RU2802730C1 - Устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к системам возбуждения синхронных генераторов в распределительной сети переменного тока. Технический результат заключается в обеспечении демпфирования электромеханических переходных колебательных процессов в синхронном генераторе, обусловленных возмущающими и управляющими воздействиями, а также взаимными качаниями роторов синхронных генераторов, включенных в электроэнергетическую систему после больших возмущений в системе, включая и наиболее тяжелые короткие замыкания. Технический результат достигается тем, что устройство снабжено первым управляемым ключом, пороговым элементом, дополнительным каналом регулирования тока возбуждения синхронного генератора, который содержит блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора, четвертый блока вычитания, регулятор демпфирования колебаний ротора синхронного генератора и второй управляемый ключ. Первый управляемый ключ обеспечивает изменение (расширение) ограничений по току возбуждения регулятора тока возбуждения синхронного генератора. Это позволяет повысить устойчивость его работы в электроэнергетической системе, при больших возмущениях в системе, включая и наиболее тяжелые кратковременные короткие замыкания. Пороговый элемент позволяет обнаружить уменьшение («провал») выходного напряжения синхронного генератора более чем на 15% от его номинального значения. Это изменяет структуру управления возбуждения синхронного генератора, благодаря подключению дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора. После восстановления выходного напряжения синхронного генератора до допустимых значений происходит отключение дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора, т.е. восстанавливается первоначальная структура управления. Указанные изменения структуры управления возбуждения синхронного генератора повышают устойчивость работы генератора. В дополнительном канале регулирования тока возбуждения синхронного генератора вычисляется угол нагрузки синхронного генератора и его производная. Блок вычисления угла нагрузки позволяет вычислять угол как в статических, так и в динамических режимах работы синхронного генератора, благодаря чему возможно обеспечение своевременной форсировки возбуждения, предупреждающей выпадение генератора из синхронизма. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию и работающих на мощную сеть. Устройство может быть использовано в системах электроснабжения промышленных предприятий, для которых характерны перегрузки или переходные процессы, например, при внезапном подключении, снятии или изменении нагрузки, в том числе при кратковременных коротких замыканиях в линиях электропередачи.

Известны системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов, содержащие однополосные и широкополосные блоки демпфирования колебаний мощности, включающие усилительные звенья, фильтры высших гармоник, блоки фазовой компенсации, блоки суммирования и вычитания, блоки ограничения (Исследование различных типов стабилизаторов PSS, используемых в системах автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Николаев А.А., Даниленко А.С., Ложкин И.А. Russian Internet Journal of Electrical Engineering. 2018. Vol. 5, no. 1).

Недостатком известных систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов является сложность настройки параметров однополосных и широкополосных блоков демпфирования колебаний мощности, которые зависят от конфигурации локальной электроэнергетической системы, мощности и типов генераторов, степени их загрузки по активной и реактивной мощности, а также удаленности точек короткого замыкания в линиях электропередачи. Указанный недостаток снижает устойчивость синхронной работы генератора и электроэнергетической системы в целом, это может привести к выпадению из синхронизма отдельных генераторов электростанций, а в ряде случаев и к каскадному развитию аварии.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока, включающее мощную энергосистему высокого напряжения, к которой через повышающий трансформатор, шину распределительного устройства и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора подключен выход синхронного генератора, обмотка возбуждения которого через датчик тока возбуждения подключена к выходу тиристорного преобразователя, выходы датчика тока возбуждения и датчиков тока статорных обмоток генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора, три входа которого подключены к соответствующим точкам соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора и шины распределительного устройства, к указанной шине подключены потребители собственных нужд, первый выход блока управления подключен к первому входу первого блока вычитания, выход которого подключен к управляющему входу регулятора тока возбуждения синхронного генератора, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя, второй выход блока управления подключен к первому входу второго блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора реактивной мощности синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу первого блока вычитания, третий выход блока управления подключен к первому входу третьего блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора выходного напряжения синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу второго блока вычитания, при этом второй вход третьего блока вычитания подключен к первому выходу блока заданий уставок и ограничений, вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, при этом третий блок вычитания, регулятор выходного напряжения синхронного генератора, второй блок вычитания и регулятор реактивной мощности синхронного генератора входят в состав основного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора (см. патент РФ № 2767178, H02P 9/14).

Недостатком известного устройства является наличие ограничений (режим недовозбуждения или режим перевозбуждения), которые при внезапном подключении, снятии или изменении нагрузки, в том числе при кратковременных коротких замыканиях в линиях электропередачи приводят к появлению электромеханических переходных колебательных процессов в синхронном генераторе. Указанный недостаток снижает устойчивость работы синхронного генератора и может привести к выпадению его из синхронизма в электроэнергетической системе, а в ряде случаев и к каскадному развитию аварии.

