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

Подождите немного. Документ загружается.

141

вычисления текущей длительности периода синусоидального напря-

жения СГ.

Программа, соответствующая функционированию измерительно-

го органа реактивного и активного тока, запоминает мгновенные токи

СГ в моменты прохождения напряжения через нулевое и амплитудное

значения и вычисляет реактивный

sin

II =

и активный

cos

II =

токи соответственно. Они используются для вычисле-

ния максимально допустимой потребляемой генератором реактивной

мощности и минимально допустимого (по условию статической ус-

тойчивости) тока возбуждения СГ.

Сумма цифровых значений вычислительной части с помощью

цифро-аналогового преобразователя преобразуется в аналоговое регу-

лирующее воздействие, поступающее через систему управления на

управляющие электроды тиристоров тиристорного преобразователя

возбудителя, в соответствующей степени изменяя их угол открытия.

При снижении напряжения СГ на 10 – 15% происходит форси-

ровка возбуждения и блокирование действия стабилизирующих воз-

действий по изменению производной частоты. Форсировка прекраща-

ется через 2 – 3 периода промышленной частоты после отключения КЗ,

вызвавшего понижение напряжения СГ. Ток ротора в режиме форси-

ровки ограничивается на двукратном номинальном уровне.

После отключения КЗ в электрической сети регулирующее воз-

действие по производной напряжения действует в сторону развозбуж-

дения СГ вследствие быстрого подъема напряжения, приводя к сниже-

нию предела динамической устойчивости. Для предотвращения этого

отрицательное воздействие по производной напряжения после скачко-

образного снижения напряжения СГ более чем на 5% блокируется на

время 0,5 с. Одновременно на время 2 с блокируется ограничитель

максимального тока ротора.

АРВ СДМ обеспечивает выполнение всех функций системы: от

подачи начального возбуждения, подгонки напряжения СГ к напряже-

нию сети при синхронизации до работы в сети и разгрузки при отклю-

чении генератора. Кроме того, регулятор выполняет широкий круг

контрольно-диагностирующих, регистрирующих и других функций,

повышающих надежность системы автоматического регулирования

возбуждения и облегчающих эксплуатацию.

142

3.9. Микропроцессорные автоматические регуляторы

возбуждения нового поколения

Бурное развитие микропроцессорной техники обусловило широ-

кое использование ее для построения систем управления объектами

различных производств, и в частности для автоматического регулиро-

вания возбуждения СГ.

Работы по созданию микропроцессорного автоматического регу-

лятора возбуждения типа АРВ-М были начаты в 1997г. Регулятор про-

ектировался как многофункциональное устройство, удовлетворяющее

требованиям того времени и способное управлять системами возбуж-

дения мощных турбо- и гидроагрегатов, изготавливаемых АО «Элек-

тросила» [9].

Основным отличием АРВ-М от регуляторов возбуждения преды-

дущих поколений является расширенный набор выполняемых функ-

ций. Кроме традиционного назначения – регулирования возбуждения и

ограничения режимных параметров СГ, АРВ-М осуществляет фазоим-

пульсное управление и защиту тиристорного преобразователя возбу-

дителя от непроводимости вентилей и КЗ на стороне постоянного тока,

управляет коммутационными аппаратами возбудителя при начальном

возбуждении, поддерживает дружественный интерфейс с пользова-

телем.

Регулятор может использоваться в одноканальной и двухканаль-

ной системах возбуждения. В первом случае для повышения надежно-

сти используется резервирование регуляторов, во втором – резервиру-

ются регуляторы и тиристорные преобразователи. Применение совре-

менного для того времени микроконтроллера, обладающего высокой

производительностью и широким спектром периферийных устройств,

позволило резко упростить аппаратные средства регулятора, умень-

шить его массу и габаритные размеры, повысить надежность. Цифро-

вой способ обработки информации обеспечил высокую стабильность

статических и динамических характеристик регулятора, возможность

их настройки в широких диапазонах без изменения параметров аппа-

ратуры, реализацию сложных алгоритмов управления. Для обеспече-

ния наладочных работ предусмотрены специальные режимы работы

регулятора. АРВ-М поддерживает связь с оператором с помощью сен-

сорного дисплея, на который выводятся значения режимных парамет-

ров системы возбуждения, настройки регулятора, состояние его вход-

ных и выходных дискретных сигналов, дневник событий и другая ин-

формация, необходимая при наладке и эксплуатации системы возбуж-

дения [9].

143

Регулятор АРВ-М успешно прошел испытания на электродина-

мической модели МЭИ и в 2000 – 2001 гг. введен в эксплуатацию на

Мингечаурской ГЭС, Кузнецкой ТЭЦ, Нижнетагильской ТЭЦ, Ростов-

ской АЭС. К 2005 г. в АО «Электросила» произведено 130 систем воз-

буждения с регулятором АРВ-М, накоплен опыт их эксплуатации, ос-

воено производство систем возбуждения и регуляторов нового поко-

ления с учетом международных норм и стандартов. На базе регулятора

АРВ-М был разработан более совершенный микропроцессорный регу-

лятор второго поколения AVR-2M [8].

В настоящее время известны и другие разработки микропроцес-

сорных регуляторов возбуждения отечественных и зарубежных произ-

водителей. В данном пособии не ставится задача детального рассмот-

рения каждого из регуляторов. К тому же, наблюдается процесс непре-

рывного совершенствования их как в аппаратной, так и в программно-

алгоритмической частях. Поэтому ниже рассмотрены только некото-

рые из основных наиболее общих характеристик микропроцессорных

регуляторов [8,9,36,37]:

- область использования;

- выполняемые функции;

- режимные параметры СГ;

- повышение надежности функционирования системы возбуж-

дения.

Область использования

Микропроцессорные автоматические регуляторы возбуждения,

рассматриваемые в настоящем пособии, используются для генераторов

тепловых, газотурбинных, атомных и гидравлических электрических

станций, оснащенных следующими системами возбуждения:

- тиристорной системой самовозбуждения или независимого воз-

буждения;

- бесщеточной диодной системой с тиристорным преобразовате-

лем в цепи возбуждения возбудителя.

Для повышения быстродействия бесщеточного возбудителя ис-

пользуется жесткая отрицательная обратная связь по току возбуждения

возбудителя или напряжению возбуждения (ротора) СГ.

Выполняемые функции

Функции, выполняемые микропроцессорным автоматическим ре-

гулятором возбуждения, могут быть объединены в следующие группы:

- системные функции;

144

- ограничение режимных параметров генератора и системы воз-

буждения;

- технологические функции;

- управление тиристорным преобразователем возбудителя;

- контроль аппаратуры и диагностика отказов;

- сервисные функции.

СИСЕМНЫЕ ФУНКЦИИ. Основным назначением регулятора

при работе СГ в электрической сети является поддержание напряже-

ния на шинах станции в соответствии с заданным значением напряже-

ния в точке регулирования и статизма по реактивному току или реак-

тивной мощности. Причем применяется пропорционально-

интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования напря-

жения, обеспечивающий в установившемся режиме поддержание на-

пряжения в точке регулирования, равного уставке. При этом алгоритм

регулирования напряжения имеет вид

∫

+∆++∆=

IkUdtkUkUky

где

– регулирующее воздействие на выходе регулятора;

, UU∆

– отклонение и производная напряжения СГ;

– производная тока ротора СГ;

kk −

– коэффициенты передачи (усиления) по соответствующим

регулирующим воздействиям.

Воздействие по производной тока ротора СГ

является стаби-

лизирующим (стабилизатор внутреннего движения) для повышения

устойчивости в режимах выдачи малой реактивной мощности и ее по-

требления.

Отклонение напряжения U

∆

для обеспечения заданного статизма

регулирования напряжения на шинах электрической станции по реак-

тивному току (реактивной мощности) СГ определяется как

),(

pkз

IkUUU −−=∆

где U

– заданное напряжение;

U – действительное значение напряжения СГ;

– реактивный ток статора СГ;

– коэффициент токовой компенсации.

Коэффициент передачи регулятора по отклонению напряжения k

автоматически уменьшается в диапазоне частот электромеханических

145

колебаний, что способствует улучшению демпфирования качаний

ротора.

