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

Подождите немного. Документ загружается.

модели упрощенными для диапазона частот 0.8—1.1 Гц приводит к

погрешности не более чем 2 дБ по амплитуде и 20° по фазе, что впол-

не допустимо при оценочных расчетах низкочастотных границ ус-

тойчивости. Оценка высокочастотных границ устойчивости по упро-

щенным уравнениям приводит к большой ошибке, поэтому ими нельзя

пользоваться для этих целей.

Если выразить

коэффициенты усиления в именованных единицах

(КB

B [е.в.н./е.н. ], КB

B [е.в.н./c], КB

1if

B [е.т.в./с], KB

B [е.в.н./Гц]), учесть все

знаки в тракте регулирования и коэффициент усиления возбудителя,

то обобщенное упрощенное уравнение регулирования запишется в

виде

4.6. Четвертая стадия развития

сильного регулирования возбуждения

Бурный прогресс в области полупроводниковой электрон-

ной техники, появление интегральных микросхем большой степени

интеграции, микропроцессорных комплексов и микропроцессоров

положили начало четвертой стадии развития аппаратуры, методов и

средств автоматического регулирования возбуждения. 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 перестра-

иваемых, и дает явный выигрыш при реализации технологических и

защитных функций за счет повышения точности выполнения. Что же

касается функций контроля, диагностики и сервиса, то в этом случае

никакой альтернативы микропроцессорам не существует.

Внедрение

на электростанциях автоматизированных систем уп-

равления технологическими процессами привело к необходимости

ввести для регуляторов возбуждения новые технические требования:

в том числе дистанционное управление с центрального пульта

(выбор настройки, задание режимов работы); передачу информации о

режиме работы на центральный пульт; прием и исполнение команд;

самоконтроль и сигнализацию о неисправностях.

В начале 80-

х годов были созданы опытные образцы цифровых

регуляторов АРВ—СДЦ на базе микроЭВМ «Электроника 60» [51 ] и

АРВ—СДМ на базе комплекса микропроцессорных средств управ-

ляющей вычислительной техники МСУВТ—В7 [52 ]. Основу цифро-

вых АРВ составляют управляющие вычислительные комплексы по-

вышенной надежности, содержащие две микроЭВМ. Обе они работа-

ют одновременно и независимо друг от

друга, т. е. каждая получает

информацию по своим каналам, обрабатывает ее и рассчитывает уп-

равляющее воздействие. На систему управления возбуждением по-

ступает сигнал только от одной машины, ведущей в данный

момент регулирование; второй процессор остается в «горячем

резерве». Коммутация выходных сигналов микроЭВМ

осуществляется блоком контроля исправности.

Цифровые регуляторы возбуждения реализуют значительно боль-

шее количество функций по сравнению с их аналоговыми предшест-

венниками. В частности, в алгоритм работы регуляторов возбуждения

АРВ—СДЦ и АРВ—СДМ заложено отображение информации о

состоянии и режиме работы генератора и элементов системы возбуж-

дения, что значительно облегчает наладку и эксплуатацию.

АРВ—СДМ обеспечивает

практически такое же качество регули-

рования, как и АРВ—СД на магнитных усилителях, который он

структурно и алгоритмически повторяет.

АРВ—СДЦ структурно существенно отличается от всех других

разработок. Его отличительной особенностью является наличие глу-

бокой жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения.

Охват возбудителя обратной связью по току ротора 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 системы ре-

гулирования исполнительное звено, получившее название регулятора

тока ротора. При этом имеется возможность работы как в режиме

регулирования напряжения статора, так и в режиме регулирования

тока

ротора.

Из-за недостаточно высокой производительности микроЭВМ, на

базе которых были созданы регуляторы АРВ—СДЦ и АРВ—СДМ,

оказалось невозможным полностью отказаться от узлов и блоков на

полупроводниках и микросхемах малой и средней степени интегра-

ции. Большое число аналоговых элементов и используемые микро-

ЭВМ обусловили плохие массогабаритные показатели и высокое

энергопотребление. Поэтому АРВ—СДЦ и АРВ—СДМ не получили

широкого внедрения. Несмотря на это, разработка цифровых регу-

ляторов была необходимым и полезным шагом на пути создания

цифровой аппаратуры управления.

