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

Подождите немного. Документ загружается.

ления с использованием микропроцессорного модуля SIMOREG, про-

изводимого фирмой Siemens для управления тиристорными электро-

приводами постоянного тока.

Для всех систем параллельного самовозбуждения характерна за-

висимость напряжения на входе тиристорного преобразователя от

уровня остаточного напряжения на выводах СГ при КЗ в электриче-

ской сети. Это вызывает определенные трудности в обеспечении тре-

буемой кратности форсировки возбуждения при КЗ. Эта зависимость

может быть уменьшена или полностью исключена, если на вход пре-

образователя подавать сумму двух напряжений:

- напряжения с выводов СГ;

- напряжения, пропорционального току статора СГ.

Напряжение, пропорциональное току статора СГ, может быть по-

лучено с помощью так называемых последовательных трансформато-

ров (трансреакторов) с воздушным зазором в магнитном сердечнике,

первичные обмотки которых включаются в фазы статора СГ (со сторо-

ны нулевых или линейных выводов), а вторичные – последовательно с

выводами вторичной обмотки преобразовательного трансформатора.

Снижение напряжения на выводах СГ компенсируется увеличением

напряжения, пропорционального току статора СГ.

Применение последовательных трансформаторов приводит к ус-

ложнению и удорожанию системы возбуждения. Поэтому в последнее

время более широко применяются системы параллельного самовозбу-

ждения.

Тиристорные системы самовозбуждения являются быстродейст-

вующими. Например, быстродействие системы СТСТМУ – не более

0,04 с [28].

Тиристорные системы самовозбуждения имеют следующие пре-

имущества перед бесщеточными системами [6]:

- возможность большего внутреннего резервирования системы

возбуждения за счет отключения в случае необходимости отдельных

блоков преобразователя;

-возможность ремонта отдельных блоков преобразователей без

остановки турбоагрегата;

-отсутствие необходимости в решении сложных проблем бескон-

тактного измерения напряжения и тока возбуждения СГ, измерения

сопротивления изоляции обмотки ротора, а также в бесконтактной пе-

редаче управляющих импульсов к тиристорам вращающегося преобра-

зователя.

Тиристорные системы самовозбуждения используются также для

асинхронизированных турбогенераторов (АСТГ), которые в настоящее

время начинают широко применяться в электроэнергетических систе-

мах России [11, 16, 17, 29].

Отличительной особенностью ротора АСТГ является наличие

двух обмоток возбуждения, сдвинутых относительно друг друга в про-

странстве (обычно на 90°) и подключенных к четырем контактным

кольцам. Поэтому система возбуждения АСТГ имеет два идентичных

тиристорных преобразователя, подключенных к выводам АСТГ через

отдельные двухобмоточные преобразовательные трансформаторы [10]

или разные обмотки трансформатора с расщепленными вторичными

обмотками [30]. Причем принципиальной особенностью преобразова-

телей является их реверсивное исполнение, т.е. возможность изменять

направление выпрямленного тока на выходе. Это обстоятельство

предъявляет специальные требования к организации управления

(включая защиту) преобразователями [10, 30].

В настоящее время системы возбуждения для АСТГ производят-

ся АО «Электросила» [10, 11, 30].

2.9. Вопросы для самоконтроля

1. Что характерно для систем независимого возбуждения?

2. Как оценивается быстродействие системы возбуждения?

3. Какие системы возбуждения могут считаться быстродейст-

вующими?

4. Для каких СГ рекомендуется устанавливать быстродейст-

вующие системы возбуждения?

5. Какова должна быть кратность форсировки по току и на-

пряжению возбуждения для СГ?

6. Какие функции должна обеспечивать система автоматиче-

ского регулирования возбуждения (АРВ) СГ?

7. Как можно управлять током возбуждения СГ, снабженного

электромашинной системой возбуждения?

8. Что называется нагрузочной характеристикой электрома-

шинного возбудителя?

9. Как целесообразно осуществлять форсировку возбуждения СГ

с электромашинным возбудителем?

10. Какие основные недостатки имеет электромашинная сис-

тема возбуждения?

11. В чем состоят основные особенности высокочастотной сис-

темы возбуждения?

12. Как осуществляется форсировка возбуждения СГ с высоко-

частотной системой возбуждения?

13. Для каких целей может использоваться подвозбудитель в вы-

сокочастотной системе возбуждения?

14. Какими способами может быть повышено быстродействие

высокочастотной системы возбуждения при форсировке?

15. В чем заключается эффективность использования силового

токового компаундирования совместно с высокочастотным возбуди-

телем?

16. Какие основные особенности характерны для бесщеточных

систем возбуждения?

17. Что может использоваться в качестве источника тока воз-

буждения возбудителя в бесщеточной системе возбуждения?

