Коротков В.Ф. Автоматическое управление напряжением и реактивной мощностью синхронных генераторов и электрических станций: учеб. пособие

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Ивановский государственный энергетический университет

имени В.И. Ленина»

В.Ф. Коротков

Автоматическое управление напряжением

и реактивной мощностью синхронных генераторов

и электрических станций

Учебное пособие

Иваново 2008

УДК 621.311.22:621.313.32:681.5

К66

Коротков В. Ф. Автоматическое управление напряжением

и реактивной мощностью синхронных генераторов и элек-

трических станций: учеб. пособие / ГОУВПО «Ивановский

государственный энергетический университет имени

В. И. Ленина». – Иваново, 2008. – 192 с.

ISBN 978–5–89482–575–5

Учебное пособие предназначено для студентов специальности

140203.65 «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических

систем» дневной и заочной форм обучения при изучении дисциплины

«Автоматическое регулирование в электроэнергетических системах»,

может быть полезно студентам других специальностей электроэнерге-

тического профиля.

Ил. 80 . Библиогр.: 41 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

ГОУВПО «Ивановский государственный

энергетический университет имени В. И. Ленина»

Научный редактор

кандидат технических наук А. В. Гусенков

Рецензент

кандидат технических наук, начальник службы электрических

режимов филиала ОАО «СО ЕЭС» Ивановское РДУ

В. А. Серов

В. Ф. Коротков,

2008

ISBN 978–5–89482–575–5

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие…………………………………………………………….. 5

Введение с краткой исторической справкой.………………………. 7

1. Синхронный генератор как объект управления по напряжению

и реактивной мощности……………………….…………………... 19

1.1. Общие сведения……………………………………………………. 19

1.2. Внешняя и регулировочная характеристики синхронного

генератора………………………………………………………….. 21

1.3. Работа синхронного генератора на шины неизменного

напряжения при заданной активной мощности и изменяемом

токе возбуждения.…………………………………………………. 23

1.4. Работа синхронного генератора на шины с изменяющимся

напряжением при заданных значениях активной мощности и

тока возбуждения……………………………………………………29

1.5. Работа синхронного генератора, снабженного автоматическим

регулятором напряжения, на шины с изменяющимся

напряжением при заданном значении активной мощности ……. 32

1.6. Располагаемая реактивная мощность синхронного генератора

в нормальных режимах…………………………………………… 35

1.7. Вопросы для самоконтроля………………………………………... 41

2. Системы возбуждения синхронных генераторов……………….. 43

2.1. Общие сведения…………………………………………………….. 43

2.2. Основные требования, предъявляемые к системам возбуждения. 45

2.3. Классификация систем возбуждения……………………………... 52

2.4. Электромашинные системы возбуждения……………………….. 57

2.5. Высокочастотные системы возбуждения……………………….… 64

2.6. Бесщеточные системы возбуждения……………………………… 69

2.7. Тиристорные системы независимого возбуждения….…………... 76

2.8. Тиристорные системы самовозбуждения……………………….... 78

2.9. Вопросы для самоконтроля………………………………………... 82

3. Автоматическое регулирование возбуждения синхронных

генераторов…..………………………………………………………. 84

3.1. Общие сведения………………………………….…………………. 84

3.2. Компаундирование синхронных генераторов полным током…... 87

3.3. Коррекция напряжения генераторов, снабженных

устройством компаундирования…………………………………... 92

3.4. Фазовое компаундирование…………………….………………....103

3.5. Управляемое фазовое компаундирование………………………..108

3.6. Релейная форсировка возбуждения и релейное развозбуждение

синхронных генераторов с электромашинным возбудителем …..112

3.7. Автоматическое регулирование возбуждения генераторов с

высокочастотным возбудителем…………………………………..115

3.8. Автоматическое регулирование возбуждения сильного

действия……………………………………………………………..127

3.9. Микропроцессорные автоматические регуляторы возбуждения

нового поколения ..………………………………..……………….142

3.10. Особенности автоматического регулирования возбуждения

асинхронизированных генераторов……………………………...154

3.11. Вопросы для самоконтроля………………………………………158

4. Автоматическое регулирование напряжения и реактивной

мощности электрической станции……………………………….160

4.1. Общие сведения…………………………………………………....160

4.2. Понятие о регулирующем эффекте реактивной мощности

нагрузки………………………………………………………….....162

4.3. Автоматическое распределение реактивной мощности между

генераторами электрической станции……………………………165

4.4. Управление реактивной мощностью синхронного генератора

путем изменения уставки АРВ…………………………………….171

4.5. Управление напряжением и реактивной мощностью

электрической станции с генераторами, оснащенными АРВ…...176

4.6. Групповое управление возбуждением синхронных

генераторов электрической станции……………………………...179

4.7. Вопросы для самоконтроля………………………………………..187

Библиографический список….…………………………………………….189

Предисловие

Настоящее пособие является изложением части курса лекций по

дисциплине «Автоматическое регулирование в электроэнергетических

системах», в течение многих лет читаемых автором в Ивановском го-

сударственном энергетическом университете им. В.И. Ленина (ИГЭУ).

В настоящее время по этой дисциплине при непосредственном участии

автора разрабатывается вторая версия электронного (компьютерного)

учебника в рамках автоматизированной системы дистанционного обу-

чения. В компьютерном учебнике предполагается использование не-

скольких форм изложения учебного материала (повествовательная,

диалоговая, справочная и др.). Работа над содержанием учебника по-

будила автора материал, изложенный в повествовательной форме,

представить также на бумажном носителе, что расширяет доступность

его для разных категорий пользователей.

На данном этапе в пособие вошел только первый раздел содер-

жания дисциплины, посвященный вопросам автоматического управле-

ния синхронными генераторами и электрическими станциями по на-

пряжению и реактивной мощности. Второй и третий разделы, соответ-

ственно отражающие вопросы автоматического регулирования напря-

жения и реактивной мощности в электрических сетях и автоматиче-

ского управления электроэнергетическими системами по частоте и

активной мощности, планируется издать позднее.

Пособие состоит из четырех глав. В первой главе рассматривают-

ся свойства синхронного генератора как объекта управления по на-

пряжению и реактивной мощности. В доступной форме (по мнению

автора) показано влияние регулирования возбуждения на режимы ра-

боты синхронного генератора по напряжению и реактивной мощности,

а также на устойчивость параллельной работы его с сетью.

Во второй главе рассматриваются свойства и особенности наибо-

лее широко известных систем возбуждения синхронных генераторов,

от традиционных электромашинных систем (с возбудителями посто-

янного тока) до современных тиристорных систем возбуждения.

Третья глава посвящена рассмотрению наиболее широко исполь-

зуемых в бывшем СССР и ныне в России типов автоматических регу-

ляторов возбуждения разных поколений. Автор сознательно уделил

достаточное внимание не только современным типам автоматических

регуляторов возбуждения, включая микропроцессорные, но и регуля-

торам, снятым в настоящее время с производства. Это продиктовано

следующими соображениями:

- рассмотрение принципов регулирования, используемых в регу-

ляторах старых типов, позволяет глубже понять проблемы, побуж-

дающие специалистов к непрерывному совершенствованию регулято-

ров возбуждения;

- в регуляторах более поздних поколений нередко используются

идеи, заимствованные из предшествующих регуляторов (например,

искусственное изменение статизма, задание уставки измерительного

органа по напряжению путем изменения масштабного коэффициента

и др.);

- некоторые типы старых регуляторов (компаундирование с элек-

тромагнитным корректором напряжения, управляемое фазовое компа-

ундирование, релейная форсировка возбуждения) до настоящего вре-

мени находятся в эксплуатации на генераторах относительно неболь-

шой мощности с электромашинными возбудителями постоянного тока.

В четвертой главе рассматриваются вопросы автоматического

распределения реактивной мощности между генераторами, оснащен-

ными регуляторами возбуждения и работающими на шины электриче-

ской станции, автоматического регулирования напряжения на шинах и

группового управления возбуждением генераторов электрических

станций.

В конце каждой главы приведены вопросы для самоконтроля.

Содержание вопросов соответствует тестам, используемым для само-

контроля в компьютерном учебнике, однако отличается от них редак-

цией и отсутствием вариантов ответов.

Объем пособия несколько превышает объем материала, излагае-

мого студентам на лекциях. С другой стороны, для более углубленного

изучения отдельных вопросов читатели могут обратиться к приведен-

ным в конце пособия литературным источникам.

Автор благодарит Н. Е. Новикову за оказанную помощь в техни-

ческой подготовке рукописи пособия.

Введение с краткой исторической справкой

Автоматическое управление режимами работы синхронных гене-

раторов (СГ) и электрических станций по напряжению и реактивной

мощности является одной из важнейших научно-технических задач

современной электроэнергетики, решение которой способствует обес-

печению надежности, устойчивости и экономичности единого техно-

логического процесса выработки и передачи (в первую очередь), а

также распределения и потребления (в определенной степени) элек-

трической энергии как конечного продукта соответствующего качест-

ва. Ведущая роль в решении этой задачи отводится автоматическому

регулированию возбуждения СГ.

Известно, что уровень напряжения в каком-либо узле электриче-

ской сети, например на шинах электрической станции, определяется

балансом реактивной мощности в этом узле. Приходной частью этого

баланса является реактивная мощность, поступающая к этому узлу от

какого-либо источника (генерируемая), а расходной – отходящая от

узла (потребляемая). Понятия «генерируемая» и «потребляемая» в оп-

ределенном смысле являются условными, т.к. в течение периода пере-

менного синусоидального тока мгновенная реактивная мощность два-

жды меняет направление (от источника к приемнику и наоборот), и

среднее значение ее за период равно нулю. Однако принято условно

считать, что источник генерирует, а приемник потребляет положи-

тельную реактивную мощность, если ток отстает по фазе от напряже-

ния. И наоборот, источник генерирует отрицательную реактивную

мощность, т.е. как бы потребляет ее, если ток опережает по фазе на-

пряжение. При этом приемник выступает в роли источника.

Основными, но не единственными источниками реактивной

мощности в электроэнергетической системе являются СГ электриче-

ских станций. При этом величина и знак реактивной мощности генера-

тора зависят от величины тока возбуждения.

Основными потребителями реактивной мощности являются

асинхронные двигатели и трансформаторы, обладающие индуктивно-

стями намагничивания и рассеяния обмоток.

Если в каком-либо узле произойдет нарушение баланса между

генерируемой и потребляемой реактивной мощностью, то напряжение

в этом узле начнет изменяться. Процесс изменения напряжения будет

продолжаться до тех пор, пока баланс вновь не восстановится, но уже,

как правило, при новом уровне напряжения, несколько отличающемся

от исходного значения. Возможность восстановления баланса обу-

словлена тем, что при изменении напряжения меняются и генерируе-

мая и потребляемая реактивные мощности. Изменение генерируемой

мощности происходит прежде всего за счет действия автоматических

регуляторов возбуждения (АРВ), изменяющих ток возбуждения СГ

при отклонениях напряжения на выводах от заданного значения. Из-

менение потребляемой реактивной мощности происходит за счет так

называемого регулирующего эффекта нагрузки.

Возможны также случаи, когда при снижении напряжения в узле

новое условие баланса реактивной мощности не создается, например

при значительном его нарушении. В таких случаях возникает явление

лавины напряжения.

Оснащение СГ эффективными АРВ не только способствует ста-

билизации напряжения в электроэнергетической системе, но и снижает

вероятность возникновения лавины напряжения.

Потребность в автоматическом регулировании возбуждения воз-

никла одновременно с началом первого практического использования

СГ в качестве источников переменного (сначала однофазного, а затем

трехфазного) тока для нужд промышленности и населения. В первую

очередь это было связано с необходимостью обеспечения постоянного

уровня напряжения на выводах генератора, сильно зависящего от ве-

личины меняющейся во времени нагрузки. Стабилизация напряжения

на выводах генератора при изменяющейся нагрузке являлась основной

и единственной для того времени функцией АРВ, называвшегося по-

этому автоматическим регулятором напряжения (АРН).

Для осуществления АРН использовались известные в то время

принципы регулирования по возмущению и по отклонению.

Одним из первых наиболее пригодных для практического ис-

пользования АРН по возмущению (току нагрузки) трехфазного СГ

было так называемое устройство компаундирования, предложенное в

1902 г. М. О. Доливо-Добровольским [1]. Принцип работы такого уст-

ройства заключался в дополнительной подпитке обмотки возбуждения

СГ или возбудителя выпрямленным током, пропорциональным току

статора СГ, что позволяло компенсировать снижение напряжения, вы-

званное увеличением нагрузки. В качестве возбудителя использова-

лась машина (генератор) постоянного тока, впервые предложенная для

этой цели П. Н. Яблочкиным и получившая впоследствии в этом каче-

стве массовое всемирное распространение. Выпрямление переменного

тока осуществлялось малоэффективными алюминиевыми электроли-

тическими выпрямителями. По причине несовершенства выпрямите-

лей компаундирование СГ не получило широкого распространения в

те годы.

АРН, работающие по принципу отклонения напряжения, появля-

ются и довольно широко начинают применяться уже в начале 20-х гг.

прошлого века. Первоначально они рассматривались только в качестве

устройств, облегчающих работу дежурного персонала по поддержа-

нию требуемого уровня напряжения. Задачи по улучшению устойчи-

вости параллельной работы СГ перед ними не ставились.

Характерными примерами первых АРН по отклонению напряже-

ния могут быть следующие регуляторы[2]:

- угольные и реостатные, обеспечивающие плавное изменение

сопротивления цепи самовозбуждения возбудителя СГ;

- вибрационно-импульсные;

- реостатно-импульсные.

Принцип действия угольного регулятора, выпускавшегося Чебок-

сарским заводом Министерства электротехнической промышленности

(МЭП) бывшего СССР, заключался в следующем.

В цепь самовозбуждения возбудителя включалось сопротивление

в виде угольного столба, находящегося под механическим давлением,

обусловленным силой сжатия пружины. Этой силе противодействова-

ла сила электромагнита, на обмотку которого подавалось напряжение с

выводов генератора. При некотором значении напряжения эти силы

уравновешивались. При снижении напряжения сила электромагнита

уменьшалась и давление на угольный столб увеличивалось, что приво-

дило к уменьшению его сопротивления и, следовательно, увеличению

тока возбуждения возбудителя, генератора и напряжения на его выво-

дах.

Реостатные регуляторы выпускались фирмой Броун-Бовери, и их

действие заключалось в механическом перемещении скользящего кон-

такта реостата в цепи самовозбуждения возбудителя за счет электро-

магнитной силы, действующей на специальный поворотный барабан и

зависящей от напряжения СГ.

В вибрационно-импульсных регуляторах с помощью специально-

го электромеханического устройства производилось периодическое

кратковременное закорачивание (полностью или частично) реостата в

цепи самовозбуждения возбудителя. Причем соотношение интервалов

замкнутого и разомкнутого состояния контактов, закорачивающих

реостат, определялось уровнем напряжения СГ. В результате среднее

значение тока возбуждения возбудителя и, следовательно, тока возбу-

ждения СГ получилось зависимым от его напряжения.

Примером реостатно-импульсного АРН может служить регуля-

тор СН-91 завода ХЭМЗ, получивший в свое время широкое распро-

странение на электрических станциях СССР. Регулирование напряже-

ния СГ осуществлялось путем импульсного перемещения скользящего

контакта реостата в цепи самовозбуждения возбудителя, причем про-

должительность импульсов перемещения устанавливалась пропорцио-

нальной отклонению напряжения СГ от заданного значения (время-

импульсный принцип).

Рассмотренные типы регуляторов были недостаточно совершен-

ны по принципам действия, по надежности и быстродействию. При

создании электроэнергетических систем путем соединения линиями

электропередачи отдельных электрических станций возникла пробле-

ма устойчивости параллельной работы станций. В целях обеспечения

устойчивости к АРН стали предъявляться более высокие требования.

Удовлетворению этих требований в определенной степени способст-

вовало развитие электронно-вакуумной техники. На смену электроме-

ханическим АРН пришли электронные. В качестве примеров можно

привести следующие типы таких регуляторов[2]:

- односистемный электронно-ионный регулятор типа РНЭ Все-

союзного электротехнического института (ВЭИ) (разработчик

Г. Р. Герценберг.);

- двухсистемный электронно-ионный регулятор напряжения

ВЭИ-МЭП.

В этих регуляторах отсутствовали подвижные электромеханиче-

ские устройства, а реализация регулирующих воздействий осуществ-

лялась не путем изменения сопротивления в цепи обмотки самовозбу-

ждения возбудителя, а путем создания дополнительного возбуждения

возбудителя током выхода регулятора. За счет этого не только повы-

шалась надежность действия системы регулирования, но и, что осо-

бенно было важно, быстродействие.

До конца 30-х гг. прошлого столетия АРН использовались в ос-

новном для регулирования напряжения СГ в нормальных эксплутаци-

онных режимах. Величина тока возбуждения СГ при этом, как прави-

ло, не выходила за пределы номинальных значений. Иногда регулято-

ры даже снабжались специальными токоограничителями, которые

снимали возбуждение генераторов при возрастании тока статора до

значений выше номинального, в частности при коротких замыканиях

(КЗ). Исследования, выполненные под руководством Технического

управления Министерства электрических станций СССР

(И. А. Сыромятников), и опыт эксплуатации, накопленный энергосис-

темами Советского Союза, показали, что в аварийных условиях, и в

частности при КЗ в электрической сети, ток возбуждения СГ следует

не только не ограничивать, но, наоборот, быстро увеличивать до мак-

симально возможного значения, осуществляя так называемую форси-