Обоснование и исследование математической модели автоматического регулятора возбуждения сильного действия синхронных генераторов

Специфические особенности производства, передачи и распределения электроэнергии обуславливают необходимость и экономическую целесообразность в автоматическом регулировании напряжения и реактивной мощности. Одним из способов автоматического регулирования напряжения и реактивной является автоматическое регулирование возбуждения синхронных машин. В соответствии с ПУЭ все синхронные генераторы должны быть оборудованы устройствами АРВ [1].

Применение АРВ приводит к поддержанию заданного значения напряжения на выводах генератора; оптимальному распределению реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами и электростанциями в целях минимизации потерь электроэнергии с учетом необходимости поддержания требуемых уровней напряжения в узловых точках энергосистемы; кратковременному увеличению тока возбуждения синхронных машин до максимального потолочного значения при значительных снижениях напряжения.

В частности, регулирование возбуждения генераторов оказывает огромное влияние на переходные процессы в энергосистеме при малых и больших возмущениях, поэтому необходимость адекватного моделирование систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов не вызывает сомнений. Использование полных и достоверных моделей АРВ при анализе переходных процессов и колебательной устойчивости позволяет избежать некорректного ошибочного результата. В связи с этим, в нашей работе и проводились исследование математической модели АРВ-СДП1, одного из распространенных в настоящее время в России.

При проведении исследования математической модели использовалась программа расчета установившихся режимов, переходных режимов и динамической устойчивости EUROSTAG. Использование программно-вычислительного комплекса (ПВК) EUROSTAG позволяет осуществлять детальное моделирование элементов автоматики энергосистем, включая автоматические регуляторы возбуждения.

При моделировании АРВ-СДП1 использовались его функциональные и структурные схемы, приведенная в [3], структурная схема универсальной математической модели систем возбуждения, разработанная в НИЛ «Моделирование ЭЭС» ТПУ [4], а также его структурная схема, реализованная в ВМК РВ ЭЭС, приведенная в [5]. Структурная схема модели АРВ-СДП1 приведена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема моделируемого регулятора АРВ-СДП1

Блок напряжения (БН) формирует сигналы по отклонению напряжения статора и его производной (ДН); блок тока (БТ) вырабатывает сигнал стабилизации по производной тока ротора; блок частоты и защиты (БЧЗ) формирует сигналы по частоте и ее производной частоты (ДЧ); блок усиления (БУ) - суммирует сигналы регулирования и стабилизации и формирует выходной сигнал АРВ.

Исходными данными для формирования сигнала изменения напряжения являются уставка напряжения и напряжение на выводах генератора .

Передаточная функция измерителя напряжения

.

Изменение напряжения поступает на вход БН. БН состоит из интегрирующего канала.

Передаточная функция фильтра низких частот интегрирующего канала отклонения напряжения

.

Передаточная функция интегратора канала отклонения напряжения

.

Коэффициент жесткой отрицательной ОС интегрирующего канала отклонения напряжения равен 1.

Передаточная функция дифференциатора канала напряжения

.

Передаточная функция блока расчета частоты напряжения (преобразования угла в частоту)

.

Передаточная функция блока частоты

.

Передаточная функция канала отклонения частоты

.

Передаточная функция дифференциатора канала частоты

.

Передаточная функция канала регулирования по производной тока ротора

.

Сигналы отклонения и производной напряжения, отклонения и производной частоты напряжения, производной тока ротора и ручного управления напряжением суммируются в сумматоре. Полученный сигнал ограничивается

.

На выходе АРВ формируется сигнал:

- коэффициент усиления пропорционального канала регулятора напряжения (по отклонению напряжения), [о. е];

- коэффициент усиления дифференциального канала регулятора напряжения (по производной напряжения), [о. е];

- коэффициент усиления канала внутренней стабилизации по производной тока ротора, [о. е];

- коэффициент усиления канала системной стабилизации по частоте напряжения, [о. е];

- коэффициент усиления канала системной стабилизации по производной частоты напряжения, [о. е];

- ручное управление напряжением, [о. е.].

Рис. 2. Макроблок ARV_SDP1

На рис.2 представлен макроблок ARV_SDP1, реализующий логику работы устройства АРВ-СДП1. Данный макроблок собран из набора отдельных элементарных блоков, занесенных в библиотеку редактора макроблоков ПВК EUROSTAG, по математической модели отечественного автоматического регуляторов возбуждения сильного действия АРВ-СДП1 с учетом его реализации в ВМК РВ ЭЭС.

Исследование проводим в ПВК EUROSTAG и моделирующем комплексе ВМК РС ЭЭС.

Рис. 4. Осциллограммы, полученные в ВМК РВ ЭЭС (тестовое возмущение 1)

Базовой схемой для проведения исследований является цифровая модель ЭЭС Томской области, реализованная в ПВК EUROSTAG. В качестве исходной информации о нагрузках и вырабатываемой генераторами мощности использованы данные из модели энергосистемы Томской области, реализованной на ВМК РВ ЭЭС, режим которой устанавливался в соответствии с контрольными диспетчерскими замерами. Прежде чем проводить анализ переходных процессов был произведен сравнительный анализ результатов расчета установившегося режима в EUROSTAG с квазиустановившимся режимом ВМК РВ ЭЭС. Сравнительный анализ расчетов показал, что расчетные значения напряжений удовлетворяют 5-ти процентной погрешности, а расчётные значения перетоков активной мощности, полученные в ПВК EUROSTAG, в некоторых ветвях отличаются от значений, получаемых в ВМК РВ ЭЭС, более чем на 5%, при этом погрешность доходит до 25%.