Отечественный и мировой опыт эксплуатации показывает, что требуемая высокая эффективность действия автоматических регуляторов возбуждения не во всех возможных режимных ситуациях гарантирована. Более того, в зависимости от степени загрузки энергоагрегатов в исходном режиме и от наличия значительной местной нагрузки на электростанциях, а также при работе на выделенный район электроэнергетической системе, содержащей собственные источники генерации активной мощности, могут возникать слабозатухающие качания роторов генераторов и даже их раскачивание с выходом синхронных генераторов из синхронизма.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, обеспечивающего повышение устойчивости работы синхронного генератора в электроэнергетической системе.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении демпфирования электромеханических переходных колебательных процессов в синхронном генераторе, обусловленные возмущающими и управляющими воздействиями, а также взаимными качаниями роторов синхронных генераторов, включенные в электроэнергетическую систему, после больших возмущений в системе, включая и наиболее тяжелые короткие замыкания. Заявляемое устройство обеспечивает апериодический или близкий к нему характер электромеханических переходных процессов в синхронном генераторе при возмущающем и управляющем воздействиях.

Поставленная проблема решается тем, что устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока, включающее мощную энергосистему высокого напряжения, к которой через повышающий трансформатор, шину распределительного устройства и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора подключен выход синхронного генератора, обмотка возбуждения которого через датчик тока возбуждения подключена к выходу тиристорного преобразователя, выходы датчика тока возбуждения и датчиков тока статорных обмоток генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора, три входа которого подключены к соответствующим точкам соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора и шины распределительного устройства, к указанной шине подключены потребители собственных нужд, первый выход блока управления подключен к первому входу первого блока вычитания, выход которого подключен к управляющему входу регулятора тока возбуждения синхронного генератора, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя, второй выход блока управления подключен к первому входу второго блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора реактивной мощности синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу первого блока вычитания, третий выход блока управления подключен к первому входу третьего блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора выходного напряжения синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу второго блока вычитания, при этом второй вход третьего блока вычитания подключен к первому выходу блока заданий уставок и ограничений, вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, при этом третий блок вычитания, регулятор выходного напряжения синхронного генератора, второй блок вычитания и регулятор реактивной мощности синхронного генератора входят в состав основного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора, согласно изобретению, оно снабжено первым управляемым ключом, пороговым элементом, дополнительным каналом регулирования тока возбуждения синхронного генератора, который содержит блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора, четвертый блока вычитания, регулятор демпфирования колебаний ротора синхронного генератора и второй управляемый ключ, при этом первый, второй и третий входы блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора соединены соответственно с третьим, пятым и первым выходами блока управления, выход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен со вторым выходом блока заданий уставок и ограничений, выход четвертого блока вычитания соединен с входом регулятора демпфирования колебаний ротора синхронного генератора, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа, выход последнего соединен с третьим входом первого блока вычитания, при этом управляемый вход второго управляемого ключа соединен с выходом порогового элемента, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, управляемый вход первого управляемого ключа соединен с выходом порогового элемента, вход первого управляемого ключа соединен с третьим выходом блока заданий уставок и ограничений, а выход - с входом заданий ограничений по току регулятора тока возбуждения синхронного генератора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока;

- на фиг.2 приведена векторная диаграмма напряжений синхронного генератора;

- на фиг. 3 приведены осциллограммы электромеханических переходных процессов для синхронного генератора при кратковременном провале напряжения на 70 %, длительностью 0,3 с для известного устройства (прототипа), полученные на основании математической модели в программной среде Matlab/Simulink;

- на фиг. 4 приведены осциллограммы электромеханических переходных процессов для синхронного генератора при кратковременном провале напряжения на 70%, длительностью 0,3 с для заявляемого устройства, полученные на основании математической модели в программной среде Matlab/Simulink.

Заявляемое устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока (фиг. 1) содержит мощную энергосистему высокого напряжения 1, к которой через повышающий трансформатор 2, шину распределительного устройства 3 и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора 4 подключен выход синхронного генератора 5. Обмотка возбуждения генератора 6 через датчик тока возбуждения 7 подключена к выходу тиристорного преобразователя 8.

Выходы датчика тока возбуждения 7 и датчиков тока статорных обмоток генератора 4 подключены соответственно к первому и второму входам блока управления 9. К третьему входу указанного блока 9 подключен выход датчика выходного напряжения генератора 10, три входа которого подключены к соответствующим точкам соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора 4 и шины распределительного устройства 3. К указанным шинам подключены потребители собственных нужд (с.н.) 11, например, питательные электронасосы, 30-40% от с.н., дутьевые вентиляторы и дымососы, до 30% от с.н., сетевые и подпиточные насосы, до 20% от с.н. и т. д. В настоящее время на ТЭЦ указанные потребители с.н. оснащены преобразователями частоты, которые очень чувствительны к провалам напряжения.