Более перспективным оказалось использование микропроцессор-

ных комплексов в системе управления возбуждением [53 ]. При этом

на нее возлагается большая часть защитных и технологических

функций

, которые раньше исполнялись регулятором возбуждения. Со-

хранив функции поддержания напряжения и обеспечения устойчи-

вости генератора, регулятор, получивший название АРН, значительно

упростился [54 ]. При его разработке были учтены изложенные в гл. 3

рекомендации о целесообразности дальнейшего уменьшения по

сравнению с АРВ—СДП1 пропорциональной составляющей сигнала

регулирования по напряжению в области частоты собственных коле-

баний агрегата. Все это повысило надежность и облегчило наладку и

эксплуатацию АРН. Он выпускается в двух модификациях, предназ-

наченных для работы в составе статической тиристорной и бесщеточ-

ной систем возбуждения, и уже внедрен на ряде тепловых электро-

станций.

4.7. Назначение и состав АРН

Автоматический регулятор напряжения (АРН) предназна-

чен для работы в составе тиристорных систем самовозбуждения и бес-

щеточных систем возбуждения синхронных генераторов малой и

средней мощности (от 2.5 до 63 МВт). Он реализует ПИД-закон ре-

гулирования напряжения статора генератора с компаундированием по

реактивной составляющей тока статора и со стабилизацией

по первой

производной тока ротора. Совместно с системой возбуждения АРН

обеспечивает:

— поддержание напряжения на выводах синхронного генератора в

соответствии с заданным статизмом и с заданной точностью;

— устойчивость регулирования во всем диапазоне режимов работы

генератора, включая резкопеременные режимы вплоть до набросов

нагрузки, вызванных одновременным включением асинхронных

двигателей общей мощностью до 30 %

номинальной мощности

генератора;

— форсирование возбуждения при авариях в энергосистеме, вы-

зывающих снижение напряжения на шинах генератора относительно

заданной статической характеристики;

— программное начальное возбуждение синхронного генератора

при пуске;

— устойчивое распределение реактивной мощности между одно-

типными генераторами, объединенными на уровне генераторного на-

Рис. 4.15. Функциональная схема регулятора АРН.

пряжения, без использования группового регулирования или попе-

речных уравнительных связей;

— местное и дистанционное изменение уставки регулятора со ско-

ростью 0.5 %/с в диапазоне от 80 до 110 % номинального напряжения

генератора;

— ограничение минимального тока возбуждения величиной, не

допускающей переход генератора в режим глубокого потребления ре-

активной мощности;

— независимость напряжения на выводах генератора от

частоты в

диапазоне от 45 Гц и выше с пропорциональным уменьшением на-

пряжения при снижении частоты ниже 45 Гц.

В состав АРН входят измерительный и операционный блоки. Из-

мерительный блок формирует аналоговые сигналы, пропорциональ-

ные напряжению и реактивной составляющей тока статора. Эти сиг-

налы поступают на вход операционного блока, формирующего сигнал

управления

в соответствии с принятым законом регулирования.

Для бесщеточных систем возбуждения регулятор АРН дополняется

датчиком тока ротора и блоком обратной связи (рис. 4.15). Датчик

тока ротора, воспроизводящий векторную диаграмму Потье, имеет на

выходе аналоговый сигнал, пропорциональный току ротора. Для

повышения быстродействия диодной бесщеточной системы воз-

буждения в АРН предусмотрен сигнал жесткой обратной связи

по

току возбуждения возбудителя, формируемый блоком обратной связи.

4.8. Устройство и работа блоков АРН

4.8.1. Измерительный блок

Измерительный блок (ИБ) формирует аналоговые сигналы,

пропорциональные напряжению и реактивной составляющей тока

статора синхронного генератора. В состав ИБ входят три компаратора

К1—КЗ, три синхронных фильтра СФ1—СФЗ, сумматор (С),

фазочувствительный выпрямитель (ФЧВ) и

фильтр (Ф) (рис. 4.16). На

вход поступают синусоидальные напряжения, пропорциональные

линейным напряжениям статора, синусоидальное напряжение, про-

порциональное току статора и выпрямленное напряжение, среднее

значение которого пропорционально среднему значению напряжения

статора. Линейные напряжения преобразуются в симметричные пря-

моугольные импульсы. Выходные сигналы компараторов управляют

работой синхронных фильтров и фазочувствительного выпрямителя.

