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

Подождите немного. Документ загружается.

121

Искусственный статизм (как правило, отрицательный) создается за

счет устройства токовой компенсации УТК, включаемого на входе из-

мерительного органа напряжения ИОН (рис.3.25). Уставка (предпи-

санное напряжение

) ИОН может изменяться с помощью УАТ.

Рис.3.30. Проходные характеристики измерительного органа (а), магнитного

усилителя (б) и противовключенного канала управления (в) при I

оф

= 0

При глубоком снижении напряжения СГ ток выхода противовк-

люченного канала управления

уменьшается до минимального зна-

чения, способствуя форсировке возбуждения СГ. Если напряжение

возбуждения СГ

в меньше двукратного, то

оф

= 0

и обмотка W

оф

не

оказывает влияния на ток выхода

Если в режиме форсировки на-

пряжение возбуждения СГ окажется больше

в.ном

, то в обмотке W

оф

появляется ток

оф

увеличивающий ток I

(рис.3.31) в такой степени,

чтобы обеспечивалось

= 2U

в.ном

При

оф

≠ 0

намагничивающая сила управления магнитным уси-

лителем будет определяться выражением

офофунлэуннэуп

WWW

IIIF +−=

В результате этого проходная характеристика канала (рис.3.31,в)

как бы смещается влево, что соответствует увеличению тока

по

сравнению со случаем

оф

= 0

122

Рис. 3.31. Проходные характеристики измерительного органа (а), магнитного

усилителя (б) и противовключенного канала управления (в) при I

оф

≠0

За счет увеличения

и уменьшения

в функции тока

оф

на-

пряжение возбуждения СГ в режиме форсировки ограничивается на

двукратном номинальном уровне, если во время форсировки оно нач-

нет превышать это значение.

Основными элементами УОФ (рис.3.32) являются:

- ТП-УОФ – промежуточный трансформатор;

- ТИ-УОФ – измерительный трансформатор;

- УО-УОФ – усилительный орган (магнитный усилитель с внут-

ренней обратной связью);

- ВЛЭ, ВНЭ – выпрямители соответственно линейного и нели-

нейного элементов измерительного органа напряжения возбуждения.

УОФ работает по принципу электромагнитного противовклю-

ченного корректора напряжения.

Основные отличия его от корректора состоят в следующем:

- на вход измерительного органа подается переменное напряже-

ние (500 Гц) с выхода высокочастотного возбудителя, определяющее

напряжение возбуждения СГ

;

- напряжение на вход измерительного органа подается через трех-

обмоточный промежуточный трансформатор ТП-УОФ, одна из вто-

ричных обмоток которого используется для питания силовой цепи

усилительного органа;

- в измерительном органе используется 4-х обмоточный насы-

щающийся трансформатор напряжения ТИ-УОФ, одна из вторичных

обмоток которого, соединенная по схеме «зигзаг», может подключать-

ся (при срабатывании УРУ) к источнику постоянного тока;

123

- усилительный орган УО-УОФ кроме внутренней обратной связи

имеет обмотку внешней жесткой отрицательной обратной связи по

току выхода.

Рис. 3.32. Принципиальная схема устройства ограничения форсировки

Выход УОФ подключается к обмоткам управления W

оф

усили-

тельных органов согласованного УО

(рис.3.26) и противовключенного

УО

(рис.3.29) каналов управления.

Проходная характеристика УОФ представлена на рис.3.33.

Измерительный орган УОФ настраивается с помощью резистора

(рис.3.32) на заданное значение напряжения возбуждения

в.ном

При

< 2U

в.ном

ток выхода УОФ мал и не оказывает заметного

влияния на токи выхода усилительных органов УО

) и УО

В режиме форсировки при

> 2U

в.ном

ток

оф

на выходе УОФ

резко возрастает, что вызывает уменьшение тока

и увеличение

и,

следовательно, уменьшение напряжения (тока) возбуждения СГ.

Таким образом, в режиме форсировки обеспечивается регулиро-

вание напряжения (и, следовательно, тока) возбуждения СГ на уровне

= 2U

в.ном

с некоторым статизмом, определяемым наклоном (кру-

тизной) проходной характеристики УОФ (рис.3.33).

