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

Подождите немного. Документ загружается.

ровку возбуждения [3]. Форсировка возбуждения синхронных машин,

а также применение АРН без зоны нечувствительности позволяют су-

щественно повысить динамическую устойчивость параллельной рабо-

ты СГ и электрических станций в электроэнергетической системе, а

также пределы мощности, передаваемой в систему по линиям большой

протяженности. Указанные задачи теоретически и практически были

решены в СССР еще в 1937 г. (С. А. Лебедев, П. С. Жданов,

И. М. Маркович и др.). Начиная с этого времени, функции, возлагае-

мые на АРН, существенно расширились и стали следующими [2]:

- поддержание постоянного (заданного) уровня напряжения в

энергосистеме в нормальных условиях ее работы;

- повышение устойчивости параллельной работы генераторов

энергосистемы при КЗ в сети и при аварийных отключениях источни-

ков реактивной мощности;

- повышение пределов мощности, передаваемой в энергосистему

по сильно нагруженным линиям большой протяженности;

- повышение надежности действия релейной защиты за счет уве-

личения токов КЗ.

Для того чтобы подчеркнуть возникшую многофункциональность

АРН, в электроэнергетике появилось новое, сохранившееся до на-

стоящего времени понятие – автоматическое регулирование возбуж-

дения, для которого автоматическое регулирование напряжения СГ

является лишь одной из многих функций.

Широкое внедрение АРВ пропорционального действия и уст-

ройств форсировки возбуждения генераторов в советских энергосис-

темах явилось одной из наиболее эффективных мер по повышению

надежности работы энергосистем. Значительно повысилась статиче-

ская и динамическая устойчивость энергосистем, практически полно-

стью были устранены аварии типа «лавины» напряжения, создалась

возможность широкого использования несинхронных включений, во

многих случаях стали допустимыми кратковременные асинхронные

режимы и облегчилась ресинхронизация генераторов, существенно

улучшилось поддержание напряжения в нормальных и аварийных ре-

жимах энергосистем.

Особенно велика была роль регуляторов возбуждения СГ во вре-

мя Великой Отечественной войны, когда промышленность страны бы-

ла перебазирована в восточные области, энергосистемы которых рабо-

тали со значительной перегрузкой. В этих тяжелых условиях внедре-

ние автоматического регулирования возбуждения, наряду с другими

методами повышения надежности систем, такими как автоматическое

повторное включение, автоматическая частотная разгрузка, самоза-

пуск электродвигателей и др., позволило сократить количество сис-

темных аварий. Так, например, много аварий было в Уральской энер-

госистеме. В 1943 г. там произошли 33 аварии с нарушением устойчи-

вости. После проведения указанных выше мероприятий количество

таких аварий упало до двух в 1944 г., а в 1945 г. уже не было ни одной

такой аварии [4].

В конце 40-х – начале 50-х гг. ХХ в. советскими специалистами

ряда научных учреждений (В. Л. Иносовым, С. А. Лебедевым,

В. М. Хрущевым, Л. В. Цукерником), а также энергосистем Урала

(А. П. Петраковым) и Мосэнерго (М. А. Берковичем, Н. И. Соколовым,

Н. В. Чернобрововым), Технического управления МЭС

(И. А. Сыромятниковым) и др. проделана большая работа по оснаще-

нию СГ практически всех электростанций СССР высокоэффективны-

ми и надежными устройствами компаундирования с селеновыми вы-

прямителями. Институтом электротехники (позднее электродинамики)

Академии наук Украинской СССР (В. Л. Иносов, Л. В. Цукерник) был

разработан электромагнитный корректор напряжения на базе высоко-

надежных магнитных усилителей. Использование корректора совмест-

но с устройством компаундирования позволило реализовать комбини-

рованный принцип регулирования, удачно сочетающий достоинства

регулирования по возмущению (компаундирование) и регулирования

по отклонению (коррекция напряжения) и взаимно нейтрализующий

их недостатки.

