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

Подождите немного. Документ загружается.

131

Для генераторов атомных электрических станций в алгоритм ре-

гулирования дополнительно вводится воздействие по отклонению тока

ротора

IД

, обеспечивающее поддержание постоянного значения то-

ка возбуждения СГ в процессе его выбега.

Известные и используемые в настоящее время АРВ СД могут

быть разделены на следующие классификационные группы [22]:

- аналоговые;

- аналого-цифровые;

- цифровые, включая микропроцессорные.

Аналоговые АРВ СД выполняются на аналоговых элементах

(магнитные усилители, полупроводниковые приборы), и в них исполь-

зуются сигналы аналоговой (непрерывной) формы. Различают элек-

тромагнитные и полупроводниковые аналоговые АРВ СД.

Для аналого-цифровых АРВ СД характерно комбинированное

использование аналоговых и дискретных элементов соответственно с

аналоговой и цифровой формами представления и обработки инфор-

мации. Например, известен вариант АРВ СД [22], в котором регули-

рующее воздействие по отклонению напряжения реализуется в анало-

говой форме, а получение стабилизирующих воздействий по произ-

водным связано с преобразованием аналоговых сигналов в цифровую

форму, цифровым дифференцированием и последующим преобразова-

нием цифровых сигналов в аналоговые.

Есть также вариант аналого-цифрового АРВ СД [37], в котором

имеющаяся цифровая часть предназначена для выполнения контроль-

но-диагностических, регистрирующих и других подобных функций.

Цифровые АРВ СД выполняются на цифровых элементах вычис-

лительной техники (в частотности, на микропроцессорах) и использу-

ют способы переработки информации в цифровых формах ее пред-

ставления.

Переход к цифровым методам позволяет повысить быстродейст-

вие регулятора, расширить число выполняемых функций и дает воз-

можность построения самонастраивающейся автоматической системы

управления СГ, легко интегрируемой с автоматизированной системой

управления (АСУ) электрической станции.

Кроме осуществления указанного выше алгоритма регулирования

(3.11) АРВ СД выполняет целый ряд других функций по управлению

возбуждением СГ и поэтому представляет собой по существу автома-

тическую управляющую систему.

К числу основных функций, выполняемых АРВ СД, относятся:

- автоматическое регулирование тока возбуждения по алгоритму

АРВ СД;

132

- релейная форсировка возбуждения;

- ограничение тока ротора при форсировке на двукратном уровне;

- автоматическая разгрузка СГ при перегрузке по току ротора и

реактивному току статора;

- изменение заданного напряжения при синхронизации СГ;

- ограничение снижения возбуждения при потреблении реактив-

ной мощности;

- уравнивание реактивных мощностей параллельно работающих

генераторов (при групповом управлении возбуждением);

- регулирование по отклонению тока ротора в процессе выбега

турбогенераторов атомных электростанций;

- защита генератора от повышения напряжения при сбросах на-

грузки.

В электромагнитном АРВ СД в качестве элементной базы ис-

пользованы магнитные усилители, полупроводниковые диоды, пас-

сивные дифференцирующие звенья и поляризованные реле. Регулятор

функционирует на основе формирования непрерывных сигналов путем

выпрямления напряжения и токов нагрузки СГ и питания тиристорно-

го возбудителя с выделением постоянных составляющих посредством

частотных фильтров. Поэтому измерительные органы регулятора об-

ладают определенной инерционностью действия. Для снижения посто-

янных времени в измерительных органах применяются наименее

инерционные частотные фильтры компенсационного типа и высоко-

добротные магнитные усилители с самонасыщением (с внутренней

обратной связью) и источником питания силовых цепей повышенной

частоты (450 Гц).

Функциональная схема АРВ СД генератора с двухгрупповой ти-

ристорной системой независимого возбуждения изображена на

рис.3.37. В системе возбуждения одна тиристорная группа (рабочая)

обеспечивает возбуждение СГ в нормальном эксплутационном режи-

ме, а вторая (форсировочная) – в режиме форсировки.

Алгоритм регулирования соответствует (3.11).

В функциональной схеме электромагнитного АРВ СД можно вы-

делить три функциональные части: измерительную, логическую и уси-

лительно-исполнительную.

Измерительная часть включает несколько измерительных орга-

нов: напряжения, изменения частоты, тока ротора и реактивного тока

статора СГ. Сигналы измерительных органов представляют собой из-

меняющиеся токи управления суммирующим магнитным усилителем,

также относящимся к измерительной части регулятора.