На вход синхронных фильтров

подается выпрямленное напряжение

статора. Фильтры подавляют переменную составляющую входного

сигнала. Их выходные сигналы синхронно складываются на выходном

сумматоре канала измерения напряжения.

На вход фазочувствительного выпрямителя, принцип работы ко-

торого рассмотрен выше, поступает синусоидальное напряжение,

пропорциональное току фазы В статора. Управляет работой ФЧВ вы-

Рис. 4.16. функциональная схема измерительного блока.

ходной сигнал К1, фаза которого совпадает с фазой линейного на-

пряжения фаз UB

B. На выходе формируется периодическое напря-

жение, имеющее постоянную составляющую, пропорциональную

реактивному току статора и выделяемую фильтром.

4.8.2. Датчик тока ротора

Датчик тока ротора (ДТР) формирует аналоговый сигнал,

пропорциональный току ротора синхронного генератора. Он исполь-

зует аналоговое моделирование векторной диаграммы Потье, впервые

реализованное в устройстве измерения тока ротора [21 ]. Это ус-

тройство на

пассивных элементах, работающее на переменном токе,

имело большие габариты и существенное потребление по цепям из-

мерения, требовало выпрямления и фильтрации выходного напряже-

ния, что приводило к снижению быстродействия. Полупроводниковый

ДТР лишен этих недостатков.

На его вход поступают синусоидальные сигналы линейных напря-

жений и фазных токов статора синхронного генератора. С выхода

снимается аналоговый сигнал, пропорциональный току ротора.

В состав датчика входят два фильтра прямой последовательности

трехфазных систем напряжений (ФН) и токов (ФТ), два сумматора С1,

С2, выпрямитель (В), нелинейный блок (НБ), блок произведения (БП)

и частотнозависимый фильтр (Ф) (рис. 4.17).

Фильтр напряжения выделяет линейное напряжение U

B прямой

последовательности трехфазной системы линейных напряжений ста-

тора. На выходе фильтра токов выделяется напряжение, пропорци-

ональное току фазы В прямой последовательности трехфазной сис-

темы фазных токов статора. Выходные напряжения ФН и ФТ век-

торно складываются на сумматоре С1. Весовой коэффициент при

слагаемом, пропорциональном фазному току, численно равен реак-

тивному сопротивлению Потье, выраженному в относительных еди-

ницах. В результате сложения на выходе С1 формируется напряжение,

пропорциональное эдс Е

B, обусловленной потоком в воздушном зазоре

генератора, т. е.

Оно поступает на вход нелинейного блока, моделирующего на-

сыщение магнитной цепи. Суть преобразования заключается в фор-

мировании кусочно-линейной аппроксимации функции

где f(U

B) — характеристика холостого хода.

После перемножения выходного напряжения нелинейного блока и

результирующей эдс на выходе блока произведения формируется

сигнал составляющей тока ротора I

fδ

B, моделирующий ре-

зультирующую эдс. Напряжение блока произведения на сумматоре С2

векторно складывается с сигналом тока статора. Весовой

коэффициент при слагаемом, пропорциональном току статора, чис-

ленно равен индуктивному сопротивлению реакции якоря, выражен-

ному в относительных единицах. В результате сложения напряжений,

пропорциональных составляющей I

fδ

B и реакции якоря, на выходе С2

формируется периодическое напряжение с амплитудой, про-

порциональной току ротора, т. е.

Периодический сигнал с выхода С2 подается на вход частотно-за-

висимого фильтра, аналогичного блоку БРТ регулятора АРВ—СДП1

(см. разд. 4.4.2). В итоге на выходе фильтра образуется напряжение,

пропорциональное току ротора синхронного генератора.

Рис. 4.18. функциональная схема блока обратной связи.

4.8.3. Блок обратной связи

Блок обратной связи (БОС) формирует аналоговый сигнал,

пропорциональный току возбуждения возбудителя, для реализации

жесткой обратной связи. Кроме того, он осуществляет галь-

ваническую развязку цепей возбудителя и регулятора. В состав БОС

входят генератор, модулятор, усилитель, демодулятор и фильтр (рис.

4.18). Генератор формирует прямоугольные импульсы управления

модулятором и демодулятором с

частотой 10—12 кГц. На вход

модулятора с измерительного шунта поступает напряжение, пропор-

циональное току возбуждений возбудителя. Модулятор формирует

периодическое напряжение с амплитудой, пропорциональной вход-

ному напряжению. Сигнал на выходе модулятора усиливается по ам-

плитуде усилителем и подается на вход демодулятора, выпрямляю-

щего выходное напряжение усилителя. Выходным каскадом БОС яв-

ляется фильтр,

собранный по схеме апериодического звена, подавля-

ющий переменную составляющую сигнала демодулятора.