Устройства компаундирования с электромагнитным корректором

напряжения и устройством релейной форсировки возбуждения дли-

тельное время выпускались заводом «Электросила» в виде панели

ЭПА-305 и др., которыми оснащались СГ с электромашинными возбу-

дителями постоянного тока.

В 1956 г. Институтом электротехники АН УССР было разработа-

но устройство управляемого фазового компаундирования, которое вы-

пускалось промышленностью в виде регулятора РВА-62 для турбоге-

нераторов мощностью до 100 Мвт с электромашинным возбудителем

постоянного тока. По сравнению с ЭПА-305 регулятор РВА-62 имеет

меньшие габариты, потребляет меньшую мощность от измерительных

трансформаторов напряжения и имеет некоторые другие преиму-

щества.

АРВ типов ЭПА-305 и РВА-62 в настоящее время сняты с произ-

водства, но еще находятся в эксплуатации на ряде электрических стан-

ций относительно небольшой мощности, преимущественно старой

постройки.

Еще в начале 50-х гг. развернулось строительство мощных гид-

равлических и тепловых электрических станций. Одновременно элек-

тротехнической промышленностью осваивался выпуск турбо- и гидро-

генераторов большой мощности с непосредственным охлаждением

обмоток статора и ротора. Для мощных турбогенераторов при частоте

вращения ротора 3000 об/мин стало технически невозможным приме-

нение электромашинных возбудителей постоянного тока. Кроме того,

использование мощных турбо- и гидрогенераторов выдвинуло более

жесткие требования к возбудителям по быстродействию и форсиро-

вочной способности. Ужесточились требования и к регуляторам воз-

буждения. Возникла серьезная проблема разработки новых видов воз-

будителей и АРВ.

Для турбогенераторов мощностью 200 Мвт и более заводом

«Электросила» был освоен выпуск так называемых высокочастотных

систем возбуждения, в которых в качестве возбудителя использовался

генератор переменного тока повышенной частоты индукторного типа,

не имеющий обмоток на роторе [5]. В качестве АРВ для таких генера-

торов этим же заводом стала выпускаться панель автоматики

ЭПА-325, реализующая функцию регулятора пропорционального типа

по отклонению напряжения. Основной элементной базой регулятора

были магнитные усилители и твердые неуправляемые выпрямители,

что определило высокую степень его надежности. Кроме традицион-

ных функций регулятор выполнял ряд дополнительных, в частности

защитных, функций, т.е. был многофункциональным устройством.

Указанные возбудители и АРВ успешно эксплуатируются до настоя-

щего времени на многих электрических станциях России и стран СНГ

с турбогенераторами серии ТВВ.

Для гидрогенераторов мощных гидравлических станций, обычно

связанных с потребителями электрической энергии линиями электро-

передачи значительной протяженности, первостепенное значение ста-

ло приобретать быстродействие систем возбуждения. Это прежде все-

го относится к вопросам устойчивости, поскольку эта проблема при

больших протяженностях электрических сетей высоких напряжений

имела особенно важное значение для Советского Союза, а ныне имеет

для России. Этим, в частности, объясняется то, что именно в СССР

были впервые разработаны и успешно применены ионные системы

возбуждения, и прежде всего для мощных гидрогенераторов, выдаю-

щих мощность через длинные линии электропередачи. Эти системы

возбуждения были применены на гидрогенераторах волжских ГЭС, а

также Братской, Асуанской и Красноярской ГЭС. Позднее ионные сис-

темы возбуждения стали применяться и на крупных турбогенераторах.

За работы по созданию и внедрению ионных систем возбуждения ав-

торский коллектив в 1968 г. был удостоен Государственной премии

СССР [6].

Одновременно с разработкой ионных систем возбуждения велась

разработка новых, более совершенных регуляторов возбуждения, по-

лучивших название регуляторов возбуждения сильного действия.

Работы по созданию таких регуляторов в СССР были начаты еще

в предвоенные годы. После перерыва, обусловленного Великой Отече-

ственной войной, работы по сильному регулированию возбуждения

были возобновлены в ВЭИ, ВНИИЭ, Институте автоматики АН СССР,

ИЭ АН УССР, МЭИ [4].