Первый выход блока управления 9 подключен к первому входу первого блока вычитания 12, выход которого подключен к управляющему входу регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя 8.

Второй выход блока управления 9 подключен к первому входу второго блока вычитания 14, выход которого подключен к входу регулятора реактивной мощности синхронного генератора 15, выход последнего подключен ко второму входу первого блока вычитания 12.

Третий выход блока управления 9 подключен к первому входу третьего блока вычитания 16, выход которого подключен к входу регулятора выходного напряжения синхронного генератора 17, выход последнего подключен ко второму входу второго блока вычитания 14.

Второй вход третьего блока вычитания 16 подключен к первому выходу блока заданий уставок и ограничений 18, вход которого подключен к четвертому выходу блока управления 9.

Третий блок вычитания 16, регулятор выходного напряжения синхронного генератора 17, второй блок вычитания 14 и регулятор реактивной мощности синхронного генератора 15 входят в состав основного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора 19.

Устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока дополнительно снабжено первым управляемым ключом 20, пороговым элементом 21, дополнительным каналом регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22.

Указанный канал регулирования содержит блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23, четвертый блока вычитания 24, регулятор демпфирования колебаний ротора синхронного генератора 25 и второй управляемый ключ 26.

Первый, второй и третий входы блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23 соединены соответственно с третьим, пятым и первым выходами блока управления 9.

Выход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23 соединен с первым входом четвертого блока вычитания 24, второй вход которого соединен со вторым выходом блока заданий уставок и ограничений 18.

Выход четвертого блока вычитания 24 соединен с входом регулятора демпфирования колебаний ротора синхронного генератора 25, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа 26, выход последнего соединен с третьим входом первого блока вычитания 12.

Управляемый вход второго управляемого ключа 26 соединен с выходом порогового элемента 21, вход которого соединен с третьим выходом блока управления 9.

Управляемый вход первого управляемого ключа 20 соединен с выходом порогового элемента 21. Вход первого управляемого ключа 20 соединен с третьим выходом блока заданий уставок и ограничений 18, а выход - с входом заданий ограничений по току регулятора тока возбуждения генератора 13.

Заявляемое техническое решение имеет три отличительных признака.

Первый - наличие первого управляемого ключа 20, который обеспечивает изменение (расширение) ограничений по току возбуждения регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13 (фиг. 1). Это позволяет повысить устойчивость его работы в электроэнергетической системе, при больших возмущениях в системе, включая и наиболее тяжелые кратковременные короткие замыкания.

Cогласно второму отличительному признаку (наличие порогового элемента) заявляемое устройство позволяет обнаружить уменьшение («провал») выходного напряжения синхронного генератора более чем на 15% от его номинального значения. Указанный отличительный признак изменяет структуру управления возбуждения синхронного генератора, благодаря подключению дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22 (фиг. 1). После восстановления выходного напряжения синхронного генератора до допустимых значений происходит отключение дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора, т.е. восстанавливается первоначальная структура управления. Изменение структуры управления возбуждения синхронного генератора в известных технических решениях не встречается. Указанные изменения структуры управления возбуждения синхронного генератора повышают устойчивость работы генератора.

В заявляемом устройстве третий отличительный признак - дополнительный канал регулирования тока возбуждения синхронного генератора в опубликованных ранее технических решениях для синхронного генератора не обнаружен. В дополнительном канале регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22 вычисляется угол нагрузки синхронного генератора и его производная. Блок вычисления угла нагрузки 23 (фиг. 1) позволяет вычислять угол как в статических, так и в динамических режимах работы синхронного генератора, благодаря чему возможно обеспечение своевременной форсировки возбуждения, предупреждающей выпадение генератора из синхронизма. По сравнению с известным устройством (прототипом), это позволяет повысить устойчивость работы синхронного генератора в электроэнергетической системе.

Совокупность отличительных признаков обеспечивают применение заявляемого устройства для управления возбуждением синхронного генератора с целью ослабления вредных влияний перегрузок или переходных процессов, например при внезапном подключении, или изменении нагрузки, в том числе при кратковременных коротких замыканиях в линиях электропередачи.

Устройство для управления возбуждением синхронного генератора может быть выполнено на базе программируемого логического контроллера, имеющего периферийные устройства, процессор, ОЗУ и ПЗУ. Применение указанного контроллера не только повышает надежность устройства в целом, но и снижает затраты на его проектирование, изготовление, наладку и возможный ремонт.

Работа отдельных блоков заявляемого устройства заключается в следующем.

