CC BY
26
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ТУРБОГЕНЕРАТОРА ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Н.И. ЗЕЛЕНОХАТ, В.В. КОРОТЧЕНКО
Московский энергетический институт (технический университет)
В работе предлагается алгоритм управления возбуждением неявнополюсного синхронного турбогенератора в режиме потребления им реактивной мощности, приводятся характеристики его режимных свойств при потреблении избыточной реактивной мощности и результаты анализа статической устойчивости при представлении приемной части электроэнергетической системы шинами бесконечной мощности.
В электрических сетях высокого напряжения электроэнергетических систем (ЭЭС) и систем электроснабжения мегаполисов за счет емкостной проводимости воздушных и, тем более, кабельных линий электропередачи генерируется реактивная мощность. При перетоках по линии электропередачи активной мощности меньше натуральной мощности, реактивная мощность стекает к концам линии электропередачи. На электростанциях и подстанциях для ее поглощения приходится устанавливать реакторы или синхронные компенсаторы.
Активная и реактивная мощности неявнополюсного турбогенератора определяются известными выражениями [1]:
E U г
P = —----sin5г , (1)
xd
EU г U г2
Q = —----cos 5г-----. (2)
xd xd
Использованы общеизвестные обозначения [1].
Из уравнения (2) видно, что реактивная мощность зависит от нагрузки и при значении угла бг = 90° достигает величины
U г2
Q = —-. (3)
xd
У многих генераторов индуктивное сопротивление xd = 2 — 2,5 о.е, и поэтому возможное потребление реактивной мощности не превышает величины (0,5 — 0,4) Sном. Однако и такое потребление не достижимо по условию сохранения статической устойчивости.
Расширение области устойчивости позволило бы улучшить режимы напряжений в системе. Известно, что режимы потребления реактивной мощности для многих генераторов ограничиваются также нагревом отдельных частей ротора и статора. Однако это ограничение для турбогенераторов может быть снято заводом-изготовителем, как это сделано, например, для турбогенераторов типа Т3В и для асинхронизированных синхронных генераторов типа АСТГ.
© Н.И. Зеленохат, В.В. Коротченко Проблемы энергетики, 2007, № 5-6
Следовательно, для осуществления более глубокого потребления избыточной реактивной мощности необходимо обеспечить устойчивую работу турбогенераторов при углах сдвига ротора бг, больших 90°, что может быть достигнуто созданием новых конструкций турбогенераторов с дополнительной маломощной поперечной управляющей обмоткой возбуждения на роторе [2], а также турбогенераторов с двумя одинаковыми обмотками возбуждения на роторе [3], как это сделано у АСТГ. Такие машины могут потреблять значительную реактивную мощность при высоких запасах по устойчивости.
Однако для питания дополнительной поперечной обмотки необходимо иметь реверсивный возбудитель, хотя и маломощный. В режимах глубокого потребления реактивной мощности, имеющих место при углах, больших 90°, устойчивость не может быть обеспечена без регулирования по поперечной оси. Требуется совместное регулирование по продольной и поперечной осям, причем АРВ должно поддерживать заданное напряжение на выводах и автоматически разгружать поперечную обмотку. Система возбуждения при этом оказывается довольно сложной.
АСТГ являются более совершенными машинами, но система возбуждения у них ещё более сложная. В связи с этим проблема повышения устойчивости синхронных генераторов в режимах потребления реактивной мощности остается актуальной.
В данной работе на основе проведенных исследований предлагается формировать ЭДС генератора в виде
Eq = E (1 — ctgÓT ), (4)
где E зависит от параметров режима, в частности E = E0 = const. В этом случае активная и реактивная мощности генератора, работающего на шины бесконечной мощности, определяются выражениями:
E 0U г
P =-------(sinбг — cosбг ); (5)
xd
E 0(1 — ^5г )U г U2
Q =-----------------cos ог------. (6)
x d x d
Анализируя (4), нетрудно прийти к выводу, что при значении угла 5г = 45° ЭДС Eq = 0 и активная мощность P = 0 .
На рис. 1 показаны угловые характеристики активной P(5г) и реактивной Q(5г) мощностей в зависимости от угла 5г и ЭДС Eq генератора, построенные в
соответствии с выражениями (4)-(6).
