Abstract

The scheme of power distribution and connection to the power system "small" sinнronous generators with variable speed

A.I.Gavrilov¹, M.E. Gol'dshtein²

¹«SO UPS», ОЫС Chelaybinskoe RDU, JSC, ²South Ural State University (NIU),

Chelyabinsk, Russia

E-mail: GavrilovAI@chelrdu.so-ups.ru

In some cases, due to technological or technical and economic reasons, there is suitable to operate the drive motors of synchronous generators with variable speed. Connecting these synchronous generators to the grid is possible when coupling with some matching devices, typically based on the elements of power electronics, in particular active filters. There are no sufficient research of the schemes of such units and their functionality, there are no developed additional conditions to the requirements of the technological connection those power units to grid. To analyze the functionality of the units, including the synchronous generator with variable frequency and active filter, which matches generator frequency and networks, and definition of the parameters of their elements there was applied a combination of mathematical modeling of power systems with methods of modeling and calculation of elements of power electronics. Different options of power units with active filters based on the voltage source converters are considered, their functionality and parameters are defined. The comparison of options was done. There were formulated additional conditions to the requirements of the technological connection of the units to grid. Areas of application of different options for power units with active filters based on VSC were define. It is shown that in addition to coordination functions of the synchronous generator and the power system frequency and voltage it is advisable to transfer to the filters the functions of power unit voltage and reactive power regulation.

Key words - Technological connection, synchronous generator, active filter, VSC, mathematical modelling.

Введение

По технологическим или технико-экономическим причинам может быть целесообразна эксплуатация приводных двигателей синхронных генераторов с варьируемой скоростью вращения. Подключение таких синхронных генераторов к энергосистеме возможно при включении между ними согласующих устройств, обычно выполняемых на основе элементов силовой электроники. Обладая более высоким быстродействием и более широкими функциональными возможностями, эти элементы позволяют эффективно решать задачи управления в энергосистеме, как в рабочих, так и в аварийных режимах [1-7]. В заявке на технологическое присоединение таких систем предлагается объявлять присоединение не генератора, а энергоблока, включающего и схему его связи с электрическими сетями. В этом случае сетевым предприятиям не придется анализировать процессы, внутри блока, а решать только типовые задачи присоединения [6]. При этом на этапе внестадийных работ следует определить схему выдачи мощности, включающую и элементы силовой электроники [8].

В зависимости от типа источников генерации, их мощности, допустимых режимов при вариациях скорости вращения СГ и отличии частоты его напряжения от частоты сети применяются различные структурные схемы присоединения генератора к энергосистеме [6,7]. При большом отношении частот напряжений генератора и энергосистемы обычно применяется преобразователь частоты (ПЧ) со звеном постоянного тока, содержащий выпрямитель и инвертор, которые сегодня обычно выполняются на основе преобразователей напряжения (ПН) [6,7]. Уже эксплуатируется большое количество энергоблоков с ПЧ. Установленная мощность силового оборудования на основе СЭ в этих блоках обычно более чем в два раза превышает мощность самого блока.

При небольших отклонениях частоты напряжения генератора от синхронной можно между ним и сетью включить активный фильтр (АФ), обычно выполняемый на основе преобразователей напряжения (ПН) [7]. АФ (рис.1) может также оказаться полезным и в случаях, когда номинальная частота СГ равна синхронной, но в некоторых режимах энергосистемы отличается от синхронной. Это происходит при резком изменении нагрузки генератора либо при изменении условий работы приводного механизма, либо при быстрых увеличениях или снижениях мощности потребителей, а также, если при коротких замыканиях в сети скорость вращения СГ отличается от синхронной, но отличается незначительно. На АФ можно возложить не только функцию поддержания частоты блока, но и регулирования напряжения и реактивной мощности. При этом, рассмотрим не будет ли ожидаемая установленная мощность оборудования АФ определяться разностью частот напряжений СГ и энергосистемы и не будет ли она ниже, чем установленная мощность оборудования, входящего в ПЧ. В схемах с ПН функцию регулирования реактивной мощности лучше передать ПН, подключенному на выход блока [1-5]. При этом, наряду со снижением требований к регулятору скорости вращения приводного двигателя СГ существенно снижаются требования и к его системе возбуждения. Снижаются требования к функциям регуляторов, и их конструкция и схема могут быть упрощены, и, следовательно, повышается надежность блока в целом. двигатель генератор энергоблок

Рис.1 Схема энергоблока: «Синхронный генератор - Активный фильтр»

Полный комплект АФ состоит из фильтра напряжения (ФН) на базе ПН2 (рис.1), согласующего мгновенные значения напряжения - u_Г СГ и напряжения, нормируемого на выходе блока - u_Б и двух фильтров тока: ФТ1 на базе ПН1, согласующего мгновенные значения тока СГ - i_Г и тока ФН - i_ФН и ФТ2 на базе ПН3, согласующего мгновенные значения тока нагрузки блока - i_Б и ток ФН - i_ФН. Кроме того, ПН3 может быть использован для регулирования реактивной мощности энергоблока, определяемой его нагрузкой в узле Б присоединения к энергосистеме.

