Юрганов А.А., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов

Подождите немного. Документ загружается.

5.4 (кривые 1). Расчет параметров, входящих в уравнение (5.16),

выполненный по предложенной методике для возбудителя БВД-4600-

1500, дал результаты, приведенные в табл. 5.2.

Уравнение, связывающее входной сигнал с напряжением возбуж-

дения возбудителя, определяется упрощенной моделью тиристорного

преобразователя (5.9):

Уравнение обмотки возбуждения в режиме короткого замыкания

энергоблока имеет вид

121

где

— сопротивление рассеяния блочного трансформатора. Совместное

решение (5.16)—(5.18) дает

Из последнего уравнения были определены расчетные частотные

характеристики, представленные на рис. 5.3 и 5.4 (кривые 2). Срав-

нение расчетных кривых с экспериментальными показывает, что в

диапазоне от 0.5 до 4 Гц амплитудные характеристики отличаются

друг от друга не более чем на 2 дБ, а фазовые — не более чем на 2.5°.

Таким образом, расчеты и эксперименты подтвердили, что, не-

смотря на свою кажущуюся простоту, упрощенная модель диодного

бесщеточного возбудителя (5.16) является достаточно точной.

122

5.6. Модернизированная высокочастотная

система возбуждения

С 70-х годов турбогенераторы мощностью от 100 до 500 МВт

оснащались высокочастотной системой возбуждения. За истекшие

годы произошло моральное и физическое старение аппаратуры

регулирования этих систем, выполненных на магнитных усилителях.

В настоящее время эти системы не удовлетворяют требованиям по

части быстродействия, ограничения перегрузок и минимального

возбуждения, а также по части резервирования основного АРВ. В

связи с этим встал вопрос об их модернизации. Модернизация вы-

сокочастотной системы возбуждения заключается в замене аппара-

туры, выполненной на магнитных усилителях, полупроводниковым

регулятором АРВ-СДП1 и тиристорным преобразователем, в отказе от

подвозбудителя и исключении из схемы системы возбуждения по-

следовательной обмотки возбуждения возбудителя [61 ]. Схема мо-

дернизированной высокочастотной системы возбуждения приведена

на рис. 5.5. Ток ротора синхронного генератора складывается из токов

двух диодных мостов, питаемых от вращающегося возбудителя (I

) и

от трансформаторов силового компаундирования (I

). В связи с этим

очевидно следующее уравнение:

Уравнение, описывающее работу диодного выпрямительного мо-

ста, питающегося напряжением вращающегося возбудителя и рабо-

тающего на обмотку возбуждения синхронного генератора, было по-

лучено ранее (5.14) при рассмотрении бесщеточной системы возбуж-

дения:

Коэффициенты и постоянные времени, входящие в последнее

уравнение, определяются по формулам (5.15). При этом в качестве

реактивности коммутации следует брать реактивность рассеяния воз-

будителя Х

= Х

sв

. Режим работы преобразователя, питаемого напря-

жением возбудителя, зависит от распределения тока между мостами и

определяется эквивалентным сопротивлением диодного преобразо-

вателя:

Если R

≤ 1/3, то преобразователь работает в режиме 2—3, если

> l/З, то—в режиме 3—3.

Работа диодного выпрямителя силового компаундирования может

быть описана уравнением внешней характеристики. При этом ком-

мутирующей эдс является величина, пропорциональная произведе-

123

нию тока статора на реактивность шунта намагничивания, а реак-

тивностью коммутации — сумма реактивных сопротивлений намаг-

ничивания и рассеяния трансформатора компаундирования. Следо-

вательно, для режима малых отклонений справедливо следующее

уравнение:

где для случая соединения трансформаторов компаундирования по

схеме треугольника

где Х

, Х

— реактивные сопротивления намагничивания и рассеяния

трансформаторов компаундирования, приведенные ко вторичной

обмотке и выраженные в омах; k

— коэффициент трансформации

трансформаторов компаундирования.

Решив совместно уравнения (5.19)—(5.22), получим:

где

124

Для вычисления коэффициентов линеаризованных уравнений

требуется определить распределение токов между диодными выпря-

мительными мостами. Ток диодного моста, питаемого от трансфор-

матора силового компаундирования, определяется как корень квад-

ратного уравнения

где

Очевидно, что ток выпрямительного моста, питаемого от высоко-

частотного генератора, определяется как разность токов

В качестве примера выполним расчет параметров математической

модели высокочастотного возбудителя турбогенератора ТВФ-120-2

для номинального режима работы. Номинальные величины турбо-

генератора имеют значения: U

f ном

= 300 В; I

f ном

= 1830 А; I

г. ном

=7763

А.

Параметры трансформаторов силового компаундирования имеют

следующие значения: Х

= 3 Ом, X

= 0.0275 Ом, k

= 14.

Величины параметров высокочастотного возбудителя равны:

в.ном

= 340 кВ*А, U

в.ном

= 280 В, X

d в

=1.24, X'

d в

= 0.64, X

= 0.57,

d 0в

= 0.64 с.

В номинальном режиме работы турбогенератора U

= 1.0, I

= 1.0,

= 1.0.

