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

Подождите немного. Документ загружается.

Следовательно, по изменению длины отрезка AD можно судить

об изменении реактивного тока

I ,

а также об изменении реактивной

мощности

Следует также отметить, что угол ODB прямой, т.е. точка D ле-

жит на полуокружности, опирающейся на отрезок OB как на диаметр.

Таким образом, с помощью векторной диаграммы (рис. 1.9) могут

быть получены зависимости

от напряжения

(рис. 1.10).

Рис.1.10. Зависимость реактивного тока

, реактивной мощности

и угла

от напряжения U

На интервале

UU >

имеет место явление саморегулирования,

проявляющееся в том, что при уменьшении напряжения увеличивается

генерация реактивной мощности, а при увеличении – уменьшается.

При

UU >

СГ переходит в режим потребления реактивной мощно-

сти. Такая реакция СГ на изменение напряжения способствует стаби-

лизации напряжения, чем и объясняется термин саморегулирование,

т.к. при этом

constI

Анализ полученных зависимостей (рис.1.10) показывает, что при

уменьшении напряжения U увеличивается угол

между векторами

, от которого зависит устойчивость синхронной работы СГ.

Если напряжение снижается до значения

кр

UU =

, то угол

приоб-

ретает значение

и СГ теряет устойчивость.

1.5. Работа синхронного генератора, снабженного автоматическим

регулятором напряжения, на шины с изменяющимся

напряжением при заданном значении активной мощности

Пусть СГ, работающий на шины приемной системы через повы-

шающий трансформатор или другой элемент электрической сети с со-

противлением

внш

, снабжен автоматическим регулятором напряже-

ния (АРН), обеспечивающим во всех режимах постоянное напряжение

на выводах СГ (рис 1.11).

Рис.1.11. Схема выдачи мощности СГ на шины приемной системы с изменяю-

щимся напряжением (

var

) при наличии автоматического регулятора

напряжения (

constU =

)

Для рассматриваемого случая справедливы следующие выраже-

ния:

;

внш

xIjUU

xIjUE

&&&

Этим выражениям соответствует векторная диаграмма, представлен-

ная на рис.1.12.

Рис.1.12. Векторная диаграмма СГ, снабженного автоматическим регулятором

напряжения (

constU =

)

Из соотношения сторон треугольников

ADB

ODB

(рис.1.12)

следует:

;cos

PIxBD

(1.10)

;sin

внт

EBD

;sin

QIxAD

(1.11)

,cos

UEAD

внт

−=

т.е.

;sin

внт

(1.12)

,cos

вн

−=

(1.13)

где

внт

– угол между векторами

Аналогично, из соотношения сторон треугольников

AFC

OFC

имеем:

;cos

PIxFC

внш

(1.14)

,sin

внш

UFС

т.е.

внш

sin

(1.15)

где

внш

– угол между векторами

Из (1.10) и (1.14) следует, что

≡

PFC ≡

. Это означа-

ет, что при

constP

точки B и C при любом

находятся соответст-

венно на линиях ММ’ и NN’, параллельных вектору

(рис.1.12).

Аналогично, согласно (1.11),

QAD ≡

, поэтому по изменению длины

отрезка AD при изменении напряжения

можно судить об изменении

реактивной мощности на выводах СГ (рис.1.13).

Рис.1.13. Зависимость реактивной мощности СГ, снабженного АРН, от напря-

жения приемной системы

Если

UU <

, то СГ генерирует реактивную мощность (

а при

UU >

– потребляет (

). Эта зависимость обусловлена

действием АРН. Если, например, напряжение

снижается (при

UU <

), то снижается и напряжение

на выводах СГ. АРН начнет

увеличивать ток возбуждения и, следовательно, реактивную мощность

СГ до тех пор, пока напряжение на его выводах не восстановится до

прежнего (заданного) значения. При повышении напряжения системы

процесс происходит аналогично, но в обратном направлении. При

чрезмерном повышении напряжения (

UU >

) СГ переходит в режим

потребления реактивной мощности из системы.

Анализ векторной диаграммы (рис.1.12) показывает, что при уве-

личении напряжения

увеличивается угол

внт

и уменьшается

внш

а при уменьшении – наоборот,

внш

увеличивается, а

внт

уменьша-

ется (рис.1.14).

Рис.1.14. Зависимость углов

внт

внш

от напряжения U для СГ, снаб-

женного АРН

Согласно (1.12) и (1.15), если

πδ

≥

внт

(при

мин

UU ≤

) или

внш

πδ

≥

(при

макс

UU ≥

), то СГ теряет устойчивость. Однако,

учитывая, что

внш

внт

δδδ

(рис.1.14), нарушение устойчивости

соответствует значению

. Это означает, что при наличии

АРН СГ может устойчиво работать с углом

, несколько большим,

чем

, в так называемой зоне искусственной устойчивости. По-

этому наличие АРН повышает устойчивость СГ.