Блок управления 9 (фиг. 1) обрабатывает и преобразует текущие мгновенные значения сигналов с датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора 4 и с датчиков выходного напряжения генератора 10, а также с датчика тока возбуждения синхронного генератора 7. В соответствии с известными параметрами синхронного генератора 5 и заданными требованиями к его выходному напряжению и выходной мощности блок управления 9 формирует на своих выходах соответствующие текущие значения основных параметров синхронного генератора, которые используются другими блоками и элементами в заявляемом устройстве.

На первом выходе блока управления 9 формируется текущее значение тока возбуждения синхронного генератора , которое подается на первый вход первого блока вычитания 12 и на третий вход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23. На втором выходе блока управления 9 формируется текущее значение реактивной мощности синхронного генератора , которое подается на первый вход второго блока вычитания 14. На третьем выходе блока управления 9 формируется текущее значение выходного напряжения синхронного генератора , которое подается на первый вход третьего блока вычитания 16, на вход порогового элемента 21 и на первый вход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23. На четвертом выходе блока управления 9 формируются сигналы текущих значений для блока заданий уставок и ограничений 18. На пятом выходе блока управления 9 формируется текущее значение статорного тока синхронного генератора , которое подается на второй вход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23.

Первый блок вычитания 12 (фиг. 1) вычисляет разницу (отклонение) между заданным значением тока возбуждения синхронного генератора и его текущим значением. При этом для известного устройства (прототипа) это отклонение вычисляется как , где - заданное значение тока возбуждения синхронного генератора, сформированное на выходе регулятора реактивной мощности синхронного генератора 15, - текущее значение тока возбуждения синхронного генератора, сформированное на первом выходе блока управления 9. Для заявляемого устройства отклонение тока возбуждения вычисляется как , где - дополнительное заданное значение тока возбуждения синхронного генератора, сформированное на выходе дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22. Вычисленное отклонение между заданным значением тока возбуждения синхронного генератора и его текущим значением подается на вход регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13.

Второй блок вычитания 14 (фиг. 1) вычисляет отклонение реактивной мощности синхронного генератора согласно формуле: , где - заданное значение реактивной мощности синхронного генератора, сформированное на выходе регулятора выходного напряжения генератора 17, - текущее значение реактивной мощности, сформированное на втором выходе блока управления 9. Вычисленное отклонение реактивной мощности синхронного генератора подается на вход регулятора реактивной мощности синхронного генератора 15.

Третий блок вычитания 16 (фиг. 1) вычисляет отклонение выходного напряжения синхронного генератора , где - заданное значение выходного напряжения синхронного генератора, сформированное на первом выходе блока задания уставок и ограничений 18, - текущее значение выходного напряжения, сформированное на третьем выходе блока управления 9. Вычисленное отклонение выходного напряжения синхронного генератора подается на вход регулятора выходного напряжения синхронного генератора 17.

Блок заданий уставок и ограничений 18 (фиг. 1) по текущим значениям сигналов, которые подаются на его вход с четвертого выхода блока управления 9, формирует на своих выходах следующие сигналы:

- на первом выходе блока 18 формируется сигнал - заданное значение выходного напряжения синхронного генератора 5;

- на втором выходе блока заданий уставок и ограничений 18 формируется сигнал - заданное значение угла нагрузки синхронного генератора;

- на третьем выходе блока заданий уставок и ограничений 18 формируются сигналы и - минимально и максимально допустимые значения тока возбуждения синхронного генератора 5. Указанные сигналы задают ограничения по диапазону регулирования тока возбуждения синхронного генератора 5 для регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13. Вышеупомянутые сигналы и начинают действовать в регуляторе 13 после замыкания первого управляемого ключа 20.

Пороговый элемент 21 (фиг. 1) работает следующим образом. Если при внезапном подключении мощной нагрузки или при кратковременном коротком замыкании (не более 0,3 с) в линиях электропередачи выходное напряжение синхронного генератора уменьшилось более чем на 15% от номинального значения , то на выходе порогового элемента 21 формируется сигнал «включить первый 20 и второй 26 управляемые ключи». Если по истечении короткого времени с момента уменьшения выходного напряжения синхронного генератора , указанное напряжение стало менее 10% от номинального значения , то с задержкой по времени (2 … 5 с) на выходе порогового элемента 21 формируется сигнал «отключить первый 20 и второй 26 управляемые ключи». В качестве порогового элемента может быть использован микроконтроллер, реализующий выше описанный алгоритм его работы. Кроме того пороговый элемент 21 может быть выполнен программным путем на базе программируемого логического контроллера, который ранее был рекомендован для выполнения заявляемого устройства.