Характеристика мощности P(5г) пересекает ось абсцисс не в начале координат, как это обычно имеет место для генератора с одной обмоткой возбуждения на роторе, а при значении угла сдвига ротора 5г = я/4. Крутизна этой характеристики и синхронизирующая мощность более значительные, чем у обычного синхронного генератора с одной обмоткой возбуждения. Следовательно, повышается устойчивость генератора, работающего в режиме потребления реактивной мощности. Анализ характеристик мощности Q (5г) показывает, что
при любой загрузке генератора активной мощностью он потребляет реактивную мощность из системы, причем при значениях угла сдвига ротора, равных 45° и
90°, величина потребляемой реактивной мощности достигает значения иг /х^, а
при углах 6г, больших 90°, генератор потребляет реактивную мощность,
2
превышающую величину иг /х^. В этом случае принято говорить, что генератор работает в режиме глубокого потребления реактивной мощности.
а) б)
Рис. 1. Угловые характеристики: а) мощности P(6г) и Q(6г) ; б) ЭДС Eq(6г) при
управлении по (4)
Анализ зависимости Eq (6г) позволяет заключить, что не требуется менять
знак ЭДС Eq в режиме глубокого потребления реактивной мощности. При
переключении в момент переключения системы возбуждения с обычного АРВ на АРВ с нелинейным алгоритмом управления (4) (нелинейный АРВ) возникнет скачок мощности, вследствие чего появляются качания ротора.
При автоматическом изменении E0 в функции отклонения напряжения AU г = U 0 — U г становится возможным осуществлять регулирование напряжения на шинах электростанции при изменениях потребляемой реактивной мощности генератором, а в функции производной d6г /dt - демпфирование качаний ротора генератора.
С учетом этого алгоритм управления возбуждением принимает вид
' d6j. "
1 + ки (Uo — и )+ к ш—L)
dt
(l-ctg6r), (7)
где ku, кю - коэффициенты усиления каналов регулирования по отклонению напряжения и частоты.
Такой алгоритм управления достаточно эффективен, если компенсировать влияние электромагнитного переходного процесса в обмотке ротора введением отрицательной обратной связи по току ротора, как это делается применительно к асинхронизированным синхронным генераторам [3]. Тогда обеспечивается изменение ЭДС Eq генератора в соответствии с правой частью выражения (7).
Применительно к простейшей схеме ЭЭС (рис. 2), содержащей синхронный генератор с АРВ нелинейного типа, проведено исследование статической устойчивости методом малых колебаний.
Рис. 2. Схема простейшей ЭЭС Система уравнений исходной математической модели ЭЭС имеет вид
d 2 5
Р
dtJ
Eq Uc sin 5 p xd + xc
Eq =
E0 + kU (Uг0 - Uг ) + kс
d5,
dt
(1 - ctg5,);
Eqxc sin5г — Ucxd sin5c = 0;
Eqxc cos5г + (xd — xc )U, — Ucxd cos5c = 0 ,
• •
где PT - мощность турбины; 5 c- угол сдвига между векторами Uг и Uc ; 5 р -
угол сдвига ротора генератора.
С учетом исходных данных (Uг = 1; Uс = 1,077; Eq0 = 1,5; 5г = 46° ;
xd = 2,03; xc = 0,162; k ю = 5; kU = 50) получено характеристическое уравнение в виде
D (p) = 0,05 p 3 + 0,842 p 2 + 2,065 p + 3,669 = 0.
Анализ его показывает, что с применением АРВ нелинейного типа с алгоритмом управления (7) ЭЭС статически устойчива. В исходном режиме
2
генератором потребляется реактивная мощность Qг = Uг /(xd + xc).
Проведенные дополнительные исследования показывают, что может быть осуществлен плавный переход от нелинейного алгоритма управления к линейному и наоборот.
В этом случае для перехода в режим выдачи реактивной мощности в алгоритме (7) устраняется составляющая, зависящая от ctg5j..
Выводы
1. Использование АРВ с нелинейным алгоритмом управления расширяет область устойчивой работы синхронного генератора в режимах потребления реактивной мощности из электрической сети.
2. Необходимо проведение дальнейших исследований режимных свойств генераторов с предлагаемым алгоритмом для АРВ в сложной ЭЭС.
Summary
The algorithm of excitation control of implicit-pole synchronous turbo generator in a mode of reactive power consumption is offered in this paper. Characteristics of its mode properties with consumption of surplus reactive power and analysis results of static stability
т
with presentation of a reception part of electric power system as bus of infinite capacity are presented.
Литература
1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. - М.: Высшая школа, 1970. - 473 с.
2. Каспаров Э.А. Устойчивость синхронных генераторов в режиме потребления реактивной мощности. - Электрические станции. - 1985. - № 2. -С. 43-48.
3. Зеленохат Н.И. Повышение эффективности управления режимами гибкой межсистемной связи с электромеханической вставкой переменного тока. - Вестник МЭИ. - 2005. - № 3. - С. 66-73.
Поступила 25.01.2007