Коэффициенты квадратного уравнения (5.24) равны В

= 0.831,

= 0.098.

Ток выпрямителя, питающегося от трансформаторов силового

компаундирования, определенный как корень уравнения (5.24), равен

=0.689.

Ток выпрямителя, питающегося от высокочастотного возбудителя,

вычисляется по формуле (5.25), I

= 0.311.

125

Уместно заметить, что в период пусконаладочных работ на высо-

кочастотной системе турбогенератора ТВФ-120-2 был произведен за-

мер распределения токов между диодными мостами в номинальном

режиме работы турбогенератора. Измерения дали следующие резуль-

таты: I

= 580 А, что составляет 0.317 о.е.; I

= 1250 А, что составляет

0.683 о.е.

Величина эквивалентного сопротивления диодного моста, питаю-

щегося от высокочастотного возбудителя, составляет R

Э1

= 0.238.

Полученное значение эквивалентного сопротивления меньше

одной трети, следовательно, диодный преобразователь работает в

режиме 2—3. Расчеты по формулам, приведенным в табл. 5.1, дают

следующие результаты: γ = 52° , b = -0.354, g= 0.52, ψ =15.7°, F(γ, ψ) =

0.219, G (γ, ψ) = -2.76.

Коэффициенты и постоянные времени, определенные по формулам

(5.15), равны: T

= 0.739 с, Т

= 0.286 с, k

= 1.79, k

= 0.795.

Параметры, входящие в уравнение (5.23), равны: A

= 1.61, А

0.593, А

= 0.714, τ

= 0.691, τ

= 0.268.

Таким образом, уравнение высокочастотной системы возбуждения

турбогенератора ТВФ-120-2 для номинального режима работы имеет

вид:

Очевидно, что для высокочастотных систем возбуждения, выпол-

ненных без силового компаундирования, выражения для параметров,

входящих в уравнение (5.23), упростятся. Действительно, отсутствие

трансформаторов компаундирования эквивалентно тому, что X

→ ∞,

→ 0.

В этом случае R

Э2

→∞, A

= k

, А

= 0, A

= k

, τ

= T

, τ

= T

Таким образом, математическое описание работы модернизированной

высокочастотной системы возбуждения без силового компа-

ундирования совпадает с моделью бесщеточной системы возбужде-

ния.

126

Глава 6

СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

НАДЕЖНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

6.1. Методика и устройство

для проверки и наладки

систем регулирования возбуждения

Надежная и устойчивая работа генерирующего агрегата в

значительной степени зависит от качества настройки системы авто-

матического регулирования возбуждения. Повышение требований к

показателям надежности соответственно увеличивает время, необхо-

димое на проверку, настройку и испытания систем регулирования

возбуждения в период выполнения пусконаладочных работ и планово-

предупредительных ремонтов. Однако технические условия экс-

плуатации силового энергетического оборудования ограничивают

объем и продолжительность испытательных режимов. Так, например,

существенные ограничения накладываются на режим холостого хода

турбогенераторов, в то время как наладка систем возбуждения требует

вращения турбоагрегата с номинальным числом оборотов.

Значительные ограничения испытательных режимов накладываются

на проверки, связанные с перегрузкой основного энергетического

оборудования. В связи с этим становится эффективным специализи-

рованное устройство для проверки регулятора возбуждения (УПР),

позволяющее проводить наладку и испытания регуляторов в предпу-

сковой период на неподвижном агрегате. УПР обеспечивает повыше-

ние надежности работы системы возбуждения за счет:

— повышения устойчивости работы синхронных генераторов

вследствие выполнения более качественной настройки АРВ;

— исключения опасных режимов при проведении испытаний и

сокращения объема испытаний на работающем агрегате;

— снижения времени восстановления при выходе из строя блоков

основного комплекта АРВ.

С помощью УПР проверяется функционирование каналов регу-

лирования по отклонению и первой производной напряжения статора,

по первой производной тока ротора, по изменению и первой про-

изводной частоты напряжения статора, а также канала жесткой об-

ратной связи по напряжению ротора (для бесщеточных и высокоча-

стотных систем возбуждения). УПР обеспечивает проверку

работоспособности каналов ограничения максимального и минималь-

ного возбуждения, алгоритмов начального возбуждения и разгрузки

генератора по реактивной мощности. Устройство представляет собой

аналоговую модель синхронного генератора с системой возбуждения

для ряда характерных с точки зрения проверки АРВ режимов работы

127

и состоит из следующих четырех блоков: блока модели объекта ре-

гулирования (МОР), блока модели генератора в режиме перевозбуж-

дения (МГУ), блока модели генератора в режиме потребления реак-

тивной мощности (МГО), блока модели регулятора возбуждения

(МРВ).

Блок МОР является простейшей аналоговой моделью системы

возбуждения и синхронного генератора, работающего в режиме хо-

лостого хода. Возбудитель моделируется в соответствии с уравнени-

ями математической модели статической или бесщеточной системы

возбуждения. В основе модели синхронного генератора лежат урав-

нения Парка—Горева, записанные для режима холостого хода.

