Способы повышения местной устойчивости

Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости — Управление для обеспечения устойчивости энергосистем простой структуры

Содержание материала

Глава вторая
УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ ПРОСТОЙ СТРУКТУРЫ, ПЕРЕДАЮЩИХ МОЩНОСТЬ В ЭНЕРГООБЪЕДИНЕНИЯ

2-1. Введение

В этой главе рассматриваются энергосистемы простой структуры (I тип), которые, как указывалось в гл. 1, могут быть сведены к эквивалентной схеме, состоящей из генератора, передающего мощность в систему (шины постоянного напряжения и постоянной частоты), и местной нагрузки (меньшей, чем мощность генератора). В первом параграфе дается анализ различной автоматики, повышающей статическую устойчивость в энергосистемах этого типа. Анализ различных способов повышения синхронной динамической устойчивости выполняется с привлечением теории оптимального управления, что позволяет достаточно объективно оценивать действие отдельных видов автоматики.
В следующем параграфе рассмотрены условия ресинхронизации и требования к автоматике, которая должна обеспечивать быструю ресинхронизацию (или деление). Восстановление нормальной схемы и режима в энергосистемах I типа возможно несколькими способами. Эти способы (и соответствующая автоматика) сопоставлены между собой, и определены области их применения. Заканчивается глава изложением методики выбора противоаварийной автоматики. В [57] рассматриваются вопросы использования АВМ для анализа электромеханических переходных процессов применительно к энергосистемам этого типа.

2-2. Способы повышения статической устойчивости

Рис. 2-1. Простая энергосистема типовой структуры I.
а — схема энергосистемы; б — угловая характеристика.

Для простейшей схемы станции, передающей мощность в энергообъединение (рис. 2-1,а), при наличии местной нагрузки на шинах станции и активного сопротивления линий выражение для электрической мощности эквивалентного генератора станции может быть записано следующим образом:

(2-2)

Зависимость (2-1) графически изображена на рис. 2-1,6. Предельная мощность, которую может выдать генератор (станция), как следует из (2-1) и рис. 2-1,6, составляет:

Эта величина тем больше, чем больше местная нагрузка и активные сопротивления линий (т. е. чем больше Ри), чем выше напряжения по концам электропередачи и ниже ее суммарное сопротивление (т. е. больше Р12).
Уголмежду э. д. с. эквивалентного генератора Е1 и напряжением 11с на шинах энергообъединения определяется из условия равенства механической мощности Рт, развиваемой турбиной, и электрической мощности генератора Рэл
(2-3)
При этом статическая устойчивость генератора обеспечивается, если угол
Как показывает анализ выражения (2-1) и кривых на рис. 2-1,6, причинами нарушения статической устойчивости станции, передающей мощность в энергосистему, могут быть: снижение эквивалентной э. д. с. В1 передающей станции или напряжения Цс на приемном конце электропередачи, что приводит к уменьшению Р\2\ увеличение мощности станции Рт сверх предела передаваемой мощности; увеличение суммарного реактивного сопротивления х1:=хг+хТХ)+Хл между станцией и энергосистемой; увеличение перетока по электропередаче сверх предела передаваемой мощности из-за отключения части местной нагрузки станции (т. е. снижения Рц) .
Процесс нарушения статической устойчивости характеризуется постепенным нарастанием тока и реактивной мощности по линии, снижением напряжения на подстанциях с последующим лавинообразным протеканием процесса и периодическими колебаниями таких электрических параметров, как токи, мощность, напряжения. Типичная осциллограмма нарушения статической устойчивости приведена на рис. 1-3.
Как указывалось в гл. 1, нарушения статической устойчивости в энергосистемах структуры I происходят главным образом в послеаварийном режиме вследствие отключения одной из сильно загруженных параллельных линий, т. е. увеличения хъ. Кроме того, имеют место нарушения устойчивости, обусловленные понижением напряжения в приемной или передающей частях энергосистемы. В частности, наблюдались случаи нарушения устойчивости гидростанций в период их ввода в эксплуатацию при работе с временными схемами возбуждения в результате потери возбуждения генераторов (т. е. снижение эквивалентной э. д. с. станции Е1 и как следствие нарушение статической устойчивости). Причиной нарушения статической устойчивости было также возникновение дефицита реактивной мощности в приемной системе конечной мощности.

Основной широко используемый способ повышения статической устойчивости — автоматическое регулирование возбуждения генераторов [22, 26]. Определению наиболее эффективных законов «регулирования возбуждения для регуляторов пропорционального и сильного действия посвящены работы целого ряда организаций (ВЭИ, МЭИ, ИЭД АН УССР и др.), и в настоящее время можно считать, что для рассматриваемых энергосистем типовой структуры I этот вопрос проработан достаточно глубокого и всесторонне.
В качестве средств повышения статической устойчивости могут также применяться отключение или управление реакторами (если такая возможность имеется), принудительная кратковременная форсировка возбуждения генераторов (у современных крупных турбогенераторов по условиям нагрева ротора длительность форсировки ограничивается временем 15—20 с) и форсировка продольной компенсации, снижающей суммарное реактивное сопротивление (число таких устройств в настоящее время незначительно). Эффективным способом повышения статической устойчивости послеаварийного режима являются все виды АПВ.
С ростом мощности энергосистем и энергообъединений растут и единичные мощности генераторов, при этом их параметры с точки зрения устойчивости менее благоприятны. В связи с этим в последние годы уделяется серьезное внимание созданию новых систем возбуждения синхронных генераторов (в первую очередь с управляемыми преобразователями) с АРВ сильного действия. Остановимся на этом вопросе более подробно и рассмотрим его с точки зрения устойчивости энергосистем, используя материалы, изложенные в [32, 33, 89].
Все системы возбуждения современных турбоагрегатов можно разделить на две группы: электромашинные системы возбуждения, постоянная времени которых составляет 0,3—0,5 с из-за наличия электромагнитной инерции возбудителя; системы возбуждения с управляемыми выпрямителями, постоянная времени которых составляет 0,04—0,05 с и не зависит от источника питания выпрямителя.
До последнего времени для возбуждения турбо- и гидрогенераторов в основном применялись возбудители постоянного тока, сочлененные непосредственно с валом основного генератора.
Для работающих турбоагрегатов 200—800 МВт и проектируемых агрегатов мощностью свыше 1000 МВт выполнение обычных электромашинных возбудителей, соединенных с валом генератора, из-за большой требуемой мощности возбудителя оказывается технически очень сложным. