного АРВ определяется наличием существенной разности между выходными напряжениями основного и резервного регуляторов при отсутствии дисперсии выходного сигнала основного регулятора и при исправности резервного регулятора, т. е. неисправность основного АРВ определяется следующими условиями:

| U_{АРВ ос} - U_{АРВ рез} | ?B, D= 0 , | I | ? A.

На рис. 6.4 приведены осциллограммы переходного процесса, вызванного отказом основного АРВ, который привел к неуправляемому развозбуждению. В момент возникновения неисправности выходное напряжение основного АРВ вышло на предельное положительное значение, при котором его дисперсия стала равна нулю. Неуправляемое развозбуждение вызвало уменьшение напряжения статора, и резервный АРВ сформировал выходной сигнал отрицательной полярности на форсирование возбуждения. Наличие существенной разности выходных напряжений регуляторов при отсутствии дисперсии выходного напряжения основного АРВ вызвало срабатывание блока БКД и переключение системы возбуждения на резервный канал. Напряжение статора в новом установившемся режиме отличается от исходного не более чем на 1 %.

Испытания на электродинамической модели и опытная эксплуатация на электростанциях продемонстрировали работоспособность двухканальной системы регулирования возбуждения. Блок БКД своевременно определяет отказ АРВ и осуществляет переключение системы регулирования на резервный канал.

ГЛАВА 7. ПАКЕТ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ «МОДЕЛЬ»

7.1 ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Пакет прикладных программ (ППП) «Модель» представляет собой программный комплекс для выполнения всего объема работ по проектированию и эксплуатации современных систем регулирования возбуждения синхронных генераторов. Он позволяет проводить анализ устойчивости станции, работающей в составе энергообъединения, проектирование, настройку и проверку регулятора возбуждения АРВ-- СДП1 и его блоков, а также может быть использован в качестве учебного пособия и тренажера для персонала электростанций. В ППП «Модель» реальная станция замещается эквивалентным генератором, а внешняя для станции сеть -- схемой «линия--шины бесконечной мощности». Метод упрощения строго обоснован математически и подтвержден экспериментально (см. гл. 1).

Эти замены позволяют подробно описать систему регулирования возбуждения с учетом инерционных свойств и характеристик регулятора и возбудителя.

Параметры схемы замещения определяются с помощью программы «Расчет Х внешнего», использующей в качестве исходных данных значения активной, реактивной мощностей и напряжения генератора или шин в двух режимах работы станции. На основе полученной схемы замещения ППП «Модель» предлагает программы расчета режима и определения необходимых для устойчивой работы коэффициентов усиления в каналах стабилизации регулятора АРВ--СДП1.

Программа «Задать станцию» запросит у Вас данные и параметры эквивалентного генератора и схемы замещения, а также выбранные Вами базисные значения мощности и напряжения. Если пользователь в своих расчетах хочет учитывать насыщение исследуемого генератора, существует возможность использовать реактивность Потье, стандартные характеристики холостого хода и короткого замыкания. Пользователь может выбрать один из хранящихся в памяти вариантов для конкретного типа генератора или ввести эти данные самостоятельно. В дальнейшем эти данные сохраняются в памяти в течение сеанса работы со всеми остальными модулями пакета, если Вам не потребуется их изменить.

Программа «Нормальные режимы» снова запросит у Вас данные о параметрах эквивалентного генератора и схемы замещения, а также об интересующем Вас режиме. Пользователю предоставляется возможность задать один из вариантов:

-- активную и реактивную мощности и напряжение эквивалентного генератора;

-- активную мощность и напряжение эквивалентного генератора и модуль напряжения U в центре электрических качаний. На основе этих данных определяются все параметры, характеризующие режим электропередачи: Р_г, Q_г, U_г, U_с, Е_q, И, И_г. Есть возможность графического построения диаграммы режимов в координатах Р--Q или I_a --I_r и нанесения на нее интересующего Вас режима. Кроме того, программа предоставляет возможность получить в табличной или графической форме статические характеристики электропередачи в зависимости от активной мощности или полного угла, запомнить их, повторить расчет и совместить на дисплее результаты для различных вариантов. По желанию пользователь может получить жесткую копию экрана дисплея.

Программный модуль «Коэффициенты усиления» предложит Вам воспользоваться введенными ранее данными о параметрах станции, эквивалентной энергосистемы и настройке регулятора. При желании Вы можете их изменить. После этого будет произведен расчет границы колебательной электромеханической устойчивости. Результаты могут быть выведены в табличном виде и в виде зависимостей K_{0u max}(P) или K_{0u max}(И). Результаты могут быть запомнены и нанесены на графики при последующих расчетах или выведены на печать. Подпрограмма «Расчет К_0f, К_1f» запросит значения мощности генератора и величины предельного коэффициента усиления по напряжению, который Вы хотите обеспечить в этом режиме. После этого будут выданы рекомендации о коэффициентах усиления по параметрам стабилизации, гарантирующих прохождение границы через заданную точку.

Программный модуль «Расчет переходных процессов» позволяет анализировать работу станции в полученной эквивалентной схеме при больших и малых возмущениях. Он построен на базе программы «CYPROS», имеющей дружественный интерфейс и предоставляющей пользователю широкий набор сервисных функций. Регулятор моделируется системой уравнений 21-го порядка, полученной на основе частотных характеристик реального регулятора АРВ--СДП1 (гл. 5). Математическое описание тщательно отработано на электродинамической модели и проверено на практике. Программа предоставляет пользователю широкий набор моделей возбудителей: статический ти-ристорный по схеме независимого возбуждения или самовозбуждения, диодный бесщеточный или высокочастотный (гл. 6).

Переходные процессы при малых возмущениях рассчитываются при подаче на контрольный вход блока усиления регулятора пробного сигнала заданной формы (ступенчатый, синусоидальный или линейно нарастающий) . Расчетным возмущением для исследования динамических режимов является нормативное двухфазное короткое замыкание на землю на шинах станции длительностью 0.14 с. Эти расчеты позволяют проверить правильность работы системы регулирования возбуждения и регулятора и координировать ее с работой защит.



Размещено на http://www.allbest.ru/

В модуле «Расчет блоков» более подробно задаются отдельные блоки регулятора и исследуется динамика их работы. Вы можете изучить характер процессов внутри блока, сравнить их с получаемыми в реальном блоке, вызывающем опасения, и определить неисправный узел.

Программный модуль «Расчет узлов», реализованный на базе стандартной программы «MICROCAP» [бб ], моделирует работу основных функциональных узлов и элементов регулятора АРВ-СДП1 (фазочувствительный выпрямитель, синхронный фильтр и т. д.). С его помощью можно получить временные диаграммы напряжений на всех элементах узлов, воспроизвести неисправность монтажной схемы или любого элемента и в конечном итоге точно установить причину неправильной работы любого узла и блока. В результате значительно сокращается время поиска неисправности реального оборудования и повышаются ремонтопригодность и срок службы регулятора.

ППП «Модель» -- современное, обращенное к пользователю программное средство. Для его установки в описываемой версии необходим IBM-совместимый компьютер с сопроцессором, объемом ОЗУ не менее 640 кБт и объемом внешней памяти на магнитном диске около 3 МБт. Принтер -- EPSON LX-800 или совместимый с ним. Адаптер дисплея -- EGA, VGA, SVGA. Системное программное обеспечение -- MS DOS версии не ниже 3.3.

7.2 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДУЛЕЙ ПАКЕТА

На рис. 7.1 показан вид экрана при запуске программы «Модель». В левом окне перечислены все модули и утилиты ППП. При подсвечивании маркером любой строки этого окна в правом окне появляется краткая контекстная подсказка. Ниже приведены тексты этих подсказок и результаты расчетов, выполняемых в каждом модуле.

Рис. 7.2. Результат расчета внешнего эквивалентного сопротивления станции.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7.3. Статические характеристики электропередачи в зависимости от активной мощности (а) и полного угла (б).



Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет X внешнего.

Производится расчет параметров схемы замещения. Любая станция, работающая в энергосистеме, приводится к схеме машина--линия--ШБМ. Расчет ведется по результатам двух измерений режимов работы станции с неизменной схемой внешних присоединений. Требуются значения напряжения, активной и реактивной мощностей.

Результат расчета внешнего сопротивления представляется в графической форме (рис. 7.2).

Задать станцию.

Задать эквивалентные параметры. Ввод данных об исследуемой станции. Предлагается задать следующие параметры: X_d -- продольную реактивность эквивалентного генератора [о.е. ]; Х'_d-- переходную реактивность, сопротивление Потье; Т_d0 -- постоянную обмотки возбуждения генератора; T_j-- постоянную инерции ротора; cos ц_н, базисные значения мощности и напряжения, характеристики XX и КЗ.

Нормальные режимы.

Расчет нормальных режимов работы станции в энергосистеме. Производится расчет отдельных режимов, построение диаграммы режимов и статических характеристик. Необходимо задать Х внешнее, рассчитанное в первом пункте, напряжения на шинах станции и приемной ЭС, активную мощность. При этом используются заданные ранее параметры станции.

На рис. 7.3, 7.4 приведена форма получаемых результатов для основного расчетного случая.

Расчет коэффициентов усиления.

Производится расчет минимально допустимых коэффициентов усиления в каналах регуляторов возбуждения, установленных на заданной станции в любом интересующем Вас режиме. Программа построит низкочастотную границу устойчивости в координатах К _{0u max} = f (P_г) (рис. 7.5, а) или К _{0u max} =f (И) (рис. 7.5, б) при заданных значениях K_1u, K_1if, K_0f, K_1f.

Расчет переходных процессов.

Производится расчет переходных процессов генератора, оснащенного регулятором АРВ--СДП1 и работающего через линию на ШБМ при малых и больших возмущениях. Регулятор задается системой дифференциальных уравнений 21-го порядка.

На рис. 7.6 приведены переходные процессы для некоторых переменных при подаче на вход АРВ ступенчатого сигнала, приводящего к снижению напряжения генератора на 5 %, на рис. 7.7 -- при расчетном коротком замыкании.

Расчет блоков.

Расчет переходных процессов внутри конкретных блоков АРВ-- СДП1. Блоки описаны уравнениями, соответствующими реальным принципиальным электрическим схемам.

Предлагаются блоки напряжения, ОМВ, тока, частоты и защиты, реактивного тока, измерения перегрузки.

Размещено на http://www.allbest.ru/



Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Расчет узлов.

В этой программе различные узлы и элементы регулятора моделируются на самом низком уровне -- емкостей, резисторов, транзисторов, диодов, усилителей.

Имеется обширная база данных, содержащая все основные элементы и узлы. Можно не просто изучать работу таких узлов, как например синхронный фильтр, но и «сломать» в них любой элемент. В результате появляется возможность поиска неисправностей.

Разное.

В этом пункте предлагается набор вспомогательных утилит для временного хранения текстовой информации (записная книжка) и работы с диском (файл-менеджер).

ЛИТЕРАТУРА

1. Горев А. А. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Наука, 1985. 502 с.

2. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем. М.: Энергия, 1979. 455с.

3. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. шк., 1978. 415 с.

4. Веников В. А., Герценберг Г. Р., Совалов С. А. и др. Сильное регулирование возбуждения. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1963. 152 с.

5. Применение аналоговых вычислительных машин в энергетических системах / Под ред. Н. И. Соколова. М.: Энергия, 1964. 408 с.

6. Левинштейн М. Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. Л.: Энергия, 1972. 358 с.

7. Глебов И. А. Электромагнитные процессы систем возбуждения синхронных машин. Л.: Наука, 1987. 344 с.

8. Веников В. А., Литкенс И. В. Математические основы теории автоматического управления режимами энергосистем. М.: Высш. шк., 1964. 206 с.

9. Осипов И. Л., Шакарян Ю. Г. Электрические машины. Синхронные машины. М.: Высш. шк., 1990. 304 с.

10. Микропроцессоры в энергетике / О. И. Башнин, В. В. Буевич, В. Е. Каштелян, В. В. Кичаев, В. М. Прохоров, В. В. Семенов, А. А. Юрганов. Под ред. И. А. Глебова. Л.: Наука, 1982. 190 с.

11. Левинштейн М. Л., Щербачев О. В. Статическая устойчивость электрических систем. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1994. 264 с.

12. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и их устойчивость. М.:

Энергия, 1980. 569 с.

13. Груздев И. Л., Торопцев Е. Л., Устинов С. М. Определение настроек АРВ для совокупности режимов энергосистемы // Электричество. 1986. № 4. С. 11--15.

14. Устинов С. М. Метод упрощения математических моделей для управления демпферными свойствами электроэнергетических систем // Изв. РАН. Энергетика. 1992. № 2. С. 44--51.

15. Груздев И. А., Масленников И. А., Устинов С. М. Разработка методов и программного обеспечения для анализа статической устойчивости и демпферных свойств больших энергосистем // Методы и программное обеспечение для расчетов колебательной устойчивости энергосистем. СПб.: ФЭО, 1992. С. 66--88.

16. Качанова Н. А., Шелухин Н. Н. Эквивалентирование схем и режимов электроэнергетических систем // Электричество. 1980. № 12. С. 9--14.

17. Димо П. Узловой анализ электрических систем / Пер. под ред. В. А. Веникова. М.: Мир, 1973. 170 с.

18. Крумм Л. А., Мантров В. А. Методы адаптивного эквивалентирования в задачах анализа установившихся режимов энергетических систем и управление ими // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1989. № 6. С. 19--32.

19. Фролов В. И. Упрощение схем электрических сетей энергосистем для расчета установившихся режимов с локальными возмущениями // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1991. № 4. С. 80--92.

20. Смирнов К. А. Эквивалентирование сложных электроэнергетических систем при заданных мощностях узлов // Электричество. 1993. № 12. С. 10--15.

21. Yurganov A. A. Equivalent external reactance determination for a Power Plant operating in a complex electric Power System / 9th Intern. Power System conference PSC-94. July 1994. StPetersburg. P. 145--151.

22. Лоханин Е. К. и др. Комплекс программ для расчета устойчивости энергосистем (версия 1984) // Исследования в области устойчивости энергосистем и противо-аварийной автоматики. М.: Энергоиздат, 1986. С. 90--94.

23. Wirth E., Castelli G. POSCOLab -- моделирующая программа для анализа нагрузочного потока, короткого замыкания и устойчивости электросетей // Обзор ABB. 1993. № 5. С. 19--28.

24. Зеккель А. С., Есипович А. X. Расчет колебательной устойчивости энергосистем и оптимизация настроек АРВ генераторов // Методы и программное обеспечение для расчетов колебательной устойчивости энергосистем. СПб.: ФЭО, 1992. С. 36--43.

25. Тестовая схема для расчетов статической устойчивости энергосистем / Е. Д. Азарьева, 3. Г. Хвощинская, И. А. Груздев, В. А. Масленников, С. М. Устинов // Методы и программное обеспечение для расчетов колебательной устойчивости энергосистем. СПб.: ФЭО, 1992. С. 66--88.

26. Roth A. Identifikation der Leitungsreaktanz zur Realisierung der adaptiven Schlupf-stabilisierung // Brown Boveri Mitt. 1983. Bd 70, N 9/10. S. 360--364.

27. Важнов А. И. Основы теории переходных процессов синхронной машины. М.;

Л.: Госэнергоиздат, 1969. 312 с.

28. Лютер Р. А. Расчет синхронных машин. Л.: Энергия, 1979- 272 с.

29. Матюхин А. М. Уравнения и структурная схема синхронного генератора при автоматическом регулировании возбуждения // Изв. АН СССР. ОТН. 1952. № 9. С. 1322--1330.

30. Матюхин В. М. О статической устойчивости электропередачи в связи с наличием нескольких генераторов на передающей станции // Изв. АН СССР. ОТН. 1957. № 7. С. 3--7.

31. Ляткер И. И., Розанов М. Н., Шабад В. К. Выбор места включения блока частоты АРВ турбогенераторов // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Труды ВЭИ. М.: Энергия, 1968. Вып. 78. С. 193--199.

32. Михневич Г. В. Синтез структуры системы автоматического регулирования возбуждения синхронных машин. М.: Высш. шк., 1978. 222 с.

33. Глебов И. А. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.: Наука, 1979. 312 с.

34. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. шк., 1970. 295 с.

35. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. М.: Наука, 1968. 608 с.

36. Бобров В. М., Попов Е. Н., Саушкин В. А. Резервный автоматический регулятор возбуждения мощного генератора // Проблемы создания гидрогенераторов и крупных электрических машин: Тез. докл. Всесоюз. совещ. Л.: ВНИИэлектромаш, 1981. С. 172--173.

37. Зеккель А. С., Зверева А. А., Юсин В. М., Юрганов А. А, Способ формирования стабилизирующего параметра для регулирования возбуждения синхронной электрической машины: А. с. 498704 СССР // Б. И. 1976. № 1.

38. Леус О. А., Юрганов А. А., Кожевников В. А. Стабилизатор для регулятора возбуждения синхронной машины: А. с. 658694 СССР // Б. И. 1979. № 15.

39. Каштелян В. Е., Сирый Н. С., Юрганов А. А. Регулирование возбуждения современных мощных гидро- и турбогенераторов и синхронных компенсаторов // Проблемы электроэнергетики и электромеханики. Л.: Наука, 1977- С. 50--55.

