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

Подождите немного. Документ загружается.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ

ЭЛЕКТРОМАШИНОСТРОЕНИЯ

А. А. Юрганов

В. А. Кожевников

РЕГУЛИРОВАНИЕ

ВОЗБУЖДЕНИЯ

СИНХРОННЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

Ответственный редактор

академик РАН И.А.Глебов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

„НАУКА"

1996

ВБК 31.261.62

Ю 65

УДК 621.3l3.322

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

генераторов. — СПб.: Наука, 1996. — 138 с.

Излагается оригинальная методика эквивалентирования внешней сети электростан-

ции, моделирования систем регулирования возбуждения и анализа устойчивости син-

хронных генераторов, работающих в энергосистеме. Подробно описаны современный и

перспективный регуляторы возбуждения, а также аппаратура для их проверки

наладки при вводе в работу и в процессе эксплуатации. Представлен программный

комплекс для ПЭВМ, решающий вопросы проектирования, исследования и диагности-

рования аппаратуры регулирования возбуждения.

Книга может представлять интерес для инженеров и научных работников, специа-

лизирующихся в области разработки и эксплуатации систем возбуждения, сотрудников

наладочных организаций, студентов энергетических специальностей вузов и

тех-

никумов.

Библиогр. 67 назв. Ил. 63. Табл. 5.

Рецензенты: С. В. СМОЛОВИК, М. Л. БОГАЧКОВ

Редактор издательства Л. С. ТИХОМИРОВА

Издание осуществлено при финансовой поддержке

РФФИ и АО «Самараэнерго»

94216

96042(02)

2202070100

−

, II полугодие © А.А.Юрганов, В. А. Кожевников,

1996

ISBN 5-02-0024772-3 © Российская академия наук, 1996

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие энергетики постоянно требует решения комплекса

теоретических и практических задач, среди которых важное место

занимает проблема исследования и разработки средств повышения

пропускной способности линий. Ее решением успешно занимались

многие научные и проектные организации, а выполненные исследо-

вания явились важным вкладом в теорию и практику устойчивости

электрических систем.

Одним

из главных результатов этих исследований стало внедрение

на электростанциях бывшего СССР сильного регулирования воз-

буждения синхронных генераторов, которое при минимальных капи-

тальных затратах обеспечивает работоспособность генераторов как

обычного, так и нетрадиционного исполнения, решает вопросы

повышения устойчивости и надежности процесса передачи электро-

энергии, а также распределения реактивной мощности и минимизации

потерь в

сетях. Поэтому сейчас, в 90-е годы, особенно дальновидной

представляется техническая политика, проводившаяся в СССР

начиная с 40-х годов. Она предусматривала формирование научных

коллективов, создание самой передовой в то время исследовательской

базы (цифроаналого-физических моделей энергосистем).

Исследование устойчивости дальних электропередач началось еще

в предвоенные годы. Основы теории регулирования возбуждения в

нашей

стране заложили такие крупные ученые, как А. А. Горев, П. С.

Жданов, и А. С. Лебедев. Однако крупномасштабные разработки

стали выполняться начиная с 50-х годов в связи со строительством

электропередач «Куйбышев—Москва» и «Сталинград—Москва».

Обеспечить их устойчивость с помощью обычных для того времени

инерционных в электромагнитном отношении электромашинных

возбудительных систем

было невозможно. Поэтому были созданы

быстродействующие ионные, а затем тиристорные системы

возбуждения. Эти работы были пионерскими не только в СССР, но и в

мире. Результаты исследований, в частности анализ устойчивости

гидрогенераторов при работе на ЛЭП большой протяженности и на

ЛЭП, отходящих в несколько энергосистем, а также вопросы струк-

туры и

характеристик системы возбуждения полностью сохранили

свое значение в настоящее время.

Теоретическая база развивалась по двум, иногда конкурирующим

между собой, но всегда взаимообогащающим друг друга научным

направлениям, которые можно условно назвать «школа МЭИ» и

«школа ЛПИ». Большой научный вклад внесли такие ученые, как В.

А. Веников, Г. Р. Герценберг, И. А. Глебов, И. А. Груздев, М. Л.