Первый АРВ сильного действия на электронных лампах был соз-

дан в конце 50-х гг. для регулирования возбуждения гидрогенераторов

Волжской ГЭС им. В. И. Ленина [4, 7]. Он имел пропорционально-

дифференциальный закон регулирования напряжения и использовал в

качестве параметров стабилизации первую и вторую производные тока

линии или среднего тока параллельно работающих генераторов. По-

следовавшие за этим разработки были направлены на совершенствова-

ние структуры и конструкции регуляторов, повышение надежности их

работы. Предпочтение было отдано стабилизации по изменению и

первой производной частоты напряжения генератора, что позволило

значительно упростить схему подключения и условия эксплуатации

регулятора, сделав его не зависимым от коммутации в первичной схе-

ме станции. Наиболее удачным на то время оказался регулятор, разра-

ботанный в ВЭИ под руководством Г. Р. Герценберга. За эту разработ-

ку коллектив авторов в 1961 г. был удостоен Ленинской премии.

Для повышения надежности усилители на электронных лампах

были заменены быстродействующими магнитными усилителями. АРВ

сильного действия на магнитных усилителях со стабилизацией по из-

менению и по производной частоты были внедрены на Волжской ГЭС

им. XXII съезда КПСС, Братской и Асуанской ГЭС.

В работах по созданию и внедрению регуляторов возбуждения

сильного действия помимо ВЭИ принимали участие коллективы ряда

научно-исследовательских институтов, наладочных организаций и ра-

ботников эксплуатации (ВНИИЭ, МЭИ, ИАТ, ЭНИН АН СССР,

НИИПТ, ОДУЕЭС, ОРГРЭС, ТЭП, Волжская ГЭС им. В. И. Ленина,

Волжская ГЭС им. XXII съезда КПСС, Энергосистемы: Московская,

Куйбышевская и др.) [4].

В начале 70-х гг. был создан унифицированный регулятор возбу-

ждения сильного действия АРВ-СД для всех типов синхронных машин

(гидрогенераторов, турбогенераторов и синхронных компенсаторов).

Серийный выпуск его продолжался до 1983 г.

Использование ионных возбудителей было сопряжено с рядом

проблем технического и экологического характера. Ионные (ртутные)

выпрямители требовали сложного обслуживания, а токсичные пары

ртути создавали вредные условия труда для обслуживающего персона-

ла. Поэтому сразу после того, как электротехническая промышлен-

ность освоила выпуск твердых управляемых вентилей (тиристоров)

соответствующей мощности, приказом Министра Энергетики и элек-

трификации СССР П. С. Непорожнего предписывалось все ионные

системы возбуждения заменить тиристорными системами. В соответ-

ствии с этим приказом, к 1977 г. ионные системы возбуждения исчезли

на всех электростанциях СССР.

Рост единичной мощности синхронных генераторов с непосред-

ственным охлаждением обмоток сопровождался резким увеличением

мощности и, в частности, токов возбуждения. Номинальные токи воз-

буждения крупных турбогенераторов достигли 4000 – 8000А. Такие

токи стало сложно коммутировать с помощью скользящих контактов в

виде контактных колец на валу генератора и щеточного аппарата. Поя-

вилась необходимость в создании так называемой бесщеточной систе-

мы возбуждения.

Идея бесщеточного возбуждения впервые была высказана еще в

1927 г. [6].

В связи с тем, что в СССР работы в области создания и внедрения

бесщеточных систем возбуждения турбогенераторов были начаты

позднее, чем за рубежом, возникла трудная научно-техническая про-

блема: не повторить решения зарубежных фирм, а разработать более

совершенные системы возбуждения, с тем чтобы осуществить их вне-

дрение на блоках мощностью 300 МВт и создать таким образом основу

для разработки бесщеточного возбудителя турбогенератора мощно-

стью 1200 МВт.