Проверка работы собранного макроблока, реализующего логику работы регулятора АРВ-СДП1, осуществляется путем моделирования следующих тестовых возмущений:

· трехфазное короткое замыкание (длительностью 0,02 с) на шинах 110 кВ электрической станции ГРЭС-2, к которым через трансформатор подключен синхронный генератор с проверяемым АРВ сильного действия (тестовое возмущение 1);

· ступенчатое изменение уставки по напряжению АРВ на +5% генератора ГРЭС-2 (тестовое возмущение 2).

Рис. 3. Осциллограммы, полученные в ПВК EUROSTAG (тестовое возмущение 1)

Данное возмущение проводят при оценке параметров настройки АРВ. При проверке параметров настройки АРВ предполагается рассмотрение нескольких характерных режимов при введённых и выведенных каналах стабилизации. В данной работе не предполагалось исследование оценки параметров настройки, поэтому мы рассмотрим только один режим при введённых каналах стабилизации. Одним из критериев эффективности параметров настройки АРВ сильного действия синхронных генераторов является демпфирование электромеханических переходных процессов во всех характерных режимах на частоте колебаний ротора синхронного генератора за время, не превосходящее 15 с [2].

На рис. 3 и 4 приведены осциллограммы, полученные в ПВК EUROSTAG и ВМК РВ ЭЭС для тестового возмущения 1 соответственно.

Из полученных осциллограмм видно, что затухание электромеханических переходных процессов не превосходит 15 с. Однако сделать заключение о корректности настройки мы не можем, так как мы рассматриваем всего один режим работы.

Так же одним из критериев корректности работы АРВ сильного действия синхронного генератора является обеспечение поддержания потолочного значения напряжения возбуждения генератора вплоть до нарушения динамической устойчивости или до восстановления напряжения.

Из полученных осциллограмм можно сказать, что в обоих случаях системы АРВ осуществляют форсировку возбуждения синхронного генератора для поддержания заданного напряжения на выводах генератора. При этом мы наблюдаем кратковременное (вплоть до восстановления напряжения) увеличение напряжения возбуждения до потолочного значения 2U_f*.

Рис. 5. Осциллограммы, полученные в ПВК EUROSTAG (тестовое возмущение 2)

Рис. 6. Осциллограммы, полученные в ВМК РВ ЭЭС (тестовое возмущение 2)

На рис. 5 и 6 приведены осциллограммы, полученные в ПВК EUROSTAG и ВМК РВ ЭЭС для тестового возмущения 2 соответственно.

При сравнении осциллограмм, полученных в разных комплексах, видно, что уставка по напряжению АРВ генератора ГРЭС-2 изменилась на одну и ту же величину (+5%), при этом полученные значения напряжения практически совпадают (). При увеличении напряжения на выводах генератора, видно, что для его поддержания потребовалось увеличить ток возбуждения, при этом увеличилось напряжение возбуждения и генерируемая реактивная мощность.

Сравнивая осциллограммы, полученные в ПВК EUROSTAG и ВМК РВ ЭЭС, можно сказать, что характер представленных характеристик совпадает.

В результате исследования в программном комплексе EUROSTAG реализована адекватная модель автоматического регулятора возбуждения сильного действия полупроводникового типа АРВ-СДП1. Проверка работоспособности цифровой модели АРВ-СДП1 путем моделирования двух тестовых возмущений в ПВК EUROSTAG показала, что собранная модель отрабатывает все возмущения корректно в соответствии со стандартом [2]. С учетом полученных результатов можно сделать вывод, что реализованная модель позволяет достаточно точно проанализировать работу АРВ-СДП1, его влияние на режим работы энергосистемы в целом.

Использование программы EUROSTAG позволяет осуществлять детальное моделирование устройств противоаварийной автоматики и релейной защиты. Это достигается за счет расширенного набора измерительных и функциональных блоков, реализованных в редакторе макроблоков программного комплекса. В частности, детальное моделирование АРВ разных типов, эксплуатирующихся на энергообъектах ЕЭС/ОЭС, позволяет своевременно выявлять ошибки настройки регулятора, которые в свою очередь могут стать причиной крупномасштабных аварий.

Список литературы

1. Правила устройства электроустановок. Все действующие разделы шестого и седьмого изданий с изменениями и дополнениями по состоянию на 1 февраля 2014 г. - М.: КНОРУС, 2014? 488 с.

2. Стандарт организации: СТО 59012820.29.160.20.001-2012. Требования к системам возбуждения и автоматическим регуляторам возбуждения сильного действия синхронных генераторов. - Москва: 2012. - 150 с.

3. Юрганов А. А., Кожевников В. А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. - СПб.: Наука, 1996. - 138 с.

4. Гусев А. С. Адаптируемая математическая модель систем возбуждения синхронных машин / А. С. Гусев, С. В. Свечкарев, И. Л. Плодистый // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. - 2005. - Т. 308, № 7. - [С. 211-215].

5. Андреев М.В., Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем: учебное пособие / М.В. Андреев, Н.Ю. Рубан, А.А. Суворов и др.; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во ТПУ, 2016. - 108 с.

Размещено на Allbest.ru