133

Рис.3.37. Функциональная схема электромагнитного АРВ СД: ИОH – измери-

тельный орган напряжения; БИУH – блок изменения заданного напряжения

(уставки); ИОИЧ – измерительный орган частоты; ИОТР – измерительный

орган тока ротора СГ; ИОРТ – измерительный орган реактивного тока СГ;

ЛЧ – логическая часть; ОС – блок обратных связей (жесткой и гибкой) по

напряжению возбуждения СГ; СО – схема ограничения напряжения возбуж-

дения (при форсировке); МУ1 – суммирующий магнитный усилитель; УИЧ –

усилительно-исполнительная часть; МУ2

, МУ2

– магнитные усилители (вто-

рой каскад усиления); ИП (ПЧ) – источник питания (преобразователь про-

мышленной частоты); Су

, СУ

– системы управления рабочей и форсировоч-

ной группами тиристорных преобразователей ТП

и ТП

Логическую часть образуют релейно-контактные (на поляризо-

ванных реле) элементы, выполняющие определенные логические опе-

рации по координации воздействий сигналов на суммирующий маг-

нитный усилитель, управлению уставкой регулятора по напряжению и

ряд других функций.

Усилительно-исполнительная часть включает два реверсивных

магнитных усилителя, выходные сигналы которых через соответст-

вующие схемы управления воздействуют на управляющие электроды

134

тиристорных преобразователей (рабочей и форсировочной групп) ти-

ристорного возбудителя.

Для питания силовых цепей магнитных усилителей используется

магнитный преобразователь (умножитель) частоты, преобразующий

напряжение промышленной частоты в напряжение частоты 450 Гц.

Измерительные органы напряжения ИОН и изменения частоты

ИОИЧ служат для создания соответствующих регулирующих воздей-

ствий по отклонению напряжения и изменению частоты, а также по их

производным. Кроме того, измерительный орган напряжения создает

воздействие на осуществление форсировки возбуждения при сниже-

нии напряжения СГ ниже определенного уровня.

Для осуществления форсировки возбуждения в ИОН использует-

ся поляризованное реле, реагирующее на отклонение напряжения

∆U

и включенное по специальной схеме со стабилитронами, обеспечи-

вающей коэффициент возврата, близкий к единице. Это позволяет по-

высить расчетное напряжение срабатывания (3.9) ИОН в режиме фор-

сировки возбуждения. При срабатывании реле замыкает цепь одной из

обмоток управления суммирующего магнитного усилителя МУ1, обу-

славливая в ней ток

рф

(рис.3.37). При этом обеспечивается переход

МУ1 в режим наибольшего выходного тока (вне зависимости от токов

в других обмотках управления), обусловливающего открытие тиристо-

ров форсировочной группы ТП

Необходимо иметь в виду, что при восстановлении напряжения

после отключения КЗ, когда еще требуется форсировка возбуждения

СГ, регулирующее воздействие по производной напряжения

′

меня-

ет знак. Поэтому указанное воздействие в этом режиме стремится

уменьшить ток возбуждения СГ, что недопустимо. В связи с этим дей-

ствие тока

рф

на МУ1 должно превышать развозбуждающее воздейст-

вие

′

. Тем самым как бы выполняется логическая операция ЗАПРЕТ

действия сигнала по производной. Форсировка возбуждения прекра-

щается с выдержкой времени, превышающей время существования

отрицательного воздействия

′

В некоторых модификациях регулятора указанная операция ЗА-

ПРЕТ осуществляется контактным логическим элементом. Поэтому на

функциональной схеме (рис.3.37) показано, что сигнал по производной

напряжения

проходит через логическую часть ЛЧ регулятора.

Для создания регулирующего воздействия

′

в ИОН использу-

ется пассивное реальное дифференцирующее звено с малой постоян-

ной времени, состоящее из резистора и конденсатора. При большом

коэффициенте усиления суммирующего магнитного усилителя МУ1

135

указанное реальное дифференцирующее звено приближается по своим

свойствам к идеальному. Поэтому можно считать, что воздействие

′

пропорционально производной напряжения СГ.

Аналогичные дифференциаторы используются для получения

воздействий по производным других режимных параметров.