Поясним как блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23 (фиг. 1) по текущим значениям и параметрам синхронного генератора , , и вычисляет текущее значение угла нагрузки синхронного генератора . Здесь - текущее выходное напряжение синхронного генератора, - текущее значение статорного тока синхронного генератора, - текущее значение тока возбуждения синхронного генератора, - синхронное сопротивление неявнополюсного синхронного генератора. Заметим, что значения и это модули, пространственных векторов напряжения и тока статора синхронного генератора, которые вычислены в блоке управления 9.

На фиг. 2 приведена векторная диаграмма напряжений, которая позволяет по упрощенной методике вычислить угол нагрузки неявнополюсного синхронного генератора при подключении его к симметричной нагрузке. Из курса электрических машин (синхронных машин) известно, что эдс синхронного генератора в символьной форме равна: . Учитывая, что активное сопротивление статорной обмотке генератора мало, в уравнении эдс синхронного генератора оно не учитывается. Кроме ранее указанных параметров генератора (, и ) на фиг. 2 также показаны: - эдс статора генератора индуцированная токов возбуждения ; - угол сдвига фаз между вектором напряжения и вектором тока синхронного генератора; - угол нагрузки синхронного генератора между вектором эдс и вектором напряжения .

Согласно векторной диаграмме (фиг. 2) прямоугольные треугольники ОАД и ВАС подобны. Угол АВС равен углу АОД, т.е. равен углу сдвига фаз . Катет ВС прямоугольного треугольника АВС равен . Из прямоугольного треугольника ОВС следует, что угол нагрузки синхронного генератора равен . Таким образом, блок 23 согласно полученному выражению вычисляет текущее значение угла нагрузки синхронного генератора. В качестве блока 23 может быть использован микроконтроллер, осуществляющий по упрощенной методике вычисление угла нагрузки неявнополюсного синхронного генератора при подключении его к симметричной нагрузке. Кроме того блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23 (фиг. 1) может быть выполнен программным путем на базе программируемого логического контроллера, который ранее был рекомендован для выполнения заявляемого устройства.

Четвертый блок вычитания 24 (фиг. 1) вычисляет отклонение угла нагрузки синхронного генератора , где - заданное значение угла нагрузки синхронного генератора, сформированное на втором выходе блока задания уставок и ограничений 18, - текущее значение угла нагрузки синхронного генератора, сформированное на выходе блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора 23. Вычисленное отклонение угла нагрузки синхронного генератора подается на вход регулятора демпфирования колебаний ротора синхронного генератора 25. Указанный регулятор формирует дополнительный сигнал задания тока возбуждения синхронного генератора . Выходной сигнал регулятора 25 пропорционален углу нагрузки и его производной и через второй управляемый ключ 26 подается на третий вход первого блока вычитания 12.

Отметим, что в статье С. Е. Степанова, Вычислитель угла нагрузки для синхронных двигателей. Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева № 3 (82), C. 204-210, приведены уравнения и формулы, которые по значениям напряжения и тока статора синхронного двигателя, напряжения и тока возбуждения двигателя позволяют косвенно определить угол нагрузки синхронного двигателя. При этом используются двухфазная вращающаяся система координат , неподвижная двухфазная система координат , вращающаяся двухфазная система координат . Применение указанных систем координат существенно усложняют процесс определения угла нагрузки синхронного двигателя, по сравнению с методикой, которая изложена в заявляемом устройстве.

Устройство для управления возбуждением синхронного генератора работает следующим образом.

Первоначально рассмотрим нормальный (неаварийный) режим работы синхронного генератора 5 (фиг. 1), при котором устройство для управления возбуждением синхронного генератора 5 работает в пределах диаграммы активной и реактивной мощностей, которая приводится в технической документации синхронного генератора. Данная диаграмма не допускает переход в режим недовозбуждения генератора , с целью поддержания его статической устойчивости, а также в режим перевозбуждения , чтобы не допустить перегрева обмоток возбуждения и статора. При достижении указанных ограничений контур регулирования (поддержания) постоянства выходного напряжения генератора размыкается (отключается), а ток возбуждения генератора ограничивается на уровне или . Отметим, что в заявляемом устройстве также как и в прототипе обеспечивается нормальный (номинальный) режим работы синхронного генератора 5, несмотря на то, что выходное напряжение генератора от действия напряжения мощной сети может отклониться от номинального на . Постоянство выходного напряжения генератора в заявляемом устройстве также как и в прототипе достигается изменением уставки напряжения генератора .

Пусть потребители собственных нужд 11 (фиг. 1) работают в нормальном (номинальном) режиме, напряжение мощной сети 1 соответствует нормальному (номинальному) значению . При этом выходное напряжение генератора также равно его нормальному (номинальному) значению .