Для повышения пределов статической и динамической устойчи-

вости СГ, демпфирования послеаварийных качаний применяются ста-

билизирующие воздействия по изменению активной мощности и час-

тоты или по изменению и производной частоты, которые в совокупно-

сти с производной тока ротора называют системными стабилизато-

рами [9].

Алгоритм регулирования при этом имеет вид

в43

fkfkIkUdtkUkUky

+∆++∆++∆=

∫

(3.12)

где

∆

– изменение частоты;

– производная частоты.

При использовании системного стабилизатора реализуется алго-

ритм регулирования (3.12), подобный алгоритму АРВ СД, что важно

для СГ большой мощности, особенно при работе их на сеть с длинны-

ми, сильно нагруженными линиями электропередачи. Для СГ относи-

тельно небольшой мощности, в основном обеспечивающих питание

местной нагрузки, может использоваться только стабилизатор внут-

реннего движения, т.е. стабилизирующее воздействие по производной

тока ротора.

Для повышения устойчивости СГ при коротких замыканиях (КЗ)

со снижением напряжения статора более чем на 10% и устранения при

этом ложной работы стабилизирующих каналов выполняется полная

форсировка возбуждения, которая снимается через 2 ÷ 3 периода про-

мышленной частоты после отключения КЗ.

После отключения КЗ в электрической сети сигнал по производ-

ной напряжения действует в сторону развозбуждения СГ вследствие

резкого подъема напряжения, приводя к снижению предела динамиче-

ской устойчивости. Для предотвращения этого в режиме форсировки

сигнал по производной блокируется. Одновременно на некоторое вре-

мя блокируется ограничитель максимального тока ротора.

При работе генератора в режиме холостого хода регулирование

напряжения производится по ПИ-закону [9], т.е.

∫

∆+∆=

UdtkUky

Современные микропроцессорные регуляторы могут работать в

следующих режимах:

146

- регулирование напряжения;

- регулирование реактивной мощности СГ;

- регулирование коэффициента мощности (cos

);

- регулирование тока возбуждения (обеспечение

constI

) в

процессе выбега СГ атомных станций.

Регулирование реактивной мощности и cos

осуществляется ав-

томатическим изменением уставки регулятора по напряжению.

Кроме того, предусматривается ручное регулирование тока воз-

буждения в режимах наладки регулятора, а также при возникновении

частичных отказов, препятствующих работе регулятора в автоматиче-

ском режиме. Переход на ручное регулирование производится автома-

тически при отказе основного регулятора, когда регулирование по на-

пряжению становится невозможным.

Благодаря использованию режима слежения изменение режима

регулирования осуществляется без изменения режима генератора (без-

ударно).

ОГРАНИЧЕНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРА

И СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ. Функции ограничения в микро-

процессорных АРВ аналогичны традиционным для АРВ СД и вклю-

чают:

- ограничение перегрузки по токам ротора и статора с выдержкой

времени, зависящей от кратности перегрузки;

- ограничение минимального возбуждения СГ в режиме потреб-

ления реактивной мощности;

- ограничение (без выдержки времени) двукратного тока ротора в

режиме форсировки тока возбуждения СГ;

- ограничение тока ротора на уровне, соответствующем cos

= 1,

при номинальной активной мощности.

Характеристики ограничения перегрузки и минимального возбу-

ждения аппроксимируются кусочно-линейными функциями. Причем, в

отличие от аналоговых регуляторов, здесь не возникает проблем с точ-

ным заданием выдержек времени в широком диапазоне.

Производитель (АО «Электросила») задает три характеристики

ограничения минимального возбуждения, соответствующие трем уров-

ням напряжения генератора:

1,1;1;9,0 ≥=≤ UUU

. При расчете

уставки ограничения минимального возбуждения регулятор учитывает

все эти характеристики.

Алгоритмы ограничения строятся по единому принципу. При

возникновении режима ограничения вместо канала регулирования по

напряжению генератора вступает в работу канал ПИ-регулирования

147

ограничиваемого параметра относительно уставки ограничителя. В

установившемся режиме ограничиваемый параметр равен уставке. Вы-

вод ограничителя из работы производится, когда выход канала напря-

жения начинает действовать в сторону, противоположную действию

ограничителя. Это обеспечивает «мягкий» выход из режима ограниче-

ния [9].