4.8.4. Операционный блок

Операционный блок (ОБ) формирует сигнал управления

возбуждением в соответствии с принятым законом регулирования. В

его состав входят устройства формирования уставки (УФУ) и релей-

ного форсирования (УРФ), два сумматора C1, С2, интегратор (И),

дифференциаторы напряжения статора (ДН) и

тока ротора (ДТ) и

выходной усилитель (У) (рис. 4.19). На вход ОБ подаются аналоговые

сигналы, пропорциональные напряжению статора, реактивному току

статора, току ротора и току возбуждения возбудители, а также

дискретные команды на увеличение и уменьшение уставки. УФУ

преобразует дискретные команды в аналоговый сигнал уставки на-

пряжения. Этот сигнал поступает на сумматор C1, осуществляющий

его алгебраическое сложение с сигналом напряжения статора. В ре-

зультате на выходе сумматора образуется напряжение, пропорцио-

нальное отклонению напряжения статора от заданного значения, ко-

торое поступает на C2, И и ДН. Последняя группа функциональных

элементов реализует ПИД-закон регулирования напряжения. Ком-

паундирование по реактивной составляющей тока статора осуществ-

ляется подачей на вход интегратора реактивного тока. Стабилизация

Рис. 4.19. функциональная схема операционного блока.

системы регулирования возбуждения по первой производной тока

ротора производится с помощью дифференциатора ДТ. Форсирование

возбуждения при авариях в энергосистеме, вызывающих снижение

напряжения на шинах генератора, реализует устройство форсирования

возбуждения. На его вход поступает напряжение сумматора С2,

пропорциональное отклонению напряжения. При уменьшении

напряжения генератора относительно заданного значения на оп-

ределенную настраиваемую величину

устройство УРФ выдает сигнал

форсировки возбуждения независимо от состояния других каналов.

При восстановлении напряжения генератора до заданного значения

устройство УРФ снимает сигнал форсировки с задержкой 40—60 мс.

Сигналы С2, дифференциаторов напряжения статора и тока ротора,

устройства релейного форсирования и блока обратной связи

складываются на усилителе мощности, оснащенном защитой от ко-

ротких

замыканий в выходных цепях АРН.

4.9. Математическая модель АРН

Математическая модель АРН для исследования вопросов

устойчивости синхронных машин представляет собой совокупность

передаточных функций каналов регулирования (рис. 4.20). Входными

величинами являются отклонения напряжения и реактивной со-

ставляющей тока статора, тока ротора и тока возбуждения возбуди-

теля (для бесщеточных систем возбуждения).

Канал измерения напряжения

статора блока ИБ представляет собой

трехфазный синхронный фильтр, передаточная функция которого

определена ранее (4.1—4.3):

Рис. 4.20. Структурная схема регулятора АРН.

Передаточная функция канала измерения реактивного тока оп-

ределяется параметрами фильтра, являющегося его выходным кас-

кадом:

Интеграторы каналов регулирования напряжения и реактивного

тока имеют передаточные функции:

где K

ст

B и КB

огр

B — коэффициенты, зависящие от положения переклю-

чателей «Статизм» и «Ограничение».

Коэффициент усиления пропорциональной части ПИД-канала

регулирования составляет

Передаточные функции дифференциаторов напряжения статора и

тока ротора равны:

100

Датчики тока ротора тиристорной и бесщеточной систем возбуж-

дения имеют соответственно передаточные функции:

Передаточная функция блока БОС:

Коэффициент усиления канала ЖОС составляет

Коэффициент выходного суммирующего усилителя АРН

В результате на выходе АРН формируется сигнал, описываемый

уравнением

где К

B и КB

1if

B — коэффициенты, зависящие от положения переклю-

чателей коэффициентов усиления каналов производных напряжения

статора и тока ротора. При положении переключателей, соответст-

вующих 10 делениям шкалы, эти коэффициенты равны 1.

Для проведения оценочных расчетов устойчивости математическая

модель регулятора АРН может быть значительно упрощена:

Методика упрощения и области применения упрощенной модели

были изложены ранее в разд. 4.5.