В соответствие с технической документацией генератора (диаграммы его активной и реактивной мощностей) и требованиями, которые сформированы руководством производства и потребления электрической энергии, блок управления 9 и блок заданий уставок и ограничений 18 (фиг. 1) формируют на своих выходах сигналы, которые подаются на соответствующие входы блоков 12, 14, 16, 18, 23 и 24 заявляемого устройства. Ранее все сигналы и связи указанных блоков 9 и 18 и принимаемых сигналов блоками 12, 14, 16, 18, 23 и 24 были подробно описаны.

Отметим также, что в соответствие с технической документацией генератора все регуляторы заявляемого устройства: регулятор тока возбуждения 13 (фиг. 1), регулятор реактивной мощности 15, регулятор напряжения 17 и регулятор демпфирования колебаний ротора 25 имеют соответствующие ограничения, которые обеспечивают нормальный (номинальный) режим работы синхронного генератора.

Таким образом, работа заявляемого устройства в нормальном, т.е. неаварийном режиме работы синхронного генератора 5 осуществляется следующим образом.

По сигналу отклонения выходного напряжения синхронного генератора , сформированного на выходе третьего блока вычитания 16 (фиг. 1) регулятор выходного напряжения синхронного генератора 17 формирует сигнал заданного значения реактивной мощности синхронного генератора . Назначение и связи третьего блока вычитания 16 ранее были подробно описаны.

По сигналу отклонения реактивной мощности синхронного генератора , сформированного на выходе второго блока вычитания 14 (фиг. 1) регулятор реактивной мощности синхронного генератора 15 формирует сигнал заданного значения тока возбуждения синхронного генератора . Назначение и связи второго блока вычитания 14 ранее были подробно описаны.

По сигналу отклонения тока возбуждения синхронного генератора сформированного на выходе первого блока вычитания 12 (фиг. 1) регулятор тока возбуждения синхронного генератора 13 формирует сигнал, который управляет работой тиристорного преобразователя 8. Назначение и связи первого блока вычитания 12 ранее были подробно описаны. При этом тиристорный преобразователь 8 поддерживает ток возбуждения синхронного генератора на заданном уровне , а выходное напряжение синхронного генератора равно заданному значению .

Таким образом, работа заявляемого устройства (фиг. 1) в нормальном (неаварийном) режиме работы синхронного генератора 5 осуществляется в пределах диаграммы активной и реактивной мощностей, которая приводится в технической документации генератора. При этом обеспечивается устойчивость работы синхронного генератора в электроэнергетической системе.

Отметим, что характерной чертой крупного промышленного предприятия, особенно металлургического, является присутствие и постоянное наращивание собственной генерации. (Повышение эффективности управления режимами электростанций промышленного энергоузла за счет прогнозирования статической и динамической устойчивости при изменении конфигурации сети. Газизова О.В., Кондрашова Ю.Н., Малафеев А.В. Электротехнические системы и комплексы. 2016. № 3 (32). С. 27-38). Так, например, на ПАО ММК более 60% общего потребления электроэнергии покрываются собственными заводскими электростанциями. Основными стимулирующими факторами являются неоправданно высокие тарифы на электроэнергию из внешней энергосистемы, а также наличие вторичных энергоресурсов в виде коксового и доменного газа. При небольшой мощности генераторов 30-50 МВт заводских электростанций, проработавших не одно десятилетие, стоимость собственной электроэнергии оказывается в 2-2,5 раза ниже покупной. С учётом такой мотивации фактическая загрузка генераторов по активной мощности намного превышает номинальные значения, и наоборот, выдача реактивной мощности остаётся на минимальном уровне. Такой подход заметно снижает устойчивость генераторов, особенно при провалах сетевого напряжения. Статистика показывает, что при нарушениях внешнего электроснабжения запас устойчивости заводских электростанций оказывается недостаточным и часто происходит отключение генераторов.

Существующие устройства управления возбуждением синхронного генератора, как правило, настраивают на поддержание напряжения или реактивной мощности в точке присоединения, что не всегда способствует обеспечению достаточной динамической и статической устойчивости синхронных генераторов относительно небольшой мощности при совместной работе с мощной энергосистемой.

В заявляемом устройстве управления возбуждением синхронного генератора (фиг. 1) при внезапном подключении мощной нагрузки или при кратковременных коротких замыканиях в линиях электропередачи подключается дополнительный канал управления 22, который осуществляет демпфирование электромеханических переходных колебательных процессов в синхронном генераторе. Это существенно повышает устойчивость работы синхронного генератора в электроэнергетической системе.

Рассмотрим аварийный режим работы синхронного генератора 5 (фиг. 1), когда при внезапном подключении мощной нагрузки или при кратковременных коротких замыканиях в линиях электропередачи выходное напряжение генератора кратковременно значительно уменьшается, т.е. имеет место «провал» напряжения .

Ранее отмечалось, что отличительными признаками заявляемого устройства являются: наличие первого управляемого ключа 20, наличие порогового элемента 21 и наличие дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22.