При рассмотрении варианта присоединения к сети энергоблока, содержащего СГ несинхронной частоты f_Г и АФ, в первую очередь, следует определить установленную мощность оборудования АФ, в частности, найти соотношение этой мощности и установленной мощности оборудования схемы на базе ПЧ. Стоимость системы регулирования АФ при этом непринципиальна, так как она не зависит от соотношения частот - f_Г/f_С. Сегодня это контроллер с различным программным обеспечением, и разница в стоимости АФ и ПЧ определяется в основном стоимостью его силового оборудования.

Установленная мощность оборудования АФ находится, как сумма мощностей ФН -S_ФН и двух ФТ: S_ФТ1 и S_ФТ2. Для определения установленной мощности оборудовании АФ от соотношения частот СГ и энергосистемы f_Г/f_С предварительно определим такие зависимости для каждого из элементов АФ. Исследование можно выполнить традиционным методом, создавая в каком-либо специализированном программном комплексе (Matlab Simulink, AMTP или других) модель, включающую энергоблок, состоящий из СГ несинхронной частоты и АФ, связывающего параметры режима СГ с параметрами режима энергоблока в энергосистеме. Но этот кажущийся быстрым путь для решения поставленной задачи требует в последующем большого количества опытов и тщательного их анализа. Привлекательней является аналитическое решение, которое позволит быстро найти ответы на поставленные вопросы, а кроме того, получить также зависимости, обосновывающие эти ответы. В дальнейшем для анализа конкретных вариантов АФ, анализа электромагнитных процессов в схеме и для выбора элементов АФ можно перейти и к применению специализированного программного обеспечения.

1. Методика аналитического решения

Схема замещения связи энергоблока СГ - АФ с энергосистемой (рис.2) содержит три независимых контура.

Рис.2. Схема замещения связи энергоблока СГ - АФ с энергосистемой

Первый включает СГ и источник тока - i_ФТ1, второй - источник тока - i_ФТ1 , источник напряжения - u_ФН и источник тока - i_ФТ2. Третий контур включает эквивалент- Z_Н нагрузки блока в энергосистеме и источник тока - i_ФТ2.

Напряжение U_Г и U_Б соответственно на фильтрах тока ФТ1 и ФТ2. Напряжение фильтра напряжения - u_ФН находим из уравнения Кирхгофа для контура II (рис.2).

2U_Г sinщ_Гt - U_ФН - 2U_Б sinщ_сt = 0 (1)

Допустив, что напряжение блока и генератора одинаковые, получим

u_ФН = U_Бsin[(щ_Г t - щ_С t) /2]·cos [(щ_Гt + щ_Гt)/2] (2)

Мгновенные значения напряжения активного фильтра - это синусоидальное напряжение с частотой (щ_Гt + щ_Сt)/2, амплитуда которого изменяется, как синусоида, с частотой (щ_Г t - щ_С t) /2 и может достигать значения U_Б + U_Г). На такое напряжение должна быть рассчитана продольная изоляция (межвитковая, межкатушечная) обмотки высшего (генераторного) напряжения последовательного трансформатора Т2 ФН. Блоки малой генерации обычно подключаются на напряжение (0,4 - 10) кВ. Изоляция на этих напряжениях обычно рассчитана на напряжения, в 3-4 раза превышающие номинальные, и поэтому не требуются дополнительные вложения в изоляцию трансформатора активного фильтра. Для снижения напряжений на полупроводниковых приборах, критичных к повышенным напряжениям, выбирается соответствующий коэффициент трансформации, согласованный с допустимыми напряжениями полупроводниковых приборов. При конструктивном выполнении ФН аналогично малогабаритному УПК, разрабатываемому НТЦ ФСК [9,10] нет необходимости в усилении главной изоляции трансформатора Т2.

После того, как определены напряжения элементов АФ: u_ФТ1 = u_Г; u_ФН (2) и u_ФТ2= u_Б для нахождения мощности элементов АФ определим их токи. Учитывая, что активные фильтры не генерируют активную мощность, а напряжение ФН синусоидальное (2), получаем, что ток ПН2 сдвинут по отношению к напряжению на 90 град. эл.

i_ПН2 = k(u_ФН /dt) (3)

С другой стороны, для узла Г

i_ФН = i_Г + i_ФТ1,(4)

а для узла Б

i_ФН = i_Б - i_ФТ2.(5)

Следовательно, при активной нагрузке блока

i_Г + i_ФТ1 = i_Б - i_ФТ2 (6)

и токи фильтров тока

i_ФТ1 = i_ФТ2 = i_ФТ = i_Г - i_Б = - U_Б /R_Н)sin[(щ_Г t + щ_С t) /2]· sin [(щ_Гt - щ_Гt)/2],(7)

а в выражении (3) k = U_Б /R_Н. Если на фильтр ФТ2 возлагается и задача генерации реактивной мощности (нагрузка блока носит индуктивный характер), в его токе появляется дополнительное слагаемое, связанное с реактивной мощностью блока.