1.6. Располагаемая реактивная мощность синхронного генератора

в нормальных режимах

Под нормальными режимами СГ подразумевают такие режимы, в

которых он может длительно работать без ограничений [13]. К таким

режимам относится, например, номинальный режим, характеризуемый

номинальными значениями основных параметров генератора, указан-

ных в его паспорте. Нормальными также считаются режимы СГ, в ко-

торых нагрузка отличается от номинальной, но значения основных

параметров СГ не выходят за допустимые пределы.

Основными электрическими параметрами СГ являются: полная

(кажущаяся) мощность

напряжение

и ток

статора; ток ротора

(ток возбуждения)

; коэффициент мощности

cos

; частота

В номинальном режиме СГ выдает в сеть номинальную активную

мощность и при номинальном коэффициенте мощности – определен-

ную (будем ее условно также называть номинальной) реактивную

мощность.

В длительном режиме с активной нагрузкой, меньшей, чем номи-

нальная, реактивная мощность может быть несколько повышена, и

наоборот, – в длительном режиме с активной нагрузкой несколько

больше номинальной реактивная мощность должна быть уменьшена.

При таких изменениях режима полная мощность не остается неизмен-

ной [12].

В любом длительном режиме, отличающемся от номинального,

не должно возникать условий, утяжеляющих работу отдельных частей

СГ и турбоагрегата в целом, по сравнению с номинальным режимом.

Это относится, прежде всего, к тепловому режиму СГ. В тепловом от-

ношении важно, чтобы потери мощности и температура отдельных

частей СГ не выходили за пределы значений в номинальном режиме.

Это накладывает ограничения на значения тока статора и тока ротора

Кроме того, действуют некоторые дополнительные ограничения, кото-

рые рассматриваются ниже.

По выражению (1.2) построим упрощенную векторную диаграм-

му СГ для номинального режима (рис.1.15).

Длина отрезка

(в определенном масштабе) соответствует но-

минальному току ротора (возбуждения)

в.ном

, а отрезка

АB

– номи-

нальному току статора

ном

Рис.1.15. Упрощенная векторная диаграмма СГ в номинальном режиме

Если предположить, что при изменении режима СГ напряжение

на его выводах остается равным номинальному значению

ном

, то

выполнение условия

в.ном

≤

соответствует длине радиуса дуги

BBB

с центром окружности в точке

, а условия

ном

II ≤

– длине

радиуса дуги

'''

с центром окружности

в точке

Если умножить модули векторов диаграммы на постоянную ве-

личину

ном

, то длина отрезка

АB

будет соответствовать пол-

ной номинальной мощности

ном

. Проекции точки

на горизон-

тальную и вертикальную оси соответственно будут равны активной

ном

и реактивной

ном

мощности. Следовательно, на основе вектор-

ной диаграммы ЭДС и напряжений (рис.1.15) может быть получена

диаграмма (треугольник) мощности СГ.

Изобразим треугольник мощности СГ отдельно в более привыч-

ном для анализа виде, повернув его на 90° по часовой стрелке

(рис.1.16).

Рис.1.16. Диаграмма мощности синхронного генератора

Предельные (по условиям нагрева обмоток статора и ротора) зна-

чения активной и реактивной мощности ограничены отрезками дуг

Точка

соответствует номинальному режиму работы СГ (

ном

в.ном

ном

cos

). Нагрузки, ограниченные участком окружности

между точками

, лимитируются допустимым в эксплуатации

нагревом обмотки возбуждения, который, как показывают результаты

испытаний, определяется только током ротора и практически не зави-

сит от нагрузки статора. При работе на этом участке СГ имеет пони-

женное значение коэффициента мощности по сравнению с номиналь-

ным, а также пониженные значения полной мощности и тока статора в

связи с сильным размагничивающим действием реакции якоря [14].

Участок окружности

характеризуется работой СГ с номи-

нальной полной мощностью и номинальным током статора при коэф-

фициентах мощности выше номинального. Этот участок ограничен

максимальной мощностью турбины

т.макс

Прямая AB’

соответствующая работе СГ с

1cos

, делит диа-

грамму мощности на две части. Зона справа от прямой AB’ характери-

зуется режимами с отстающим током статора, реакция которого явля-

ется размагничивающей, и для ее компенсации необходимо увеличе-

ние тока возбуждения. Зона слева от AB’

характеризуется опережаю-

щим током статора и подмагничивающей реакцией якоря, для компен-

сации которой требуется уменьшать ток возбуждения. Первый режим

принято называть перевозбуждением, а второй – недовозбуждением.

При работе СГ в области недовозбуждения одним из факторов,

ограничивающих нагрузку, является условие обеспечения устойчивой

параллельной работы СГ с сетью (системой).