18. Как может осуществляться управление током возбуждения

СГ, снабженного бесщеточной системой возбуждения?

19. Какими способами может быть повышено быстродействие

бесщеточной системы возбуждения?

20. Что обычно используется в качестве возбудителя в тири-

сторной системе независимого возбуждения?

21. Как осуществляется управление током возбуждения СГ с

тиристорной системой независимого возбуждения?

22. За счет чего обеспечивается высокое быстродействие тири-

сторной системы независимого возбуждения?

23. Как обычно осуществляется возбуждение возбудителя в ти-

ристорной системе независимого возбуждения?

24. Что используется в качестве источника энергии в силовой

части тиристорной системы самовозбуждения?

25. Как осуществляется гашение поля СГ, оборудованного тири-

сторной системой самовозбуждения, в нормальном эксплуатацион-

ном режиме?

26. В чем состоят основные преимущества тиристорной сис-

темы самовозбуждения?

3.Автоматическое регулирование возбуждения син-

хронных генераторов

3.1.Общие сведения

Среди многочисленных автоматических систем управления объ-

ектами электроэнергетических систем важное место занимают систе-

мы автоматического регулирования возбуждения СГ.

Исторически сложилось так, что первоначально основной задачей

автоматического регулирования возбуждения было поддержание по-

стоянного значения напряжения на выводах СГ в условиях изменяю-

щейся нагрузки, и устройства АРВ, соответственно, назывались авто-

матическими регуляторами напряжения (АРН) [32]. С появлением и

развитием электроэнергетических систем задачи, возлагаемые на АРВ,

существенно расширились. В настоящее время к их числу могут быть

отнесены следующие задачи:

- автоматическое регулирование напряжения на выводах СГ с за-

данным статизмом по полному или реактивному току статора [18];

- повышение предела статической устойчивости СГ и электриче-

ских станций, работающих в электроэнергетической системе;

- повышение динамической устойчивости СГ и электрических

станций при больших возмущениях, например при КЗ, путем быстрой

форсировки возбуждения (обычно до двукратного номинального

уровня);

- автоматическое распределение изменений реактивной нагрузки

электрических станций между параллельно работающими СГ;

- облегчение процесса самозапуска электродвигателей в системе

собственных нужд электрических станций при восстановлении напря-

жения после отключения КЗ в электрической сети;

- облегчение процесса втягивания СГ в синхронизм при включе-

нии его в сеть методом самосинхронизации;

- предотвращение значительных повышений напряжения на вы-

водах СГ и связанном с ним электрооборудовании при резких сбросах

нагрузки.

Положительным результатом форсировки возбуждения СГ, осу-

ществляемой АРВ, является также повышение устойчивости функцио-

нирования устройств релейной защиты, действующих с выдержкой

времени [32].

Для выполнения АРВ СГ используются известные из теории ав-

томатического управления принципы регулирования:

- по возмущающему воздействию;

- по отклонению регулируемой величины;

- комбинированный.

Главными возмущающими воздействиями, вызывающими откло-

нение напряжения на выводах СГ, являются изменения полного тока

нагрузки и его фазы относительно напряжения (cos

Простейшим АРВ, осуществляющим регулирование напряжения

СГ по полному току нагрузки как возмущающему воздействию, явля-

ется так называемое устройство компаундирования (УК) полным

током.

Обладая простой и, следовательно, высокой надежностью, УК,

однако, как правило, не обеспечивает достаточную точность регулиро-

вания напряжения СГ. Поэтому дополнительно с УК часто приходится

устанавливать регулятор по отклонению напряжения, на который воз-

лагается задача обеспечения требуемой точности регулирования на-

пряжения СГ после действия УК (комбинированный принцип регули-

рования). Этот регулятор по напряжению в электроэнергетике принято

называть корректором напряжения.

Более совершенным (в смысле точности регулирования) по срав-

нению с компаундированием полным током является так называемое

фазовое компаундирование, осуществляющее регулирование напряже-

ния СГ по двум возмущающим воздействиям: току нагрузки и его фа-

зе. Однако и при использовании устройства фазового компаундирова-

ния (УФК) необходимость в корректоре напряжения, как правило, не

отпадает, но от него уже требуется меньшая мощность.

Известное УФК, снабженное корректором напряжения, называют

устройством управляемого фазового компаундирования (УУФК).

Перечисленные виды АРВ предназначены для СГ, снабженных

электромашинными возбудителями постоянного тока. При этом на них

не возлагается задача форсировки возбуждения, хотя их действие спо-

собствует этому процессу. Поэтому на СГ с электромашинным возбу-

ждением дополнительно к этим видам АРВ устанавливается специаль-

ное устройство релейной форсировки возбуждения (УРФ).