При снижении частоты напряжения генератора происходит уве-

личение магнитной индукции в статоре генератора и сердечнике по-

вышающего (блочного) трансформатора, что вызывает их перегрев

вследствие увеличения токов намагничивания. Для исключения этого

перегрева в современных микропроцессорных АРВ предусматривается

автоматическое ограничение тока возбуждения СГ путем уменьшения

уставки по напряжению пропорционально уменьшению частоты гене-

ратора. При восстановлении частоты уставка автоматически возвраща-

ется к исходному значению.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ. Это функции, автоматизи-

рующие процессы управления возбуждением по командам оператора

или АСУТП электрической станции. К ним относятся:

- начальное возбуждение генератора;

- гашение поля возбуждения;

- уравнивание напряжения генератора с напряжением электриче-

ской сети при его синхронизации;

- разгрузка по реактивной мощности при штатном отключении

генератора;

- перевод по команде оператора каналов управления с основного

тиристорного преобразователя на резервный и обратно.

При начальном возбуждении микропроцессорный регулятор

управляет коммутационной аппаратурой (автомат гашения поля, кон-

тактор шунтирования обмотки ротора СГ, контактор начального воз-

буждения – в системе самовозбуждения) и осуществляет плавное уве-

личение уставки регулятора по напряжению (программный пуск). На-

чальное возбуждение предусматривается как при автоматическом, так

и при ручном регулировании. При автоматическом управлении подъем

уставки прекращается, когда напряжение генератора становится рав-

ным напряжению сети. Предусматривается контроль всех стадий про-

цесса начального возбуждения.

Гашение поля генератора в нормальном режиме производится

переводом тиристорного преобразователя в инверторный режим с мак-

симальным углом управления и последующим съемом импульсов

управления. В экстренных случаях, например при отключении СГ от

релейной защиты, производится отключение автомата гашения поля

148

(АГП) и замыкание обмотки ротора на специальный гасительный ре-

зистор.

Перед включением генератора в сеть производится автоматиче-

ская подгонка напряжения генератора к напряжению сети. Перед от-

ключением генератора от сети производится программным путем

плавная разгрузка его по реактивной мощности.

При работе генератора на резервном электромашинном возбуди-

теле регулятор переводится в специальный режим, позволяющий про-

верить управляемость тиристорного преобразователя и подготовить

систему возбуждения к безударному переходу с резервного на основ-

ное возбуждение.

УПРАВЛЕНИЕ ТИРИСТОРНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ. Вы-

ходным сигналом регуляторов предыдущих поколений являлся анало-

говый сигнал, поступающий на систему управления тиристорным пре-

образователем. Последняя формирует импульсы управления тиристо-

рами, фаза которых относительно питающего напряжения тиристорно-

го преобразователя зависит от значения выходного сигнала регулято-

ра. В регуляторах нового поколения за счет использования высокопро-

изводительного микроконтроллера фазоимпульсное управление тири-

сторным преобразователем включено в состав функций регулятора, а

именно:

- синхронизация импульсов управления с напряжением питания

тиристорного преобразователя:

- формирование фазы импульсов в соответствии с требуемым уг-

лом управления;

- ограничение диапазона изменения угла управления минималь-

ным и максимальным значениями;

- формирование заданной длительности управляющих импульсов.

Синхронизация импульсов управления осуществляется по прин-

ципу автоподстройки частоты и фазы цифрового опорного генератора

к частоте и фазе напряжения питания тиристорного преобразователя.

В качестве измерительного органа используется фазовый детек-

тор, на входы которого подаются линейные напряжения питания тири-

сторного преобразователя (напряжение синхронизации), измеренные

аналого-цифровыми преобразователями контроллера, и текущая фаза

генератора опорной частоты.

Цифровой сигнал с выхода фазового детектора, соответствующий

разности фаз опорного генератора и напряжения синхронизации, по-

ступает на ПИ-регулятор, управляющий опорным генератором. В ре-

зультате действия указанного регулятора на мгновенную частоту

опорного генератора числовой код на выходе фазового детектора ста-

149

новится соответствующим нулю, что означает совпадение фаз напря-

жения синхронизации и опорного генератора.