Из выражений (1.5) и (1.6) при

ном

UU =

следует, что

ном

PctgQ

−=

(1.15)

При

const

выражение (1.15) в координатах

соот-

ветствует уравнению прямой линии, проходящей через точки

ном

−=

при

ctgдx

ном

при

Если считать, что СГ может устойчиво работать (с некоторым за-

пасом) при

пр

δδ

, то в режиме недовозбуждения зона устой-

чивости ограничивается линией

. С учетом

т.макс

в режиме недо-

возбуждения соотношение между допустимыми значениями активной

и потребляемой реактивной мощности можно считать ограниченным

отрезками

(по условию устойчивости) и

(по мощности тур-

бины). Для крупных турбоагрегатов с непосредственным охлаждением

обмоток статора и ротора режим недовозбуждения (режим потребле-

ния реактивной мощности), как правило, является нежелательным, а

иногда и недопустимым из-за повышенного нагрева крайних пакетов

активной стали и конструктивных элементов торцевых зон статора.

Это обусловлено характерным возрастанием результирующей магнит-

ной индукции в концевых областях машины при сложении электро-

магнитных полей лобовых частей обмоток статора и ротора в режимах

работы СГ с коэффициентом мощности, близким к значению

1cos

, и особенно при работе с опережающим током (

Таким образом, если СГ вынужден работать в режиме потребле-

ния реактивной мощности (недовозбуждение), то его активная мощ-

ность, как правило, должна быть снижена либо по условию устойчиво-

сти, либо по нагреву. Причем чем больше потребляемая реактивная

мощность, тем в большей степени должна быть снижена активная

мощность. Или наоборот, при заданной активной мощности недовоз-

буждение (потребление реактивной мощности) должно быть ограни-

чено. Желательно, чтобы это ограничение было автоматическим, что,

как правило, является одной из функций современных автоматических

регуляторов возбуждения СГ. Причем уровень этого ограничения за-

висит от значения активной нагрузки СГ.

С учетом рассмотренных основных ограничений, соотношение

допустимых значений активной и реактивной мощности работы СГ

определяется областью

BFKEOB

(рис.1.16).

Следует отметить, что для современных электроэнергетических

систем, характеризуемых значительной протяженностью линий элек-

тропередачи высокого и сверхвысокого напряжений и, следовательно,

обладающих значительной зарядной мощностью, ограничения режи-

мов недовозбуждения турбогенераторов сопровождаются серьезными

проблемами компенсации избыточной реактивной мощности. В этом

отношении представляется перспективным использование наряду с

традиционными синхронными генераторами так называемых асинхро-

низированных синхронных генераторов, удачно сочетающих свойства

синхронных и асинхронных машин [15–17]. У асинхронизированных

машин режим потребления реактивной мощности ограничен только

номинальными параметрами.

Асинхронизированная синхронная машина обладает основными

достоинствами как синхронной машины (возможность регулирования

реактивной мощности), так и асинхронной (работа с некоторым

скольжением ротора относительно электромагнитного поля статора).

По сути дела, это синхронная машина, которой с помощью специаль-

ного регулирования возбуждения приданы некоторые свойства асин-

хронной [15].

В обычных синхронных машинах магнитный поток создается по-

стоянным током, притекающим по обмотке возбуждения, расположен-

ной в одной (продольной) оси ротора. Этот поток жестко связан с ро-

тором и перемещается относительно статора с угловой частотой, рав-

ной частоте вращения ротора:

,щщщ

п рc

где

– синхронная угловая частота;

– частота вращения магнитного потока относительно статора;

– частота вращения ротора.

Если частота вращения ротора синхронной машины отклоняется

от синхронной, вращение магнитного потока будет также несинхрон-

ным:

,щщщщ

S+==

где

щ-щ

– скольжение ротора.

Если в этом случае сообщить магнитному потоку некоторую ско-

рость вращения относительно ротора, равную по значению и противо-

положную по направлению скорости скольжения, то результирующая

частота вращения магнитного потока относительно статора будет син-

хронной.

При этом длительное вращение ротора со скольжением является

не аварийным, а нормальным рабочим режимом.

Асинхронизированная машина обладает повышенной динамиче-

ской и статической устойчивостью. Она может работать при любых

углах

между ЭДС и напряжением системы, включая режим глубо-

кого потребления реактивной мощности.

Конструкция ротора асинхронизированного генератора отличает-

ся наличием нескольких (чаще двух) обмоток возбуждения, сдвинутых

в пространстве между собой на некоторый угол (обычно 90°).

Для возбуждения асинхронизированного генератора применяется

статическая тиристорная система возбуждения, содержащая два иден-

тичных реверсивных тиристорных возбудителя [10, 16].