Опытно-промышленный образец бесщеточной системы возбуж-

дения турбогенератора ТВВ-320-2 был пущен в эксплуатацию в 1972 г.

на Киришской ГРЭС. Затем после некоторой модернизации в 1974 г.

бесщеточные возбудители были установлены на Рязанской и Литов-

ской ГРЭС. Бесщеточный возбудитель турбогенератора ТВВ-320-2

явился базовой конструкцией для возбудителей более мощных генера-

торов 500, 1000 и 1200 МВт [6].

Прогресс в области электронной техники сделал возможным

смену элементной базы регулятора возбуждения сильного действия. В

1977 г. был разработан унифицированный полупроводниковый регуля-

тор возбуждения сильного действия АРВ-СДП на базе полупроводни-

ков и интегральных микросхем. Замена магнитных усилителей на по-

лупроводниковые, а также использование новых принципов выполне-

ния измерительных органов напряжения и частоты позволили сущест-

венно повысить быстродействие АРВ-СДП по сравнению с предшест-

вующим АРВ-СД. Первыми АРВ-СДП были оснащены шесть гидроге-

нераторов Саяно-Шушенской ГЭС, что позволило накопить опыт экс-

плуатации полупроводниковой аппаратуры. Затем серийный выпуск

этих регуляторов был прекращен [7].

Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа

стал регулятор АРВ-СДП1, которым с 1982 г. стали оснащаться все СГ

мощностью от 63 МВт и выше. Это, по существу, компактный, высо-

котехнологичный специализированный аналоговый измерительно-

вычислительный комплекс, по своим характеристикам намного пре-

восходящий предыдущие образцы. По сравнению с предшественника-

ми, он выполняет большое число функций, структурно отличается час-

тотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения,

что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устой-

чивость регулирования и инвариантность настройки к изменению ре-

жима работы генератора и сети за счет динамического снижения ко-

эффициента передачи по отклонению напряжения в области частот

собственных колебаний [7].

Бурный прогресс в области полупроводниковой техники, появле-

ние интегральных микросхем большой степени интеграции и микро-

процессорных комплексов положили начало очередной стадии разви-

тия аппаратуры, методов и средств автоматического регулирования

возбуждения СГ. Применение микропроцессоров позволяет отказаться

от традиционной структуры системы регулирования возбуждения и

пересмотреть распределение функций между ее элементами, а также

стимулирует поиск новых алгоритмов реализации системных функций,

в том числе перестраиваемых, и дает явный выигрыш при реализации

технологических и защитных функций. Что же касается функций кон-

троля, диагностики и сервиса, в этом случае альтернативы микропро-

цессорам не существует [7].

В начале 80-х гг. были созданы опытные образцы цифровых ре-

гуляторов АРВ-СДЦ на базе микроЭВМ «Электроника-60» и АРВ-

СДМ на базе комплекса микропроцессорных средств управления вы-

числительной техники МСУВТ-В7.

АРВ-СДМ обеспечивает практически такое же качество регули-

рования, как и АРВ-СД на магнитных усилителях, который он струк-

турно и алгоритмически повторяет. В середине 80-х гг. регулятором

АРВ-СДМ, выпускавшимся заводом «Электропульт», были оснащены

генераторы Заинской ГРЭС и Нурекской ГЭС, а в 1992 г. – Бурштын-

ской ГРЭС [8].

АРВ-СДЦ структурно существенно отличается от всех других

разработок. Его отличительной особенностью является наличие глубо-

кой жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения. Ох-

ват возбудителя обратной связью по току ротора СГ в сочетании с

ПИД-законом регулирования увеличивает быстродействие системы и

обеспечивает увеличение статической точности регулирования. Об-

ратная связь по току ротора явно выделяет в структуре регулирования

исполнительное звено, получившее название регулятора тока ротора.

При этом имеется возможность работы как в режиме регулирования

напряжения статора СГ, так и в режиме регулирования тока ротора [7].

