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

Подождите немного. Документ загружается.

171

Легко заметить сходство выражений (4.6) и (4.3). Это объясняет-

ся тем, что за счет падения напряжения в сопротивлении каждого

трансформатора даже при постоянном напряжении на выводах СГ при

изменении реактивной нагрузки напряжение на шинах станции будет

изменяться по статическому закону. При этом коэффициент статизма

статической характеристики блока генератор-трансформатор равен

относительному сопротивлению соответствующего трансформатора.

Учитывая, что относительное сопротивление трансформаторов

может составлять 0,1

– 0,12, на столько же будет изменяться напряже-

ние на шинах станции при изменении реактивной нагрузки от нуля до

номинальной. Это выше допустимых значений. Поэтому для частич-

ной компенсации потери напряжения в сопротивлении трансформато-

ра обычно приходится регулировать напряжение на выводах СГ с от-

рицательным статизмом по реактивной мощности, используя устрой-

ство токовой компенсации. Тогда (4.6) преобразуется в выражение

11т

22т

.22

.11

ном

−

∆

(4.7)

При этом для устойчивого распределения реактивной мощности

между СГ должны выполняться условия

1т1

2т2

4.4. Управление реактивной мощностью синхронного

генератора путем изменения уставки АРВ

Сопоставление статических характеристик станции и нагрузки

(рис.4.3) показывает, что при увеличении потребления реактивной

мощности на величину

QД

напряжение на шинах станции и, следова-

тельно, на выводах генераторов, работающих на эти шины (рис.4.2),

снижается на величину

.Д

UUU −=

При уменьшении потребления напряжение будет соответственно

повышаться. Аналогично происходит и при нарушении баланса за счет

изменения генерируемой мощности на

QД

Снижение напряжения на выводах СГ за счет действия АРВ вы-

зывает увеличение генерируемой мощности СГ на

ДQ

станции, соответственно, на

21г

ДДД QQQ +=

172

Одновременно за счет регулирующего эффекта нагрузки потреб-

ление реактивной мощности уменьшается на

QД

Для нового состояния баланса (рис.4.3, точка B) характерно

НГ

QQQ ∆+∆=∆

. (4.8)

При этом

QQ ДД

ДД <

Восстановить напряжение до прежнего уровня (рис.4.3, точка А)

можно либо путем увеличения генерации на

∆=Д

, либо путем

уменьшения потребления (например, за счет частичного отключения

потребителей) на ту же величину. Предпочтительным является первый

путь. Второй путь следует считать вынужденным, если нет возможно-

сти увеличения

QД

, а снижение напряжения превышает допусти-

мые пределы.

Если обеспечить

,ДД QQ

т.е. весь первоначально возник-

ший небаланс компенсировать за счет увеличения генерации, то, в со-

ответствии с (4.8),

0Д =

. Это означает, что напряжение будет

иметь значение, равное исходному (до появления небаланса), если СГ

возьмут на себя дополнительную реактивную мощность (кроме ука-

занных выше значений

ДQ

), в совокупности компенсирую-

щую регулирующий эффект нагрузки. При этом с точки зрения вос-

становления напряжения до прежнего уровня безразлично, за счет од-

ного или нескольких генераторов станции следует дополнительно уве-

личить генерируемую реактивную мощность.

При увеличении потребляемой реактивной мощности на

QД

на-

пряжение будет иметь прежнее значение

, если статическая харак-

теристика станции

будет пересекать изменившуюся статическую

характеристику нагрузки

в точке С (рис.4.3). Для этого она должна

быть смещена вдоль оси напряжения на величину

UД

Смещение статической характеристики станции может быть

обеспечено, например, за счет смещения статической характеристики

генератора 2G (рис.4.2) настолько, чтобы его реактивная мощность

при напряжении

увеличилась на

QQ ДД

(рис.4.6). Для этого

следует увеличить уставку

АРВ генератора 2G до значения

173

чтобы статическая характеристика этого СГ при напряжении

(ис-

ходный режим) соответствовала значению реактивной мощности

,ДД

0.220.2

QQQQQ +=+=

где

0.2

– исходное значение реактивное мощности G2

(до нарушения

баланса).