Если длительность двукратной форсировки возбуждения превы-

сит заданное для данного типа СГ значение, то по истечении этого

времени срабатывает УРУ (рис.3.25), которое подключает одну из вто-

ричных обмоток ТИ-УОФ (рис.3.32) к источнику постоянного тока.

Это вызывает резкое увеличение тока выхода нелинейного элемента

измерительного органа и, следовательно, уменьшение заданного на-

пряжения возбуждения до значения

в.ном

124

Рис.3.33. Проходная характеристика устройства ограничения форсировки до

(кривая 1) и после (кривая 2) срабатывания УРУ на ограничение длительности

форсировки: а – характеристика измерительного органа (I

’

нэуоф

– ток нелиней-

ного элемента после срабатывания УРУ); б – характеристика УОФ

Для турбогенераторов с непосредственным охлаждением обмоток

ротора и статора двукратная форсировка возбуждения допустима в

течение времени не более 20 с. В большинстве случаев напряжение СГ

восстанавливается (например, после отключения КЗ) за меньшее вре-

мя, и форсировка сама по себе прекращается. Однако не исключаются

случаи, когда напряжение СГ длительно не восстанавливается (напри-

мер, при затянувшейся ликвидации КЗ), и форсировку приходится при-

нудительно прекращать (ограничивать длительность), что и осуществ-

ляется УРУ через УОФ.

УРУ (рис.3.34) обеспечивает следующие функции:

- ограничение длительности форсировки возбуждения СГ;

- защиту СГ от повышения напряжения возбуждения при отказе

УОФ;

- защиту СГ от повышенного напряжения возбуждения при отка-

зе цепей ограничения длительности форсировки;

- ограничение напряжения возбуждения при аварийном (или

ошибочном) отключении автоматического выключателя в цепи транс-

форматора напряжения (на рис.3.26 не показан) и др.

125

Рис. 3.34. Принципиальная схема устройства релейного управления

Влияние УОФ и УРУ на процесс форсировки возбуждения СГ

удобно проследить по переходной характеристике системы возбужде-

ния (рис.3.35).

Рис.3.35. Переходная характеристика системы возбуждения СГ в режиме фор-

сировки: 1 – начало форсировки; 2 – запуск элемента выдержки времени УРУ

на ограничение длительности форсировки; 3 – начало работы УОФ; 4 – запуск

элемента выдержки времени УРУ для защиты СГ от повышения напряжения

при отказе УОФ; 5 – отключение СГ и АГП; 6 – прекращение форсировки при

естественном ходе процесса; 7 – прекращение форсировки при срабатывании

УРУ на ограничение ее длительности; 8 – отключение СГ и АГП при отказе

цепей УРУ или УОФ на ограничение длительности форсировки

При аварийном снижении напряжения СГ (например, при КЗ)

увеличивается ток

на выходе согласованного канала управления и

уменьшается ток

на выходе противовключенного канала управле-

ния, что увеличивает по экспоненциальному закону напряжение

на

126

выводах возбудителя. Этому также способствует компаундирующий

эффект свободной составляющей тока ротора, появляющейся при КЗ.

После устранения причины, вызвавшей снижение напряжения СГ

(например, после отключения КЗ), напряжение СГ восстанавливается,

ток

уменьшается, а

увеличивается, что вызывает естественное

прекращение процесса форсировки и уменьшение

до уровня, близ-

кого к номинальному значению.

Если по какой-либо причине процесс форсировки затягивается,

то по истечении 14 – 16 с после ее начала срабатывает устройство ре-

лейного управления. За счет подмагничивания постоянным током из-

мерительного трансформатора ТИ-УОФ (рис.3.32) и вызванного этим

увеличения тока на выходе УОФ (рис.3.33) напряжение

снижается

до номинального значения.

Если, однако, ограничение длительности форсировки не осуще-

ствляется, то через 20с после начала форсировки происходит отключе-

ние выключателя СГ и АГП.

При

= 2 U

в.ном

вступает в работу УОФ, ограничивающее на-

пряжение возбуждения СГ на уровне

= 2U

в.ном

. Если по какой-

либо причине УОФ откажет и напряжение

будет продолжать уве-

личиваться, то при

= 2,4U

в.ном

запустится элемент выдержки вре-

мени УРУ и через 1 с после этого (если

не снизится) произойдет

отключение выключателя СГ и АГП.