Левинщтейн, И. В. Литкенс, С. А. Совалов, Н. И. Соколов, О. В.

Щербачев и др.

Они опубликовали рад монографий

и учебников [1—8 ], составив-

ших стройную теорию, отражающую уровень теоретических иссле-

дований 70-х годов, и позволивших воспитать целое поколение ин-

женеров и научных работников. Особо следует отметить оригиналь-

ность подхода российских ученых к важным техническим проблемам,

позволившую им намного опередить своих зарубежных коллег. Если в

передовых странах Запада вплоть до 80-х

годов существовало

устойчивое мнение, что в мощных энергообъединениях со стабили-

зацией режимов вполне могут справиться инерционные системы воз-

буждения пропорционального типа, то в СССР сразу была поставлена

задача исследования и внедрения регулирования возбуждения со

стабилизацией по производным режимных параметров, получившего

название «сильное регулирование». Развитие энергетики полностью

подтвердило правильность этой концепции. В

настоящее время оно

внедряется всеми ведущими электротехническими фирмами мира.

Однако длительная успешная работа генераторов, оснащенных

автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ) сильного дейст-

вия, породила парадоксальную ситуацию, когда в некоторых эксплу-

атационных и наладочных организациях появляются тенденции к

упрощению алгоритмов АРВ, сокращению числа и упрощению фун-

кциональных блоков с целью сокращения объема

наладочных работ и

«повышения» надежности аппаратуры. Авторский надзор, непрерывно

осуществляемый разработчиками аппаратуры, показывает, что

довольно часто внесение изменений, выполняемых без достаточно

полного теоретического анализа возможных последствий, приводит на

практике к отрицательным результатам. Кроме того, встречаются

случаи, когда персонал электростанций, не располагая простыми

методами анализа и аппаратурой для проверки и наладки

систем

возбуждения, не может качественно выполнить полный объем

регламентных работ. Результатом могут стать повреждения дорого-

стоящего оборудования и тяжелые системные аварии, приводящие к

перерывам электроснабжения.

Многолетняя научная и инженерная работа авторов в области ре-

гулирования возбуждения убедила их в том, что актуальными зада-

чами являются как совершенствование АРВ и возбудителей, так

устранение разрыва между теорией регулирования и практикой про-

ектных, наладочных работ и эксплуатации аппаратуры регулирования

на станциях.

К сожалению, в 80-е годы резко сократился выпуск монографий по

вопросам регулирования возбуждения. Дело сводилось к переизданию

трудов известных авторов. Из оригинальных изданий можно отметить

только учебник И. Л. Осипова и Ю.

Г. Шакаряна [9],

«Микропроцессоры в энергетике» [10] и учебное пособие М. Л.

Левинштейна и О. В. Щербачева [11 ], вышедшую очень малым тира-

жом книгу с поистине трагической судьбой. Будучи написанной в

1966 г., она увидела свет только в 1994 г. В результате многие ценные

идеи авторов, опередивших свое время, остались неизвестными

технической общественности и не были реализованы. Из зарубежных

источников следует отметить книгу Андерсона и Фуада [12].

Многочисленные публикации в технических журналах и сборни-

ках

посвящены конкретным вопросам и ограничены по объему. В си-

лу этого, а также потому, что был прекращен выпуск библиографи-

ческих материалов, позволяющих охватить весь спектр публикаций,

новое поколение исследователей часто только односторонне знако-

мится с проблемой, а инженеры-практики не имеют технического по-

собия, в котором в сжатом виде было

бы изложено существо вопроса.

Задачами предлагаемой читателю книги являются:

— достаточно полное описание структуры, функциональных воз-

можностей и особенностей систем возбуждения и АРВ, эксплуатиру-

емых в настоящее время в России;

— краткое изложение способов математического описания гене-

ратора, работающего в системе, его системы возбуждения и АРВ;

— ознакомление с экспресс-методами оценки

статической устой-

чивости электростанций в линейной постановке задачи, а также про-

верки и наладки действующих систем регулирования в процессе их

эксплуатации при малых и больших возмущениях;

— показ возможностей современных пакетов прикладных про-

грамм для ПЭВМ при исследовании устойчивости систем регулиро-

вания возбуждения.