Рис.4.6. Статические характеристики генераторов (а) и станции с нагрузкой (б)

до и после изменения уставки АРВ одного из генераторов

Требуемое изменение уставки АРВ G2 может быть получено из

выражения, соответствующего определению понятия коэффициента

статизма:

ДД

ном

Сном

ном

Сном

ЗЗЗ

КQU

КUQ

UUU ==−=∆

Восстановление напряжения на шинах станции до

вызовет

уменьшение реактивной мощности генератора G1

от значения

0.1

соответствующего напряжению

, до значения исходного режима

0.1

(рис.4.6).

Аналогичные рассуждения будут справедливы, если восстанов-

ление напряжения на шинах станции осуществлять увеличением ус-

тавки генератора G1 на величину

ДД

ном

Сном

ном

Сном

КQU

КUQ

U ==∆

Можно также одновременно изменять уставки АРВ двух генера-

торов станции (рис.4.2), а в общем случае

– нескольких. При этом не-

обходимо, чтобы выполнялось условие

,ДД

QQQ =+

174

т.е.

.Д

ДД

.22

.11

Сном

номЗ

Сном

номЗ

Если окажется, что

,ДД

QQQ >+

то это вызовет увеличение напряжения на шинах станции по отноше-

нию к

, а при

QQQ ДД

– уменьшение.

Таким образом, путем воздействия на уставки измерительных ор-

ганов напряжения АРВ можно управлять реактивной мощностью СГ и

напряжением на шинах станции.

Пусть, например, на двухгенераторной станции (рис.4.2) СГ ра-

ботают при напряжении на шинах

и имеют реактивные мощности

1.0

2.0

соответственно (рис.4.7,а). При этом

0.0.20.1

НГ

QQQQ =+=

Если увеличить уставку АРВ, например, G2 на

,Д

2З

то это бу-

дет соответствовать возникновению небаланса реактивной мощности

на шинах станции на величину

ДQДQ

.22

Сном

номЗ

КU

что вызовет смещение статической характеристики станции на

QД

вдоль оси

(рис.4.7,б) и повышение напряжения на

UД

Рис.4.7. Изменение реактивной мощности и напряжения генераторов (а) и

станции (б) путем изменения уставки АРВ одного из генераторов

Повышение напряжения в свою очередь вызовет увеличение по-

требляемой реактивной мощности на величину

QД

за счет регули-

175

рующего эффекта нагрузки (рис.4.7,б) и разгрузку по реактивной

мощности генератора G1 за счет действия его АРВ на величину

10.11

Сном

ном

QQQ =−=

В новом установившемся режиме, соответствующем балансу ре-

активной мощности (рис.4.7,б, точка В), реактивная мощность генера-

тора G2 увеличится в итоге на величину (рис.4.7,а)

.Д

)Д(Д

0.2

QQQ

Сном

−

=−=

(4.9)

Таким образом, небаланс реактивной мощности, вызванный, напри-

мер, увеличением уставки АРВ одного из параллельно работающих

СГ, компенсируется увеличением потребляемой реактивной мощности

за счет регулирующего эффекта нагрузки и уменьшением генерируе-

мой мощности (по отношению к

QД

) за счет действия АРВ. Напря-

жение на шинах станции при этом несколько увеличивается. При

уменьшении уставки АРВ все происходит аналогично, но в обратном

направлении.

Для перераспределения реактивной мощности между параллель-

но работающими СГ необходимо изменять уставки их АРВ в такой

степени и в таких направлениях, чтобы генерируемая реактивная мощ-

ность станции при этом не изменялась. Это обеспечит неизменность

напряжения на шинах станции (предполагается, что потребление реак-

тивной мощности при этом также не изменяется).

Например, для полной разгрузки генератора G2 (рис.4.2) по реак-

тивной мощности (при сохранении значения напряжения на шинах)

необходимо изменить уставку его АРВ на величину

0.2

ном

U −=

и одновременно изменить уставку АРВ G1 на величину

0.2

ном

U +=

где

0.2

– реактивная мощность G2 в исходном режиме;

знак «–» указывает на уменьшение, а «+» – на увеличение уставки

АРВ.

При

номном

.2.1

≠

и (или)

21 СС

KK ≠

будет

.ДД

21 ЗЗ

UU ≠

176

Если при изменении уставок АРВ генераторов баланс реактивной

мощности не сохранится, то это приведет либо к повышению напря-

жения на шинах (при

0Д

), либо к его понижению.