В состав ИОН входит также максимальное реле напряжения,

осуществляющее защиту СГ от значительных повышений напряжения

при сбросах нагрузки.

Сброс электрической нагрузки СГ сопровождается одновремен-

ным повышением напряжения и частоты. При этом сигналы по изме-

нению частоты

и производной частоты

стремятся осущест-

вить форсировку возбуждения (как при КЗ), что недопустимо при

сбросе нагрузки СГ. Поэтому максимальное реле напряжения ИОН и

специальное реле, входящее в ИОИЧ и срабатывающее только при

высокой скорости изменения частоты, выполняют логическую опера-

цию ЗАПРЕТ, блокируя прохождение сигналов

в режиме

сброса нагрузки СГ.

Измерительный орган тока ротора ИОТР формирует сигнал по

производной тока ротора

СГ, необходимый в соответствии с алго-

ритмом автоматического регулирования возбуждения сильного дейст-

вия (3.11).

Информация о токе ротора поступает на ИОТР либо от транс-

форматора постоянного тока ТПТ в цепи ротора СГ (рис.3.37), либо от

трансформаторов тока трех фаз вспомогательного генератора GE (в

системе независимого возбуждения) или преобразовательного транс-

форматора тиристорного возбудителя (в системе самовозбуждения).

ИОТР используется также для реализации следующих функций

АРВ СД:

- ограничение тока ротора СГ на двукратном уровне при форси-

ровке возбуждения;

- разгрузка СГ при перегрузке током ротора или реактивным то-

ком статора;

- регулирование возбуждения по отклонению тока ротора при

выбеге генераторов атомных электрических станций.

Ограничение кратности форсировки возбуждения необходимо по

условию термической стойкости цепей ротора и статора мощных гене-

раторов с непосредственным охлаждением обмоток и в связи с высо-

кой форсировочной способностью тиристорных возбудителей.

Ограничение форсировки возбуждения осуществляется по сигна-

лу

∆

рф

максимального реле тока, входящего в ИОТР, с током сраба-

136

тывания, соответствующим двукратному номинальному току ротора

(возбуждения) СГ.

Сигналом

∆

рф

включается схема СО (рис.3.38) ограничения на-

пряжения на выходе магнитного усилителя МУ2

. Схема СО содержит

стабилитронный ограничитель напряжения на уровне, при котором

угол открытия тиристоров форсировочной группы тиристорного воз-

будителя соответствует двукратному номинальному току возбуждения

генератора.

Сигнал на разгрузку СГ (до номинального значения тока ротора)

вырабатывается с выдержкой времени, зависящей от степени пере-

грузки. Сигнал формируется путем сравнения напряжения на выходе

специального интегрирующего магнитного усилителя, пропорцио-

нального величине

∫

−=

в.ном

)1(

с некоторым постоянным напряжением, пропорциональным величине

= const. Равенство

= А

означает, что при текущем токе ротора

> I

в.ном

за время перегрузки ротор СГ нагревается до предельно до-

пустимой температуры, и поэтому появляется сигнал на разгрузку.

Соответствующая часть ИОРТ конструктивно оформлена в виде

блока ограничения перегрузки и состоит из интегрирующего магнитно-

го усилителя, схемы сравнения абсолютных значений напряжений и

нуль-индикатора, в качестве которого применяется поляризованное

реле.

Воздействие блока ограничения перегрузки на возбудитель осу-

ществляется одновременно с выполнением операций логического ха-

рактера. Поэтому на функциональной схеме показано, что сигнал

ДI

∫

поступает в логическую часть регулятора. С логической части

подаются сигналы на суммирующий магнитный усилитель МУ1 и на

блок изменения уставки регулятора БИУН.

Таким образом, производится быстродействующее статическое

регулирование по отклонению тока ротора и медленное астатическое

регулирование путем изменения уставки регулятора до значения, при

котором ток ротора и реактивный ток статора снижаются до номи-

нальных значений.

При восстановлении напряжения в электроэнергетической систе-

ме поддерживаемое регулятором заданное значение напряжения вос-

станавливается благодаря запоминанию соответствующими элемента-

ми исходной уставки регулятора (до наступления перегрузки). При

137

возникновении повторной перегрузки интегрирующий усилитель учи-

тывает процесс остывания генератора после предыдущей перегрузки.