Вследствие недостаточно высокой производительности микро

ЭВМ, на базе которых были созданы регуляторы АРВ-СДЦ и АРВ-

СДМ, оказалось невозможным полностью отказаться от узлов и бло-

ков на полупроводниках и микросхемах малой и средней степени ин-

теграции. Поэтому АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ не получили широкого вне-

дрения. Однако разработка цифровых регуляторов была необходимым

и полезным шагом на пути создания цифровой аппаратуры управления

возбуждением СГ.

В 1997 г. были начаты работы по созданию микропроцессорного

автоматического регулятора возбуждения типа АРВ-М. Регулятор про-

ектировался как многофункциональное устройство, удовлетворяющее

современным требованиям и способное управлять системами возбуж-

дения мощных турбо- и гидрогенераторов, изготавливаемых АО

«Электросила» [9].

Основным отличием АРВ-М от регуляторов возбуждения преды-

дущих поколений является расширенный набор выполняемых функ-

ций. В нем для регулирования напряжения используется ПИД-закон,

который обеспечивает в установившемся режиме поддержание посто-

янного напряжения в точке регулирования (астатическое регулирова-

ние). Для улучшения демпфирования качаний ротора СГ применено

автоматическое уменьшение коэффициента регулирования в диапазоне

частот электромеханических колебаний. Причем АРВ-М может рабо-

тать не только в режиме регулирования напряжения, но и в режимах

регулирования реактивной мощности или коэффициента мощности

)(cos

Регулятор АРВ-М успешно прошел испытания на электродина-

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

Мингечаурской ГЭС, Кузнецкой ТЭЦ, Ростовской АЭС. К 2006 г. на

заводе «Электросила» было произведено более 130 систем возбужде-

ния, оснащенных этим регулятором, в том числе более 50 систем для

стран дальнего зарубежья [8, 9].

За последние годы на заводе «Электросила», филиале концерна

«Силовые машины», освоено производство тиристорных систем воз-

буждения нового поколения. Их создание было вызвано стремлением

существенно повысить конкурентоспособность концерна как произво-

дителя энергетического оборудования с учетом международных норм

и стандартов. В настоящее время эти системы оснащаются микропро-

цессорным регулятором возбуждения второго поколения типа

AVR-2М, разработанного с учетом современных требований к систе-

мам возбуждения на основе опыта разработки, испытаний и эксплуа-

тации регулятора АРВ-М [8].

В конце 2003 г. на ТЭЦ-22 ОАО «Мосэнерго» был введен в опыт-

но-промышленную эксплуатацию асинхронизированный турбогенера-

тор (АСТГ) типа ТЗФА-110-2У3, который, в отличие от обычных син-

хронных турбогенераторов, способен устойчиво работать в режимах

глубокого потребления реактивной мощности, а при отказах в системе

возбуждения – в режиме асинхронного генератора с закороченными

обмотками возбуждения [10]. Отличительной особенностью ротора

АСТГ является наличие двух обмоток возбуждения, сдвинутых в про-

странстве относительно друг друга на 90 градусов и подключенных к

четырем контактным кольцам.

Для возбуждения АСТГ применена быстродействующая статиче-

ская тиристорная система самовозбуждения СТС-Р-125-2600 произ-

водства ОАО «Электросила», содержащая два идентичных одновре-

менно работающих реверсивных преобразователя. Для управления

током возбуждения система СТС-Р содержит два независимых микро-

процессорных регулятора возбуждения типа АРВ-МА. Положитель-

ный опыт эксплуатации АСТГ позволил рекомендовать их для более

широкого внедрения на электростанциях Гусино-озерской, Костром-

ской, Троицкой, Каширской и многих других [11].

Круг вопросов, связанных с применением АРВ разных типов с

различными системами возбуждения для целей управления СГ (АСТГ)

и электростанциями по напряжению и реактивной мощности, является

предметом настоящего пособия.

1.Синхронный генератор как объект управления

по напряжению и реактивной мощности

1.1.Общие сведения

СГ является элементом современных электрических станций,

служащим для преобразования кинетической энергии вращения тур-

бины (или иного первичного двигателя) в электрическую энергию.