4.5. Управление напряжением и реактивной

мощностью электрической станции

с генераторами, снабженными АРВ

Выше было показано, что в случае нарушения баланса реактив-

ной мощности на величину

QД

напряжение на шинах электрической

станции изменяется на

UД

. Причем при

0Д

(избыток генери-

руемой мощности) –

0Д

(повышение напряжения), а при

0Д

(недостаток генерируемой мощности) –

0Д

. Представ-

ляет интерес установление количественных соотношений между зна-

чениями

QД

UД

Предположим, что на шинах электрической станции за счет под-

ключения новых потребителей возник отрицательный небаланс реак-

тивной мощности (

0Д

), что вызвало снижение напряжения на

UД

. За счет действия АРВ генераторов генерируемая мощность

станции увеличивается на величину

.г

ccном

ном

Q =

За счет регулирующего эффекта нагрузки снижение напряжения

на

UД

вызывает уменьшение потребляемой мощности в соответст-

вии с (4.1) на величину

ном

номн

Q =

С учетом (4.8) получим

ДД

.г

ном

номн

ccном

ном

Q +=

.г

нномн

ном

(4.10)

177

Выражение (4.10) показывает следующее:

- знак отклонения напряжения на шинах станции соответствует

знаку небаланса реактивной мощности;

- отклонение напряжения

UД

тем больше, чем больше небаланс

реактивной мощности

QД

;

- отклонение напряжения

UД

тем больше, чем больше коэффи-

циент статизма станции

и, следовательно, чем больше коэффици-

енты статизма АРВ генераторов;

- отклонение напряжения

UД

тем меньше, чем больше коэффи-

циент регулирующего эффекта нагрузки

;

- отклонение напряжения

UД

тем меньше, чем мощнее генера-

торы.

Как указывалось в 4.4, небаланс реактивной мощности

QД

мо-

жет быть обусловлен изменением уставки измерительного органа АРВ

одного или нескольких СГ, работающих на общие шины.

Например, при увеличении уставки АРВ i-го СГ на величину

Зi

UД

положительный небаланс

QД

составит

ссном

номiЗi

КU

Q =

При общем числе параллельно работающих генераторов n это

вызовет, в соответствии с (4.10), увеличение напряжения на шинах на

величину

)(

.г

нномн

ном

номiЗi

∆

(4.11)

где

∑

номiном

Если положить, что

номнном

..г

≈

, то из (4.11) получим

)

(

.г

номci

номiЗi

. (4.12)

178

Из (4.12) следует, что если для многоагрегатной станции

номномi

.г.

, то изменение уставки АРВ i-го генератора на вели-

чину

Зi

U∆

вызовет отклонение напряжения на шинах

UU ДД <<

В рассматриваемом случае в основном увеличится реактивная

мощность i-го СГ на величину

Д)Д(Д

Сiном

номiЗi

Сiном

номiЗi

QUU

Q ≈

−

(4.13)

Реактивная мощность каждого из остальных генераторов стан-

ции, соответственно, незначительно уменьшается на величину

Скном

номк

Нк

Q =

(4.14)

где к ≠ i.

Таким образом, изменение уставки АРВ одного из СГ многоагре-

гатной электрической станции приводит к изменению в основном его

реактивной мощности. Для заметного изменения напряжения на шинах

станции необходимо изменять уставки АРВ нескольких или всех СГ.

Следует также иметь в виду, что при работе электрической стан-

ции в электроэнергетической системе напряжение на ее шинах зависит

в определенной степени от режима работы генераторов других стан-

ций, особенно близко расположенных к рассматриваемой.

Согласно (4.13), если напряжение на шинах станции поддержива-

ется постоянным (

0Д

≈

), то «опасно» иметь малое значение коэф-

фициента статизма АРВ отдельного генератора, т.к. при малом изме-

нении уставки возможны либо чрезмерная перегрузка, либо полная

разгрузка СГ по реактивной мощности.

Рассмотренное справедливо и для случая, когда СГ работают на

общие шины через повышающие трансформаторы. Отличие состоит

лишь в том, что

Сi

определяется как остаточный статизм от частич-

ной компенсации потери напряжения в сопротивлении трансформато-

ра за счет действия устройства токовой компенсации.

4.6. Групповое управление возбуждением

синхронных генераторов

Два из основных требований, предъявляемых к АРВ СГ, а имен-

но: поддержание на заданном уровне напряжения на шинах электро-

станции и обеспечение распределения реактивной нагрузки электриче-

179

ской станции между параллельно работающими СГ,

– по существу

противоречивы.

В соответствии с первым требованием, АРВ должны обеспечи-

вать астатическое регулирование напряжения, а со вторым – статиче-

ское.