Технологические особенности собственных нужд атомных элек-

тростанций обусловливают необходимость снижения напряжения ге-

нератора после его отключения и срабатывания стопорного клапана

турбины пропорционально числу оборотов генератора при его выбеге.

Такое снижение напряжения достигается автоматическим регу-

лированием возбуждения по отклонению тока ротора от заданного

значения. Сигнал по отклонению тока ротора формируется схемой

сравнения тока ротора с заданным значением и воздействует на сум-

мирующий магнитный усилитель МУ1 (сигнал

в.х

) только в указан-

ном режиме выбега. Поэтому в функциональной схеме цепь сигнала

проходит через логическую часть регулятора.

Измерительный орган реактивного тока осуществляет ограниче-

ние минимального тока возбуждения СГ в режиме потребления реак-

тивной мощности.

СГ современных мощных электрических станций обычно связа-

ны с электроэнергетической системой длинными линиями высокого и

сверхвысокого напряжений. Эти линии генерируют значительную ре-

активную мощность, и в режимах минимальных нагрузок линий гене-

раторы могут работать с недовозбуждением, т.е. с потреблением реак-

тивной мощности. Допустимая потребляемая реактивная мощность СГ

ограничивается статической устойчивостью и нагревом частей статора

СГ из-за возрастания потоков рассеяния.

Измерительный орган реактивного тока ИОРТ формирует сигнал

на ограничение минимального возбуждения генератора. В специаль-

ной литературе он называется ограничителем минимального возбуж-

дения.

Допустимая потребляемая реактивная мощность в режиме недо-

возбуждения зависит от активной нагрузки генератора.

С помощью блока обратных связей ОС осуществляются отрица-

тельные жесткая ЖОС и гибкая ГОС обратные связи по напряжению

возбуждения СГ. Это позволяет уменьшить нелинейность проходной

характеристики регулятора, инерционность контура регулирования и

повысить устойчивость процесса автоматического регулирования.

Блок изменения уставки по напряжению позволяет дистанционно

(со щита управления), автоматически (от устройства синхронизации

или от системы группового управления возбуждением генераторов

станции) или вручную изменять заданное напряжение СГ.

138

Логическая часть координирует воздействие сигналов на усили-

тели регулятора и выполняет ряд логических операций по реализации

алгоритма управления возбуждением.

Схема ограничения напряжения возбуждения СО совместно с

ИОТР осуществляет ограничение тока (напряжения) возбуждения СГ в

режиме форсировки на двукратном (относительно номинального)

уровне.

Суммирующий магнитный усилитель МУ1 производит усиление

сигналов, реализующих регулирующие воздействия, и их суммирова-

ние. По каждому воздействию могут устанавливаться соответствую-

щие (независимые от других) коэффициенты передачи, значения кото-

рых выбираются в результате расчетов и при наладке.

На выходе суммирующего усилителя предусмотрен второй кас-

кад усиления в виде двух магнитных усилителей МУ2

и МУ2

. Они

входят соответственно в каналы управления рабочей и форсировочной

группами тиристорных преобразователей.

Питание силовых цепей магнитных усилителей МУ1, МУ2

МУ2

(а также магнитных усилителей, входящих в состав некоторых

измерительных органов) в целях снижения их инерционности осуще-

ствляется от преобразователя частоты ИП, напряжение на выходе ко-

торого имеет частоту 450 Гц.

Принципиальным недостатком электромагнитного АРВ СД явля-

ется использование потенциально инерционных магнитных усилите-

лей и частотных фильтров (для сглаживания выпрямленных напряже-

ний). Поэтому приходится применять комплекс специальных мер по

снижению инерционности указанных элементов, например использо-

вать малоинерционные фильтры и малоинерционные магнитные уси-

лители с внутренней обратной связью (с самонасыщением) и источни-

ком питания повышенной частоты 450 Гц [22].

Переход на полупроводниковую элементную базу позволил уст-

ранить указанный недостаток за счет использования безынерционных

полупроводниковых усилителей и новых принципов построения изме-

рительных органов, не требующих применения частотных фильтров.

Измерительная часть аналогового полупроводникового автома-

тического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ СДП) вы-

полнена на интегральных операционных усилителях. Они используют-

ся как активные дифференциаторы и сумматоры для формирования

сигналов соответственно алгоритму автоматического регулирования

возбуждения сильного действия (3.11).

Логическая часть регулятора выполнена на интегральных логиче-

ских элементах.