Определив для ФН действующие значения, тока I_ФН и напряжения U_ФН за период повторяемости его напряжения

T=2/ (f_С-f_Г)(8)

Найдем мощность фильтра

S_ФН = U_ФН Ч I_ФН (9)

Для определения мощностей ФТ1 и ФТ2, также предварительно находятся действующие значения их токов и напряжений и затем их мощности:

S_ФТ1 = U_Г Ч I_ФТ1 (10)

S_ФТ2 = U_Б Ч I_ФТ2 (11)

Полная установленная мощность оборудования АФ:

S_АФ = S_ФН + S_ФТ1 + S_ФТ1 (12)

2. Зависимости установленной мощности оборудования активного фильтра от соотношения частот напряжений генератора и сети

Выполненные в ПК MatCad исследования показали практическое отсутствие зависимостей установленной мощности элементов АФ от соотношения частот напряжений СГ и сети. При близких частотах напряжения генератора и сети мощность ФН равна мощности СГ, а мощности каждого из ФТ составляют 70% от мощности СГ. При этом суммарная мощность оборудования АФ в 2,4 раза превышает мощность генератора, т.е. практически такая же,как установленная мощность оборудования ПЧ. При изменении частоты СГ от 5 до 100 Гц эти мощности меняются в диапазоне от -2,5% до + 4%, что практически не принципиально.

Заключение

Разработана аналитическая методика определения установленной мощности оборудования активного фильтра, применяемого для связи синхронного генератора несинхронной частоты и энергосистемы в схемах выдачи мощности электростанций с такими блоками.

Результаты исследований установленной мощности оборудования блоков с ПЧ и с АФ показали, что они практически одинаковы при соотношении частот СГ и сети от 0,1 до 2. С предпочтительной областью применения блоков на базе СГ и АФ можно будет определиться только после исследования работы блоков при коротких замыканиях в энергосистеме.

Список литературы

1. Гаврилов, А.И., Гольдштейн М.Е., Особенности присоеднения малой генерации к электрическим сетям средствами на основе элементов силовой электроники // Научные труды 5-ой международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», том 2, Томск, 2014, С. 514 - 517.

2. Рыжов, Ю. Л. Дальние электропередачи сверхвысокого напряжения: учебник для вузов / Ю.П. Рыжов. -- М: Издательский дом МЭИ, 2007. -- 488 с.

3. Hingorani, Narain G. Understanding FACTS : concepts and technology of flexible AC transmission systems / Narain G. Hingorani, Laszlo Gyugyi. - New York: IEEE Press, 2000. - 432 p.

4. Xiao-Ping Zhang Flexible AC Transmission Systems: Modelling and Control / Xiao-Ping Zhang ,Christian Rehtanz, Bikash Pal - Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2006. - 383 p.

5. Егоров, И.С., Гольдштейн М.Е. Регулирование напряжения энергоблока синхронный генератор - объединенный регулятор потока мощности // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика», 2014. - Том 14. - №3. - С. 19 - 24.

6. Гаврилов, А.И., Егоров И.С., Функциональные свойства электротехнического комплекса «синхронный генератор - объединенный регулятор потоков мощности» // Научные труды 4-ой международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», том 1, Новочеркасск, 2013, С. 313-316.

7. Гаврилов, А.И., Гольдштейн М.Е., О присоединении к электрическим сетям синхронных генераторов с варьируемой скорстью вращения // Научные труды 6-ой международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», том 1, Иваново, 2015, С. 628 - 631.

8. Ерохин П.М., Ерошенко, С.А.,Самойленко В.Щ. Процессы подключения собственной генерации., // Энергонадзор, - 2014. - № 8(60), С. 20 - 21.

9. Асташев, М.Г. Применение двухтактного преобразователя в малогабаритном устройстве распределённой продольной компенсации для воздушных линий электропередачи / Асташев М.Г., Панфилов Д.И., Рашитов ПА., Рожков A.H. // Известия РАН. Энергетика. - 2016. - №4.

10. Асташев, М.Г. Анализ режимов работы автономного последовательного регулятора потоков мощности для воздушных линий электропередачи / Асташев М.Г., Панфилов Д.И., Серегин Д.А., Чернышев А.А. // Известия РАН. Энергетика. - 2017. - №1.

Размещено на Allbest.ru