Для понимания изложенного материала от читателя не требуется

знания специальных разделов математики и теории автоматического

регулирования. Достаточно быть знакомым с основами операторного

анализа и частотными методами.

Авторы надеются, что книга будет полезна инженерам, занима-

ющимся вопросами проектирования энергосистем, разработки и экс-

плуатации систем их автоматического регулирования, а также сту-

дентам электромеханических специальностей вузов.

Авторы выражают благодарность редактору книги академику

И. А. Глебову, рецензентам — д-ру техн. наук проф. С. В. Смоловику

и канд. техн. наук М. Л. Богачкову за ряд ценных замечаний,

позволивших более ясно изложить материал, а также Г. Б.

Любомировой и В. С. Петрову, оказавшим неоценимую помощь в

подготовке рукописи к изданию.

СПИСОК ПРИНЯТЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

, Q

— суммарные активная и реактивная мощности электростанции

P, Q — активная и реактивная мощности эквивалентного генератора, за-

мещающего электростанцию

, I

— активный и реактивный токи статора эквивалентною генератора

, i

— продольный и поперечный токи статора

, U

— напряжения эквивалентного генератора и эквивалентных

шин бесконечной мощности

, θ

ВН

, θ — внутренний, внешний и полным углы электропередачи

µ — коэффициент магнитной связи контуров статора с контуром воз-

буждения

σ — соответствующий коэффициент магнитного рассеяния, допол-

няющий до единицы коэффициент магнитной связи

Т do, T'd — постоянные времени в продольной оси — холостого хода

и переходная

— синхронная угловая частота машины

f — частота эдс машины

— частота напряжения на зажимах статора

— постоянная инерции ротора агрегата, выраженная в с

= —— — инерционная постоянная в синхронном времени

р — знак дифференцирования по времени

s — скольжение ротора

— эдс за поперечной реактивностью машины

’

q — составляющая эдс за переходной составляющей машины

в продольной оси

— приложенная здс в контуре возбуждения

е.в.х.х. — единица возбуждения холостого хода, равная единице при номи-

нальном напряжении на зажимах статора при холостом ходе и

номинальной скорости ротора

е.в.н. — единица возбуждения номинальная, равная единице при

номинальном напряжении на зажимах статора при номинальной

нагрузке машины и

номинальной скорости ротора

е.в.н.

——— — E

qн

= U

fн

е.в.х-x.

∆Q

∆U

*100 % — статизм системы регулирования напряжения

, K

— коэффициенты усиления регулятора возбуждения по отклонению и

первой производной напряжения машины

1IF

—коэффициент усиления регулятора возбуждения по

первой производной тока возбуждения машины

, K

— коэффициенты усиления регулятора возбуждения по отклонению и

первой производной частоты

— эквивалентный коэффициент, учитывающий суммарное действие

каналов отклонения и производной частоты

Глава 1

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ

СИНХРОННОЙ МАШИНЫ,

РАБОТАЮЩЕЙ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

1.1. Метод эквнвалентирования внешней

электрической сети станции

Теория статической устойчивости синхронных генераторов

наиболее полно разработана для простейшей энергосистемы «ма-

шина—линия—шины бесконечной мощности». Именно эта расчетная

схема подробно рассмотрена большинством авторов. Что касается

исследования устойчивости сложных регулируемых систем

, то его

обычно рекомендуется проводить теми же общими методами, вклю-

чающими анализ характера решений систем дифференциальных

уравнений, частотные методы, метод D-разбиения, определение ком-

плексных амплитуд переменных, непосредственный учет корней ха-

рактеристического уравнения и различные модификации этих мето-

дов.