С увеличение единичной мощности СГ и появлением высокочас-

тотных систем возбуждения появились специально разработанные для

них АРВ пропорционального действия по отклонению напряжения.

Устройства АРВ СГ с высокочастотной системой возбуждения осуще-

ствляют регулирование напряжения в полном возможном диапазоне

его изменения в нормальных эксплуатационных режимах, а также

форсировку возбуждения в аварийных режимах. Кроме того, эти уст-

ройства выполняют некоторые дополнительные функции в соответст-

вии с требованиями ГОСТ 21558-2000 [18].

Дальнейшее развитие систем АРВ определялось повышением

требований к ним, в связи с укрупнением электроэнергетических сис-

тем, увеличением протяженности линий электропередачи и передавае-

мой по ним мощности, а также увеличением номинальной мощности

СГ с изменением их технических характеристик. В соответствии с

этим, важным этапом научно-технического прогресса в области элек-

троэнергетики стала разработка так называемых автоматических ре-

гуляторов возбуждения сильного действия. Эти регуляторы, исполь-

зующие принцип регулирования по отклонению, имеют достаточно

сложный алгоритм регулирования с введением регулирующих воздей-

ствий по производным режимным параметрам СГ и обладают высоким

быстродействием.

Благодаря использованию АРВ сильного действия совместно с

быстродействующими возбудителями существенно повышаются пре-

дельные по условиям устойчивости значения мощности, передаваемой

по длинным линиям электропередачи, повышается динамическая ус-

тойчивость электроэнергетических систем при сильных возмущениях,

сокращаются длительность и интенсивность переходных процессов

как в электроэнергетической системе, так и в замкнутой системе авто-

матического регулирования возбуждения СГ.

В соответствии с научно-техническим прогрессом в электротех-

нической промышленности совершенствовалась элементная база уст-

ройств АРВ. Длительное время эти устройства выполнялись на элек-

тромагнитном принципе с широким использованием магнитных уси-

лителей, что обеспечивало высокую надежность устройств, но затруд-

няло получение высокого быстродействия. На смену электромагнит-

ным пришли полупроводниковые элементы, сначала аналоговые, а

затем цифровые в интегральном исполнении.

Развитие микропроцессорной техники открыло новые возможно-

сти в развитии АРВ. Реализация АРВ на микропроцессорах (микро-

контроллерах) позволяет существенно расширить функции АРВ, усо-

вершенствовать алгоритмы регулирования и управления возбуждени-

ем СГ в целом, повысить удобство эксплуатации. Соответственно, поя-

вилась возможность унифицированного исполнения устройств АРВ

для генераторов разных типов в виде микропроцессорных ПИД-

регуляторов, адаптация которых к конкретным условиям использова-

ния осуществляется программными средствами.

3.2. Компаундирование синхронных генераторов полным током

Как уже указывалось, главными возмущающими воздействиями,

вызывающими отклонение напряжения на выводах СГ, являются из-

менения тока нагрузки (тока статора СГ) и его фазы. Влияние этих

воздействий на напряжение СГ особенно заметно при работе его на

изолированную (автономную) от электроэнергетической системы на-

грузку.

Влияние тока нагрузки может быть скомпенсировано путем орга-

низации автоматического регулирования тока возбуждения СГ по это-

му возмущению. Такое регулирование принято называть компаундиро-

ванием [1,2]. Регулятор возбуждения СГ, осуществляющий компаун-

дирование, называют устройством компаундирования (УК).

Компаундирование обычно используется для СГ, снабженных

электромашинными возбудителями. Функциональная схема системы

АРВ СГ, функционирующей по принципу компаундирования, приве-

дена на рис.3.1.

Рис.3.1. Функциональная схема системы АРВ СГ с использованием устройства

компаундирования: СГ – синхронный генератор; В – возбудитель; УК – уст-

ройство компаундирования; I – ток нагрузки СГ;

– фаза тока нагрузки; U

– напряжение и ток возбуждения СГ; U – напряжение СГ; I

– ток компаун-

дирования

Согласно схемы (рис.3.1), ток I

на выходе УК определяется пол-

ным током статора СГ. Чтобы подчеркнуть это обстоятельство, рас-

сматриваемое УК иногда называют устройством компаундирования

полным током (если последнее не оговорено, то оно подразумевается).

При компаундировании имеют место две разомкнутые цепи воз-

действий тока нагрузки

на напряжение

СГ. Первая цепь действует

на

непосредственно, вызывая его отклонение. Втора цепь действует

через УК, стремясь компенсировать нежелательное действие первой

цепи.

Изменение характера нагрузки (угол

) также вызывает отклоне-

ние напряжения, однако УК на это не реагирует.