Рассмотренная система автоматического регулирования возбуж-

дения соответствует используемой на ряде электрических станций па-

нели регулирования ЭПА-325 для турбогенераторов серии ТВВ с двух-

машинной системой возбуждения. Имеется также модификация ука-

занной панели для одномашинной системы возбуждения (без подвоз-

будителя), в которой силовые цепи усилительных органов питаются от

обмотки переменного тока возбудителя через промежуточный транс-

форматор [7].

Происходит модернизация и самих панелей регулирования. На-

пример, НТП «Август» – АО ВНИИЭ в числе других производит ре-

конструкцию панели ЭПА-325.

Целью реконструкции является устранение наименее надежного

элемента схемы регулирования – установочного автотрансформатора

УАТ (рис. 3.25) с приводом и установка ограничителя минимального

возбуждения.

Вместо УАТ применяется специальное устройство изменения за-

дания (УИЗ), выполненное на интегральных микросхемах, обладаю-

щее высокой надежностью. УИЗ выполняет следующие функции:

127

- дистанционное изменение уставки;

- автоматическую подгонку уставки АРВ при переводах СГ с ре-

зервного возбуждения на рабочее;

- автоматическую установку минимальной уставки при началь-

ном возбуждении;

- плавный подъем тока ротора СГ при начальном возбуждении

(программное возбуждение).

Питание УИЗ производится от измерительного трансформатора

напряжения СГ.

Ограничитель минимального возбуждения предотвращает чрез-

мерное снижение тока ротора СГ при избытке реактивной мощности в

электроэнергетической системе.

Реконструкция предполагает также замену морально устаревших

магнитных усилителей на тиристорные усилители.

3.8. Автоматическое регулирование возбуждения

сильного действия

Основная цель использования автоматических регуляторов воз-

буждения сильного действия – повысить предел передаваемой мощно-

сти по линиям электропередачи по условиям устойчивости СГ [35].

При автоматическом регулировании возбуждения сильного дей-

ствия наибольшая по условию статической устойчивости передаваемая

мощность может достигать предельной мощности линии, соответст-

вующей

=const и

πδ

[22],

где

– напряжение в начале линии;

– угол между векторами напряжений в начале и в конце линии.

При этом синхронные генераторы работают в условиях искусственной

устойчивости с углом

Исследование принципиальных вопросов автоматического регу-

лирования возбуждения сильного действия и разработка одного из

первых регуляторов проводились в МЭИ. Впоследствии в ВЭИ

им. В. И. Ленина был создан унифицированный электромагнитный

автоматический регулятор возбуждения сильного действия (АРВ СД)

аналогового типа на магнитных усилителях. Такими регуляторами бы-

ли оборудованы гидрогенераторы Братской, Красноярской и других

ГЭС, турбогенераторы мощностью 300, 500 и 800 МВт, а также гене-

раторы атомных электростанций. Впоследствии появились полупро-

водниковые АРВ СД (АРВ СДП). В Сибирском энергетическом инсти-

128

туте разработан цифровой автоматический регулятор возбуждения

сильного действия, а в ВЭИ – регулятор на базе микропроцессора [22].

Для автоматического регулирования возбуждения сильного дей-

ствия характерно следующее:

- упреждающее действие регулятора за счет использования в ал-

горитме регулирования воздействий по производным (первым и даже

вторым) режимных параметров (напряжения, тока, частоты);

- высокое быстродействие регулятора и возбудителя;

- сложный алгоритм регулирования, содержащий регулирующие

воздействия по нескольким режимным параметрам;

- большие значения коэффициентов передачи регулятора по ка-

ждому из регулирующих воздействий.

Регулирование возбуждения сильного действия используется на

СГ либо с тиристорной, либо с быстродействующей бесщеточной сис-

темами возбуждения.