Однако суммарный порядок дифференциальных уравнений слож-

ной схемы катастрофически возрастает, особенно при

учете регули-

рования возбуждения. Современные методы вычислительной мате-

матики и цифровые вычислительные машины в некоторой степени

позволяют бороться с беллмановским «проклятием размерности», но

возможности их также ограничены. С одной стороны, по мере роста

порядка дифференциальных уравнений возрастает время расчетов,

повышаются требования к объему памяти и быстродействию ЭВМ, а с

другой — даже

в том случае, если удается получить решение задачи,

перед исследователем неизбежно встает проблема осмысления и

упорядочения огромного объема информации. В результате сущест-

венно осложняются постановка и решение задачи выбора оптималь-

ных законов и коэффициентов регулирования,

Обычно применяют метод последовательных приближений, зада-

вая коэффициенты регулирования на всех станциях, кроме одной, и

определяя оптимальный закон регулирования для этой станции. Затем,

зафиксировав его, повторяют расчет для следующей станции и т. д.

Этот эмпирический метод весьма трудоемок и нет никакой гарантии,

что в результате его применения будет получено общее, а не частное

решение.

Для преодоления этих трудностей группой исследователей под ру-

ководством И. А. Груздева

были разработаны изящные математиче-

ские методы понижения порядка системы дифференциальных урав-

нений и поиска экстремума заданной целевой функции при одновре-

менном воздействии на все корни характеристического уравнения

[13—14]. Результатом этих работ стала специализированная про-

грамма «Поиск» [15]. Однако и в этом случае после получения ре-

зультатов очень трудно выдать рекомендации для проектирования и

настройки АРВ на конкретных станциях.

Все эти методы доступны только очень квалифицированным ис-

следователям, требуют специальной математической подготовки и

весьма трудоемки. В то же время перед

службами режимов Объеди-

ненных диспетчерских управлений и эксплуатационным персоналом

электростанций достаточно остро стоят вопросы оценки качества на-

стройки регуляторов возбуждения и возможностей стабилизации ре-

жима конкретной станции. При этом объем доступной информации о

внешней сети, параметрах генераторов других станций, данных о

перетоках и нагрузках в системе весьма ограничен.

Это постоянно

заставляло искать достаточно простые и в то же

время надежные способы эквивалентирования схем и режимов

электроэнергетических систем [16—20]. В идеале было бы хорошо

получить возможность замены всей внешней сети исследуемой

станции эквивалентной схемой «линия—шины бесконечной мощно-

сти». Это дало бы возможность наиболее эффективно использовать

весь накопленный для нее опыт исследований, но

уже в конкретных

условиях.

При разработке такого метода [21 ] особое внимание было обра-

щено на то, что при исследовании устойчивости электростанций,

примыкающих к энергосистеме, выборе и наладке систем регулиро-

вания возбуждения в подавляющем большинстве случаев определя-

ющим является общее одночастотное движение исследуемых агрега-

тов относительно мощных энергообъединений. Это позволяет допу-

стить

возможность замещения всего энергообъединения шинами

неизменного по фазе напряжения U

, расположенными в центре элек-

трических качаний, а сложной схемы электрических соединений —

одной линией с сопротивлением Х

ВН.

При этом все изменения режима

исходной схемы (рис. 1.1, а) должны адекватно отображаться экви-

валентной схемой (рис. 1. 1, б). Для наблюдателя, находящегося на

шинах станции, любые изменения режима, нагрузок и связей во

внешней сети воспринимаются как изменения установившегося зна-

чения модуля напряжения U

, неизменного по фазе, а значения U, Р

совпадают в обеих схемах. Трудность состоит в определении

параметра Х

ВН

эквивалентной схемы. Зная его величину, всегда можно

рассчитать неизменное для данного режима значение Uc на основе

местной информации.

Рассмотрим известные уравнения активной и реактивной мощно-

стей эквивалентной схемы:

Возведя (1.1) и (1.2) в квадрат и сложив их между собой, получим:

Разность (1.3) для двух отличающихся друг от друга режимов дает

квадратное уравнение с одним неизвестным Х

ВН

В процессе нормальной работы станции необходимо реализовать с

минимально возможным разрывом по времени два установившихся

режима и зафиксировать в них значения U

, P

Σi,

Σi.

На практике проще

всего в качестве первого, режима (i=1) принять режим с максимально

допустимым напряжением на шинах станции, в качестве второго — с

минимально допустимым по условиям потребления реактивной

мощности напряжением генераторов. При проведении диспетчерских

расчетов эта процедура должна быть выполнена в процессе

вычислительного эксперимента с помощью

специализирован-