Зависимость выпрямленного напряжения тиристорного преобра-

зователя от угла управления является косинусоидальной функцией.

Для обеспечения линейной регулировочной характеристики системы

возбуждения угол управления тиристорами α

определяется как

),arccos(y

где

– регулирующее воздействие на выходе микропроцессорного

регулятора.

Полученный таким образом угол управления ограничивается за-

ранее установленным диапазоном

максмин

ααα

≤≤

Длительность импульсов управления тиристорами устанавлива-

ется в зависимости от значения тока возбуждения.

КОНТРОЛЬ АППАРАТУРЫ И ДИАГНОСТИКА ОТКАЗОВ. В со-

став программного обеспечения микропроцессорного регулятора вхо-

дят программы, осуществляющие логический анализ входных дис-

кретных сигналов и цифровых датчиков режимных параметров. Для

контроля вычислительного процесса используются аппаратные сред-

ства, предусмотренные архитектурой микроконтроллера. Микрокон-

троллер осуществляет также контроль уровней напряжений на выхо-

дах источников питания регулятора.

На основе анализа этой информации формируются сигналы отка-

за регулятора. Если при этом резервный канал регулирования испра-

вен, то он автоматически безударно вводится в работу. В случае час-

тичного отказа аппаратуры обоих каналов производится автоматиче-

ский переход на ручное регулирование тока возбуждения. Одновре-

менно формируется диагностическая информация, облегчающая поиск

неисправности.

СЕРВИСНЫЕ ФУНКЦИИ. К данной группе относятся функции,

обеспечивающие интерактивный режим общения с оператором, обмен

информацией с контроллером верхнего уровня, а также средства, обес-

печивающие наладку и ввод системы возбуждения в эксплуатацию. В

состав программного обеспечения микропроцессорных регуляторов

нового поколения включены тестовые программы, облегчающие про-

ведение испытаний системы возбуждения на заводе-изготовителе,

поддерживающие наладочные работы на электростанции и сокра-

щающие объем работ, выполняемых на вращающемся генераторе [8].

150

ИЗМЕРЕНИЕ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ. К функциям цифро-

вого измерения режимных параметров СГ и возбудителя относятся:

- измерение напряжения

и тока

статора генератора;

- измерение полной

, реактивной

и активной

мощности СГ;

- измерение коэффициента мощности СГ cos

;

- измерение частоты напряжения статора

- измерение тока

вв

и напряжения

вв

возбуждения возбудителя;

- измерение напряжения сети

в точке синхронизации СГ;

- формирование сигнала тока ротора

с использованием диа-

граммы Потье и характеристик генератора.

Все сигналы, полученные от различных измерительных датчиков,

перед преобразованием в цифровую форму проходят первичную обра-

ботку, которая заключается в гальванической развязке, масштабирова-

нии и фильтрации. После этого измерительные аналоговые сигналы

поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Последую-

щая обработка цифровых сигналов позволяет получить действующие и

средние значения режимных параметров.

При измерении напряжения статора генератора

полученные

после масштабирования значения сигналов линейных напряжений

возводятся в квадрат, суммируются и обрабатываются

цифровым фильтром, выявляющим действующее значение напряже-

ния

. Информация обновляется 24 раза за период, а вычисление зна-

чения

производится 6 раз за период, причем моменты измерения

синхронизированы с частотой СГ, что исключает появление биений на

выходе.

Аналогичные алгоритмы используются при измерении тока ста-

тора

и напряжения сети

, а также при измерении тока ротора

помощью трансформаторов тока, установленных в цепи переменного

тока тиристорного преобразователя (для тиристорной системы возбу-

ждения).

Значение полной мощности генератора

вычисляется с циклом

3,33 мс по действующим значениям сигналов напряжения

и тока

статора СГ путем их перемножения.

Измерение реактивной мощности генератора

осуществляется

путем перемножения мгновенных значений цифровых сигналов на-

пряжения

и тока фазы b генератора. Полученные значения обраба-

тываются цифровым фильтром, выявляющим значение реактивной