40. Курилов В. Ф. Устройство для моделирования синхронного генератора: А. с. 519731 СССР // Б. И. 1976. № 24.

41. Веников В. А.. Худяков В. В., Анисимова Н. Д. Электрические системы. Передача энергии переменным и постоянным током высокого напряжения. М.: Высш. шк., 1972. 368 с.

42. Герценберг Г. Р. Автоматический регулятор возбуждения для гидрогенераторов с ионной системой возбуждения Волжской ГЭС им. В. И. Ленина // Вести, электропромышленности. 1961. № 6. С. 11--16.

43. Kocmeнкo М. П., Каштелян В. Е., Сирый Н. С., Герценберг Г. Р. Регулирование напряжения и устойчивость при параллельной работе генераторов электростанций на две энергосистемы // Электричество. 1959. № 12. С. 1--10.

44. Каштелян. В. Е. Регулятор напряжения электромагнитный // Автоматизация производства и промышленная электроника. М.: Сов. энциклопедия, 1994. Т. 3. С. 215--219.

45. Автоматические регуляторы возбуждения сильного действия для гидрогенераторов, турбогенераторов и синхронных компенсаторов с ионной системой возбуждения / Л. Ф. Алексеев, В. А. Бабулин, Г. Р. Герценберг, Н. Б. Гущина, М. Б. Оль-шванг, В. М. Юсин // Автоматические регуляторы возбуждения: Тр. ВЭИ. М.: Энергия, 1966. Вып. 73. С. 11--32.

46. Автоматические регуляторы возбуждения сильного действия для главных гидрогенераторов Асуанской ГЭС и синхронных компенсаторов электропередачи Асуанская ГЭС--Каир / Г. Р. Герценберг, Н. Б. Гущина, В. Б. Любарский, В. К. Шабад, В. М. Юсин // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Тр. ВЭИ. М.: Энергия, 1968. Вып. 78. С. 7--28.

47. Схема унифицированного автоматического регулятора возбуждения сильного действия для гидрогенераторов, турбогенераторов и синхронных компенсаторов с ионной и тиристорной системами возбуждения / Г. Р. Герценберг, В. Г. Любарский, В. М. Ольшванг, М. И. Покровский, В. М. Юсин, Г. М. Бурунова // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Тр. ВЭИ. М.: Энергия, 1972. Вып. 81. С. 5--17.

48. Унифицированный автоматический регулятор возбуждения сильного действия на полупроводниковых элементах / М. И. Покровский, О. А. Леус, Н. В. Любарский, В. В. Мишта, А. А. Юрганов // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Тр. ВЭИ. М.: Энергия, 1977. Вып. 83. С. 3--13.

49. Регуляторы возбуждения сильного действия на интегральных микросхемах для мощных синхронных генераторов / Г. Р. Герценберг, В. Е. Каштелян, М. И. Покровский, А. А. Юрганов, В. В. Мишта, О. А. Леус // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Тр. ВЭИ. М.: Энергия, 1980. Вып. 89. С. 3--10.

50. Математическая модель бесщеточного возбудителя для расчета статической устойчивости турбогенератора / В. А. Кожевников, Г. Б. Любомирова, С. В. Романов, Л. П. Снитко, А. А. Юрганов // Бесщеточные системы возбуждения мощных синхронных машин. Л.: ВНИИэлектромаш, 1986. С. 90--104.

51. Буевич В. В., Каштелян В. Е., Кичаев В. В., Юрганов А. А. Микропроцессорный регулятор возбуждения мощных турбо- и гидрогенераторов // Системы возбуждения и регулирования мощных синхронных генераторов. Л.: ВНИИэлектромаш, 1985. С. 3--14.

52. Акерман Б. И., Бушмарина Е. А., Долгов В. В. Микропроцессорный унифицированный автоматический регулятор возбуждения сильного действия АРВ-- СДМ // Автоматическое регулирование и управление в энергосистемах: Сб. науч. трудов. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 3--12.

53. Перспективная система цифрового управления возбуждением мощных турбо-и гидрогенераторов на базе МКС УВТ В10 / В. К. Анисюткин, В. М. Бобров, В. В. Ки-чаев, Е. Н. Попов, В. А. Синепольский, Ю. Д. Тайд // Проектирование и исследование систем возбуждения мощных синхронных машин. Л.: ВНИИэлектромаш, 1989. С. 62--73.

...