С помощью блока МОР можно проверить как соединенный с воз-

будителем регулятор возбуждения (режим комплексной проверки), так

и собственно АРВ (режим автономной проверки). В первом случае на

вход блока МОР подается сигнал, пропорциональный напряжению

тиристорного преобразователя, через устройство гальванической

развязки, которым может служить блок обратной связи (БОС) (рис.

6.1). Во втором случае на вход блока МОР поступает выходное

напряжение АРВ. На выходе блока МОР формируются сигналы, про-

порциональные напряжению статора U

и его отклонению от номи-

нального значения ΔU

, напряжению U

, и току I

ротора, с заданными

масштабными коэффициентами. Сигналы с выхода МОР подают-

128

ся на вход блоков АРВ в качестве сигналов регулирования. Таким

образом, с помощью блока МОР имитируется работа системы регу-

лирования в замкнутой схеме, что позволяет:

— определить статические характеристики и коэффициенты передачи

системы регулирования возбуждения;

— проверить устойчивость работы в режиме холостого хода ге-

нератора и определить границы областей устойчивости в координатах

коэффициентов усиления каналов регулирования по первым про-

изводным напряжения статора и тока ротора при различных коэф-

фициентах усиления каналов регулирования по отклонению напряжения

и канала ЖОС (для бесщеточных и высокочастотных систем);

— проверить диапазон и скорость изменения уставки напряжения;

— проверить работу канала начального возбуждения;

— испытать в режиме автономной проверки работоспособность

ограничителя двойного тока, проверить настройку характеристики

ограничителя перегрузки, проверить работу ограничителя номинального

тока ротора.

Наиболее характерными режимами синхронного генератора в сети с

точки зрения проверки работоспособности АРВ является работа в зоне

искусственной устойчивости и работа с потреблением реактивной

мощности. Автоматический регулятор возбуждения, проверенный в

полном объеме в этих двух крайних режимах, обеспечит высокое

качество регулирования во всех остальных промежуточных режимах.

Работа синхронного генератора в указанных режимах моделируется

блоками МГУ и МГО.

Блок МГУ представляет собой простейшую аналоговую модель

синхронного генератора, работающего с номинальной мощностью на

приемную систему бесконечной мощности через дальнюю линию

электропередачи, с фазовым углом между его поперечной осью и век-

тором напряжения шин приемной системы, превышающим 90°. Блок

МГО является аналоговой моделью генератора, работающего с номи-

нальной активной мощностью в режиме потребления реактивной

мощности, с фазовым углом близким к 90°. Блоки МГУ и МГО учи-

тывают инерционность обмотки возбуждения, механическую инерцию

ротора и турбины, реакцию якоря генератора. В основе аналоговых

моделей синхронного генератора лежат линеаризованные уравнения

Парка—Горева. На вход блоков МГУ и МГО подается сигнал с блока

МОР, пропорциональный напряжению ротора U

, а на выходе

формируются сигналы, пропорциональные отклонениям от

установившихся значений напряжения статора ΔU

, частоты напряжения

статора Δf, тока ротора ΔI

, а также величинам активной I

и реактивной

составляющим тока статора. Выходные сигналы, сформированные с

заданными масштабами, подаются на входы блоков АРВ в качестве

сигналов регулирования.

Использование блоков МГО и МГУ позволяет осуществить в зам-

кнутом контуре регулирования следующие функции:

129

— проверку устойчивости регулирования возбуждения в зоне

ис

кусственной устойчивости и в режиме недовозбуждения с различными

значениями коэффициентов усиления каналов стабилизации;

— определение границы вступления в работу ограничителя ми-

нимального возбуждения, статизма и динамику ограничителя мини-

мального возбуждения;

— проверку работы канала разгрузки по реактивной мощности;

— проверку работы канала сгона уставки при перегрузке по току

ротора.

Блок МРВ служит для проверки блоков МГУ и МГО. Необходимость

в применении блока МРВ объясняется тем, что блок МГУ апериодически

неустойчив, а характеристики блока МГО близки к границе

колебательной устойчивости. В связи с этим определение статических и

динамических характеристик этих блоков было бы без МРВ крайне

затруднительно. Блок МРВ представляет собой линейную аналоговую

модель регулятора АРВ-СД. На его вход поступают сигналы ΔU

, Δf, ΔI

формируемые на выходе блоков МГУ или МГО. На выходе блока МРВ

вырабатывается сигнал управления, который подается на вход блока

МГУ или МГО. Таким образом проверяется работоспособность блоков

МГУ и МГО в замкнутом контуре.

Опыт использования УПР на электростанциях показал его эф-

фективность, а надежность работы и простота применения обеспечивают

его широкое внедрение в эксплуатацию.

6.2. Двухканальная система регулирования возбуждения

Традиционным способом повышения надежности работы

оборудования является резервирование. Большое число находящихся в

эксплуатации систем возбуждения включает в себя АРВ, подключенный

своим выходом ко входам двух тиристорных преобразователей (рис. 6.2),

каждый из которых обеспечивает все эксплуатацион-

Рис. 6.2. Схема резервирования системы автоматического регулирования возбужде-

130