Если не учитывать активное сопротивление обмотки статора

(ввиду малости), то напряжение на зажимах неявнополюсного СГ мож-

но выразить в символической форме как

xIEU

&&&

−=

(1.1)

где

– ЭДС за синхронным сопротивлением, пропорциональная

току возбуждения (току ротора);

– ток статора (ток нагрузки);

– синхронное индуктивное сопротивление.

При постоянном значении ЭДС (тока возбуждения) значение на-

пряжения СГ, работающего на изолированную от энергосистемы на-

грузку, сильно зависит от абсолютного значения тока нагрузки и его

фазы относительно напряжения (коэффициента мощности

cos

Зависимость напряжения СГ от тока нагрузки при постоянном значе-

нии тока возбуждения и заданном значении

cos

отражается внеш-

ней характеристикой.

При активно-индуктивном характере нагрузки

)2/0(

≤

увеличением тока нагрузки напряжение СГ снижается тем в большей

степени, чем ниже значение

cos

Если напряжение СГ необходимо поддерживать постоянным, то

следует изменять ЭДС путем изменения тока возбуждения.

Характеристика, показывающая, как следует изменить ток воз-

буждения СГ для поддержания постоянного напряжения при измене-

нии тока нагрузки (при постоянном значении

cos

), называется регу-

лировочной.

Если СГ работает в энергетической системе, т.е. совместно с дру-

гими генераторами, то уровень напряжения на его выводах зависит не

только от собственного режима работы, но и от режима работы ос-

тальных генераторов. Причем если суммарная мощность генераторов

значительно больше мощности рассматриваемого СГ, то при всех из-

менениях режима его работы напряжение будет оставаться практиче-

ски постоянным. Если при этом изменить ток возбуждения СГ (не ме-

няя активную мощность), то изменятся реактивная мощность, реак-

тивный и полный ток статора, угол

)( UE

∧

. Причем при малых

значениях тока возбуждения СГ потребляет реактивную мощность из

системы, а при больших – генерирует. При токе возбуждения меньше

некоторого значения СГ выпадает из синхронизма (нарушение стати-

ческой устойчивости).

Указанные величины будут изменяться и при постоянном значе-

нии тока возбуждения СГ, если будет изменяться напряжение в энер-

гетической системе. Характер изменений таков, что при больших

уровнях напряжения СГ может потреблять реактивную мощность из

системы, а при снижении напряжения – генерировать тем большую

мощность, чем ниже напряжение. Это соответствует так называемому

явлению саморегулирования. Однако при снижении напряжения ниже

некоторого критического уровня саморегулирование прекращается и

СГ начинает не только уменьшать генерируемую реактивную мощ-

ность, но и при малых напряжениях ее потреблять, способствуя даль-

нейшему снижению напряжения. Уменьшение напряжения в энергети-

ческой системе при постоянном токе возбуждения СГ увеличивает

угол

)( UE

∧

, что может вызвать нарушение синхронизма (при

Если СГ снабжен регулятором напряжения (возбуждения), то из-

менение напряжения в электрической сети будет вызывать соответст-

вующие изменения генерируемой реактивной мощности и реактивного

тока для поддержания постоянного уровня напряжения на выводах

генератора. Причем в зависимости от уровня напряжения в электриче-

ской сети СГ может, как генерировать, так и потреблять реактивную

мощность. При этом генератор может устойчиво работать даже при

углах

, несколько больших

, что соответствует повышению его

статической устойчивости. Однако необходимо иметь в виду, что ус-

тойчивость может быть нарушена не только при чрезмерном снижении

напряжения в сети, но и при чрезмерном его повышении.

В нормальных эксплуатационных режимах работы СГ в электро-

энергетической системе приходится учитывать ряд ограничений по

активной и реактивной мощности. Они связаны с возможностью пере-

грузок по току обмоток статора и ротора, ограниченной максимальной

мощностью турбины, возможностью появления при определенных

условиях чрезмерных нагревов торцевых частей статора, возможно-

стью ухудшения устойчивости параллельной работы СГ. Область до-