В результате «провала» напряжения на выходе порогового элемента 21 (фиг. 1) формирует сигнал «включить первый 20 и второй 26 управляемые ключи».

Ранее отмечалось, что при замыкании первого управляемого ключа 20 (фиг. 1) расширяются ограничения по току возбуждения регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13. Это означает, что в аварийном режиме ток возбуждения генератора может кратковременно превысить максимально-допустимое значение , т.е. перейти в режим перевозбуждения. При этом не произойдет перегрева обмоток возбуждения и статора синхронного генератора, так как длительность «провала» напряжения составляет, как правило, доли секунды. Кроме того, в аварином режиме ток возбуждения генератора может кратковременно иметь значение меньше минимально-допустимого значения , т.е. перейти в режим недовозбуждения. С учетом того, что продолжительность такого состояния также мала, синхронный генератор не выпадает из синхронизма.

Ранее отмечалось, что при замыкании второго управляемого ключа 26 (фиг. 1) изменяется структура управления возбуждения синхронного генератора, благодаря параллельному подключению дополнительного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора 22 к основному каналу регулирования 19. Дополнительный канал регулирования 22 позволяет осуществить более быструю форсировку тока возбуждения синхронного генератора, чем форсировка которую создает основной канал регулирования тока возбуждения синхронного генератора 19. Это обусловлено тем, что в дополнительном канале 22 присутствует один регулятор демпфирования колебаний ротора синхронного генератора 25, а в основном канале два последовательно соединенных регулятора: регулятор выходного напряжения синхронного генератора 17 и регулятор реактивной мощности синхронного генератора 15.

Таким образом, работа заявляемого устройства (фиг. 1) в аварийном режиме работы синхронного генератора 5 осуществляется следующим образом.

Пороговый элемент 21 (фиг. 1) при «провале» выходного напряжения синхронного генератора более чем на 15% от номинального значения включает первый 20 и второй 26 управляемые ключи.

Как было описано ранее первый управляемый ключ 20 расширяет ограничения по току возбуждения регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13 (фиг. 1). Второй управляемый ключ 26 осуществляет более быструю форсировку тока возбуждения синхронного генератора, в результате существенного увеличения отклонение тока возбуждения , которое подается на вход регулятора тока возбуждения синхронного генератора 13.

Указанные мероприятия относятся к регулятору тока возбуждения синхронного генератора 13 (фиг. 1). Они позволяют повысить устойчивость работы синхронного генератора в электроэнергетической системе, при больших возмущениях в системе, включая и наиболее тяжелые кратковременные короткие замыкания.

Для подтверждения работоспособности заявляемого устройства в программной среде Matlab Simulink было выполнено его моделирование. В качестве возмущающего воздействия рассмотрена глубокая просадка по напряжению на 70% в течение 300 мс на выходе синхронного генератора.

На фиг. 3 и фиг. 4 приведены результаты моделирования - осциллограммы изменения электромеханических параметров известного (прототипа) и заявляемого устройства для трех интервалов времени. Первый интервал - от 24,5 с до 26,0 с соответствует установившему предаварийному режиму работы синхронного генератора. Второй интервал - от 26,0 с до 26,3 с соответствует аварийному режиму (провал напряжения глубиной на 70%). Третий интервал - от 26,3 с до 29,5 с соответствует переходному процессу, после которого восстанавливается установившейся режим работы синхронного генератора.

Осциллограммы, приведенные на фиг. 3 соответствуют известному (прототипу) устройству автоматического регулирования тока возбуждения, а осциллограммы на фиг. 4 - заявляемому устройству.

Ниже представлено краткое описание, приведенных на фиг. 3 и 4, осциллограмм.

На осциллограммах обозначено: а - ток статора синхронного генератора в относительных единицах (о.е.), т.е. отношение текущего значения тока к его номинальному значению, б - скорость вращения его ротора в о.е., в - электромагнитный момент в о.е., создаваемый генератором, г - ток обмотки возбуждения в о.е., д - напряжение обмотки возбуждения в о.е., е - угол нагрузки синхронного генератора в градусах.

Сравнительный анализ осциллограмм фиг. 3 и фиг. 4 позволяет сделать следующие выводы. В заявляемом устройстве, благодаря введению ранее указанных отличительных признаков (первый управляемый ключ, пороговый элемент и дополнительный канал регулирования тока возбуждения) существенно расширяется диапазон значений тока возбуждения синхронного генератора , т.е. осуществляется переход в режим перевозбуждения и - в режим недовозбуждения. При этом, так как длительности указанных состояний малы, в синхронном генераторе не происходит перегрева обмотки возбуждения и обмоток статора, а также генератор не выпадает из синхронизма. В заявляемом устройстве отклонение скорости вращения ротора синхронного генератора фиг. 4,б относительно установившегося значения существенно меньше, чем у прототипа фиг. 3,б. Кроме того длительность переходного процесса после кратковременного «провала» напряжения заметно сокращается и имеет характер близкий к апериодическому переходному процессу.