При изменении режима работы электроэнергетической системы,

вызванном увеличением или уменьшением нагрузки, изменением ге-

нерируемой мощности и другими причинами, напряжение на шинах

электрической станции изменяется за счет статизма АРВ. Если откло-

нение напряжения превышает допустимые пределы, то возникает не-

обходимость в коррекции режима электростанций по напряжению и

реактивной мощности. Вручную эта коррекция осуществляется де-

журным персоналом по указанию диспетчера или в соответствии с

инструкциями путем изменения уставок АРВ всех или нескольких СГ

электрической станции.

Для многоагрегатных электрических станций коррекция режима

работы по напряжению и реактивной мощности становится трудоем-

кой задачей для дежурного персонала. Поэтому возникла необходи-

мость в разработке системы, позволяющей управлять напряжением и

реактивной мощностью электрической станции как единым совокуп-

ным агрегатом. Такая система называется групповым управлением воз-

буждения (ГУВ).

Впервые необходимость в ГУВ возникла на гидроэлектростанци-

ях [40, 41]. Однако в настоящее время ГУВ применяют и на тепловых

электростанциях.

На ГУВ в основном возлагаются две функции:

- регулирование напряжения на шинах электростанции;

- распределение реактивной мощности между генераторами.

В настоящее время разработан и внедрен в эксплуатацию ряд

схем ГУВ, различающихся по способам регулирования напряжения и

распределения нагрузок между генераторами, а также по своим харак-

теристикам [22, 41].

По способу регулирования напряжения системы ГУВ можно раз-

делить на два вида:

- системы, в которых автоматическое регулирование напряжения

СГ производится индивидуальными для каждого СГ устройствами

АРВ, а центральное устройство осуществляет лишь автоматическое

изменение уставок индивидуальных регуляторов;

- системы, в которых автоматическое регулирование возбуждения

СГ осуществляется центральным регулятором напряжения (ЦРН) при

отсутствии индивидуальных АРВ или при использовании только уси-

180

лительных и исполнительных органов этих АРВ в качестве исполни-

тельных блоков, реализующих регулирующие воздействия ЦРН [22].

При первом способе для равномерного распределения реактивной

нагрузки между однотипными СГ электрической станции необходимы:

- однотипность характеристик СГ и систем возбуждения;

- одинаковое положение устройств изменения уставок АРВ;

- одинаковый статизм АРВ.

Вследствие нестабильности элементов системы регулирования, а

также вследствие изменения температурного режима СГ системы ГУВ

указанного типа, как правило, не обеспечивают достаточно точного

распределения реактивной нагрузки между генераторами. При режи-

мах работы СГ, близких к предельным по токам статора и ротора, воз-

можна перегрузка отдельных генераторов, в то время как другие гене-

раторы будут загружены неполностью.

Для повышения точности распределения реактивной нагрузки

системы ГУВ с индивидуальными АРВ, как правило, дополняются

устройствами принудительного распределения реактивной мощности,

работающими, например, по принципу уравнивания.

В системах ГУВ, функционирующих по второму способу, на

ЦРН возлагается функция поддержания напряжения на шинах элек-

трической станции на заданном уровне. Для этой цели измерительный

орган ЦРН подключается к трансформатору напряжения, установлен-

ному на шинах, и снабжается центральным установочным устройством

для задания уставки по напряжению. ЦРН воздействует на изменение

возбуждения СГ через исполнительные блоки. При изменении напря-

жения на шинах электростанции одновременно изменяется возбужде-

ние всех генераторов.

Распределение реактивной нагрузки между СГ производится спе-

циальным устройством принудительного распределения.

Системы ГУВ с индивидуальными АРВ обладают большей на-

дежностью, чем с ЦРН. При выходе из работы одного из регуляторов

возбуждения все остальные регуляторы остаются в работе. К тому же,

наличие индивидуальных АРВ позволяет вводить в закон регулирова-

ния дополнительные стабилизирующие воздействия по параметрам

режима работы СГ (например, использовать АРВ СД). Поэтому на

крупных электрических станциях, где требуется по условиям статиче-

ской и динамической устойчивости особенно надежная и быстродей-

ствующая система возбуждения, используются ГУВ с индивидуаль-

ными АРВ. В ГУВ с индивидуальными АРВ не исключается возмож-

ность применения ЦРН для коррекции напряжения на шинах станции

путем воздействия на индивидуальные АРВ.