Принципиальная схема УК в однофазном (однолинейном) изо-

бражении приведена на рис.3.2.

Рис.3.2. Принципиальная схема устройства компаундирования СГ: G – статор

СГ; LG – обмотка возбуждения (ротора) СГ; GЕ – якорь электромашинного

возбудителя; LЕ – обмотка самовозбуждения возбудителя; R

– шунтовой рео-

стат; ДП – диодный преобразователь (выпрямитель); T

– трансформатор ком-

паундирования; R

– установочный реостат; I – ток статора СГ; I

– ток возбу-

ждения СГ; I

вв

– ток возбуждения возбудителя; I

св

– ток самовозбуждения воз-

будителя; I

– ток компаундирования; I

тк1,

тк2

– первичный и вторичный токи

трансформатора компаундирования; I

– ток в установочном реостате; I

– вто-

ричный ток трансформаторов тока

Принцип действия УК основан на использовании вторичного то-

ка трансформаторов тока СГ для дополнительного возбуждения элек-

тромашинного возбудителя (обычно через обмотку самовозбуждения)

в функции тока статора СГ.

Устройство компаундирования состоит из промежуточного

трансформатора T

, установочного реостата R

и диодного преобразо-

вателя (выпрямителя) ДП.

Промежуточный трансформатор служит для гальванического

разделения вторичной цепи трансформатора тока, имеющей заземле-

ние (по условиям техники безопасности), и цепей возбудителя. С по-

мощью установочного реостата осуществляется настройка устройства,

плавный ввод УК и вывод из работы.

Из-за наличия тока самовозбуждения возбудителя к выходу ди-

одного преобразователя (выпрямителя) приложено постоянное запи-

рающее напряжение, равное произведению тока самовозбуждения и

сопротивления обмотки самовозбуждения. Поэтому при малых значе-

ниях тока

выпрямитель оказывается закрытым и

= 0

. Минималь-

ное значение тока нагрузки СГ, при котором

> 0,

называется «поро-

гом» компаундирования. При подключении выхода УК к обмотке неза-

висимого возбуждения возбудителя порог компаундирования отсутст-

вует.

Для оценки влияния УК на внешнюю характеристику СГ необхо-

димо характеристику компаундирования

= F(I)

сопоставить с ре-

гулировочной характеристикой (рис.3.3).

Рис.3.3. Регулировочная характеристика и характеристики компаундирования

(1, 2, 3) СГ, снабженного УК, при различных значениях сопротивления уста-

новочного реостата: 1 – R

у1

= 0; 2 – R

у2

> R

у1

; 3 – R

у3

> R

у2

Характеристика компаундирования – зависимость тока возбуж-

дения СГ от тока нагрузки СГ, обусловленная действием УК.

Вид характеристики компаундирования зависит от значения со-

противления R

Из-за насыщения элементов УК характеристика компаундирова-

ния нелинейная.

Сопоставление полученных характеристик (рис.3.3) показывает,

что даже при постоянном значении фазы тока статора (cos

= const)

характеристика компаундирования не совпадает с регулировочной

характеристикой. Причем, в зависимости от значения сопротивления

установочного реостата R

у,

они могут вообще не пересекаться (R

ма-

ло) или пересекаться, например, в двух точках b и с (рис.3.3), либо да-

же в одной точке. Поэтому напряжение на выводах СГ, соответствую-

щее значению, при котором снята регулировочная характеристика (на-

пример, номинальному), будет иметь место только при значениях тока

статора

которым соответствуют точки (или точка) пересечения ха-

рактеристик (b и с). При других значениях тока напряжение будет ли-

бо ниже, либо выше требуемого (рис.3.4).

Рис.3.4. Внешняя характеристика СГ, снабженного УК, при различных значе-

ниях сопротивления установочного реостата: 1 – R

у1

= 0; 2 – R

у2

> R

у1

;

3 – R

у3

> R

у2

Точка а на рис.3.3 и 3.4 соответствует порогу компаундирования.

При

= 0

(компаундирование выведено) порог компаундирования

равен бесконечности и УК не оказывает влияния на внешнюю харак-

теристику СГ (рис.3.4, кривая 1).

При большом значении сопротивления установочного реостата

(

у3

) внешняя характеристика СГ, снабженного УК, становится

достаточно жесткой (рис.3.4). Причем при малых нагрузках (левее

точки b) напряжение несколько меньше номинального, а в диапазоне

нагрузок между точками b и с – несколько больше.

При изменениях cos

СГ характеристика компаундирования не

изменяется, а регулировочные характеристики будут разными. Поэто-

му при разных cos

характеристика компаундирования будет пересе-

кать регулировочные характеристики в разных точках и, следователь-

но, разными будут внешние характеристики СГ, снабженного УК

(рис.3.5).