Полученные с помощью моделирования осциллограммы переходных процессов фиг. 3 и фиг. 4 подтверждают работоспособность заявляемого устройства для управления возбуждением синхронного генератора.

Отметим, что косвенное измерение угла нагрузки синхронного генератора по токам и напряжениям в его статорных обмотках и в обмотке возбуждения позволяет исключить использование дорогостоящих датчиков, размещенных внутри и на валу синхронного генератора, что повышает надежность его работы.

Таким образом, заявляемое устройство для управления возбуждением синхронного генератора позволяет учитывать изменение угла нагрузки синхронного генератора с воздействием на его ток возбуждения, что существенно снижает колебания ротора генератора при изменении возмущения. При этом снижаются и демпфируются колебания ротора, тока возбуждения (1-2 колебания против 3-5 колебаний в классическом варианте системы автоматических регуляторов возбуждения), уменьшается амплитуда колебаний и время переходного процесса. Переходные электромагнитные процессы в заявляемом устройстве для управления возбуждением синхронного генератора имеет апериодический или близкий к нему характер.

Заявляемое устройство позволяет стабилизировать реактивную мощность, коэффициент мощности и напряжение на статоре синхронного генератора. Дополнительный канал регулирования тока возбуждения 22 позволяет вычислять угол δ как в статических, так и в динамических режимах работы синхронного генератора, благодаря чему возможно обеспечение быстрой стабилизации внутреннего угла синхронной машины в после аварийных режимах работы (после устранения провала напряжения на статоре, вызванной коротким замыканием в линии).

Высокое быстродействие автоматических регуляторов возбуждения позволяет достаточно эффективно демпфировать электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах, обусловленные взаимными качаниями роторов синхронных генераторов даже после больших возмущений в системе, включая и наиболее тяжелые короткие замыкания.

Таким образом, практическая значимость заявляемого технического решения заключается в повышении устойчивости работы синхронного генератора в электроэнергетической системе за счет улучшения демпфирования электромеханических колебаний синхронного генератора.

Claims (1)

1. Устройство для управления возбуждением синхронного генератора в распределительной сети переменного тока, включающее мощную энергосистему высокого напряжения, к которой через повышающий трансформатор, шину распределительного устройства и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора подключен выход синхронного генератора, обмотка возбуждения которого через датчик тока возбуждения подключена к выходу тиристорного преобразователя, выходы датчика тока возбуждения и датчиков тока статорных обмоток генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора, три входа которого подключены к соответствующим точкам соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора и шины распределительного устройства, к указанной шине подключены потребители собственных нужд, первый выход блока управления подключен к первому входу первого блока вычитания, выход которого подключен к управляющему входу регулятора тока возбуждения синхронного генератора, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя, второй выход блока управления подключен к первому входу второго блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора реактивной мощности синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу первого блока вычитания, третий выход блока управления подключен к первому входу третьего блока вычитания, выход которого подключен к входу регулятора выходного напряжения синхронного генератора, выход последнего подключен ко второму входу второго блока вычитания, при этом второй вход третьего блока вычитания подключен к первому выходу блока заданий уставок и ограничений, вход которого подключен к четвертому выходу блока управления, при этом третий блок вычитания, регулятор выходного напряжения синхронного генератора, второй блок вычитания и регулятор реактивной мощности синхронного генератора входят в состав основного канала регулирования тока возбуждения синхронного генератора, отличающееся тем, что оно снабжено первым управляемым ключом, пороговым элементом, дополнительным каналом регулирования тока возбуждения синхронного генератора, который содержит блок вычисления угла нагрузки синхронного генератора, четвертый блока вычитания, регулятор демпфирования колебаний ротора синхронного генератора и второй управляемый ключ, при этом первый, второй и третий входы блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора соединены соответственно с третьим, пятым и первым выходами блока управления, выход блока вычисления угла нагрузки синхронного генератора соединен с первым входом четвертого блока вычитания, второй вход которого соединен со вторым выходом блока заданий уставок и ограничений, выход четвертого блока вычитания соединен с входом регулятора демпфирования колебаний ротора синхронного генератора, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа, выход последнего соединен с третьим входом первого блока вычитания, при этом управляемый вход второго управляемого ключа соединен с выходом порогового элемента, вход которого соединен с третьим выходом блока управления, управляемый вход первого управляемого ключа соединен с выходом порогового элемента, вход первого управляемого ключа соединен с третьим выходом блока заданий уставок и ограничений, а выход – с входом заданий ограничений по току регулятора тока возбуждения синхронного генератора.