139

Основная цель технической реализации АРВ СДП – повышение

быстродействия измерительного органа напряжения ИОН и измери-

тельного органа изменения частоты ИОИЧ. Эта цель достигается но-

вым способом формирования сигналов по отклонению напряжения и

изменению частоты

Быстродействующее формирование сигнала по отклонению на-

пряжения

UД

осуществляется на основе фиксирования и запомина-

ния амплитудных значений напряжений трех фаз путем

заряда и пере-

заряда так называемых запоминающих конденсаторов. При этом прин-

ципиально не требуются частотные фильтры, т.к. нет необходимости в

выделении постоянной составляющей используемых сигналов.

Формирование сигналов, пропорциональных изменению и произ-

водной частоты, производится путем преобразования длительности

полупериода компенсированного напряжения генератора в уровень

напряжения постоянного тока.

В основном функциональная схема АРВ СДП аналогична функ-

циональной схеме электромагнитного АРВ СД. Суммирование сигна-

лов, соответствующих регулирующим воздействиям, осуществляется

интегральным операционным усилителем. Исполнительные усилители

регулятора – транзисторные.

В аналого-цифровых АРВ СД часть функциональных органов

выполняется на аналоговых элементах (например, операционных уси-

лителях), а часть – на элементах цифровой вычислительной техники.

Примером может служить аналого-цифровой регулятор бесще-

точного возбуждения [36, 37]. В этом регуляторе аналоговая часть

функционирует по пропорционально-дифференциальному (ПД) алго-

ритму (3.11), но без составляющей, пропорциональной току возбужде-

ния СГ. При этом возбудитель (обращенный вспомогательный генера-

тор) охвачен жесткой отрицательной обратной связью, что повышает

быстродействие системы возбуждения.

Цифровая часть осуществляет контроль функций автоматическо-

го управления бесщеточным возбуждением СГ. Она выполнена на

микропроцессоре, снабженном жидкокристаллическим дисплеем и

клавиатурой. Предусмотрены стандартные разъемы для подключения

компьютера и волокно-оптической линии связи с АСУТП электро-

станции.

Цифровая часть аппаратно-программными средствами осуществ-

ляет контроль исправности и диагностику оборудования бесщеточного

возбуждения, тестирование и самодиагностику, реализуя следующие

функции [37]:

140

- контроль состояния бесщеточного возбуждения с отображением

результатов контроля и текущих значений токов и напряжений в цепях

возбуждения;

- определение работоспособности (проводимости, управляемо-

сти) тиристоров;

- контроль исправности канала ручного (местного или дистанци-

онного) управления тиристорным преобразователем;

- диагностика функционирования элементов аналогового автома-

тического регулятора возбуждения;

- контроль исправности автоматической защиты цепей возбуж-

дения;

- фиксирование состояния коммутационных аппаратов в цепях

питания бесщеточного возбуждения;

- формирование цифровых сигналов о состоянии возбудителя;

- формирование и хранение в памяти текстовых сообщений о не-

исправностях и срабатываниях автоматической защиты возбудителя и

генератора;

- переключение каналов ручного и автоматического регулиро-

вания.

Из цифровых АРВ СД наибольший интерес представляют микро-

процессорные (АРВ СДМ).

Микропроцессорный регулятор кроме вычислительной части,

реализуемой на одноплатных микроЭВМ и специализированных мик-

ропроцессорах [37], содержит аналоговую часть. Она обеспечивает

получение аналоговых сигналов, несущих информацию об управляе-

мом объекте (генератор с возбудителем), их подготовку (масштабиро-

вание, фильтрацию, выпрямление, сглаживание и т.п.) для преобразо-

вания в цифровой код, а также формирование аналогового управляю-

щего воздействия на возбудитель.

В АРВ СДМ, производимом АО «Электросила», используется

программно реализуемый измерительный орган напряжения [37]. Ал-

горитм его функционирования основан на фиксации положительных

амплитуд мгновенных значений напряжений трех фаз СГ, вычислении

среднего значения амплитуды и сравнении его (путем вычитания) с

заданным значением, в результате чего получается числовое значение

отклонения. На основе численного дифференцирования вычисляется

производная амплитуды напряжения. Указанные операции произво-

дятся за время, не превышающее третьей части длительности периода

промышленной частоты.

Измерительный орган изменения частоты программно формирует

числовые значения изменения

и производной

частоты путем