Для повышения устойчивости СГ при передаче большой мощно-

сти по линии электропередачи целесообразным было бы использова-

ние в алгоритме регулирования возбуждения воздействия по углу ме-

жду вектором ЭДС генератора и вектором напряжения приемной сис-

темы (в конце линии). Однако практическое измерение этого угла свя-

зано с определенными техническими трудностями. Например, для этой

цели могут использоваться так называемые фантомные схемы, моде-

лирующие вектор напряжения в конце линии. Но они не получили ши-

рокого распространения. Поэтому в алгоритме регулирования обычно

применяют воздействия по другим электрическим параметрам, зави-

сящим от угла (напряжение, ток, частота).

В регуляторах возбуждения сильного действия в качестве регу-

лирующих воздействий могут использоваться:

- отклонение напряжения

∆U

от заданного значения;

- первая производная напряжения

U =

;

- первая и вторая производные тока лини электропередачи:

;

- изменение и первая производная частоты:

;

129

Отклонение напряжения

∆U

необходимо для обеспечения задан-

ного напряжения генератора. Учитывая, что передача максимальной

мощности, близкой к предельной, возможна при постоянстве напряже-

ния в начале линии, обычно отклонение определяют как разность ме-

жду напряжением в начале линии и заданным значением, т.е.

ззтгг

UUUxIjUU −=−−=

&&&

где

– напряжение на выводах генератора;

тг

– падение напряжения в сопротивлении

трансформатора

блока генератор-трансформатор;

– заданное значение напряжения.

В соответствии с данным выражением, для формирования на-

пряжения, пропорционального напряжению в начале линии, необхо-

димо использование устройства токовой компенсации. Иногда его на-

зывают устройством компаундирования измерительного органа на-

пряжения по току.

Использование регулирующего воздействия по производной на-

пряжения

позволяет повысить устойчивость процесса регулирова-

ния, особенно в режиме холостого хода СГ.

Производная тока или изменение и производная частоты совме-

стно с производной напряжения повышают устойчивость замкнутой

автоматической системы регулирования, включающей нагруженную

электропередачу, обеспечивая затухание электромеханических пере-

ходных процессов. Поэтому регулирующее воздействие АРВ СД часто

разделяют на собственно регулирующее воздействие, обусловленное

отклонением напряжения, и стабилизирующее воздействие, опреде-

ляемое производными режимных параметров.

Таким образом, алгоритм АРВ СД может быть представлен од-

ним из следующих выражений:

),Д(Д

);(Д

'''''

''''''''

fкfкUкUкY

IкIкUкUкY

ffu

лIлIu

+++=

где

'''''

,,,,,

IIff

KKKKKK

– коэффициенты передачи регулятора по

соответствующим регулирующим воздействиям.

Первый из указанных алгоритмов (с использованием стабилизи-

рующих воздействий по производным тока) используется редко, т.к.

он применим в основном только для электрических станций с относи-

тельно простой схемой выдачи мощности в энергетическую систему.

130

Поэтому ниже будет рассматриваться только алгоритм со стабилизи-

рующими воздействиями по изменению и производной частоты.

В целях повышения устойчивости и улучшения качества регули-

рования в алгоритм АРВ СД добавляется еще одно регулирующее воз-

действие – по производной тока ротора

СГ, отображающее по суще-

ству скорость изменения ЭДС генератора.

С учетом сказанного, наиболее распространенным в настоящее

время алгоритмом регулирования АРВ СД является

)Д(Д

'''''

IкfкfкUкUкY

pffu

++++=

. (3.11)

В операторной форме (с учетом того, что производная величины

равна производной отклонения) алгоритм АРВ СД может быть записан

в виде

),()(Д)

()(Д)()(

''''

pIpкpfpкк

pUpккpY

рffu

++=

где

fД

– отклонение частоты от синхронной.

Этому алгоритму соответствует структурная схема регулятора,

изображенная на рис.3.36.

Рис.3.36. Упрощенная структурная схема автоматического регулятора возбуж-

дения сильного действия

Регулирующее воздействие по изменению частоты формируется

на выходе реального дифференцирующего звена, на вход которого

подается сигнал, соответствующий отклонению частоты

fД

. Поэтому

воздействие по изменению частоты имеет место только во время пере-

ходного процесса изменения частоты. В установившемся режиме при

наличии отклонения частоты воздействие по изменению частоты от-

сутствует.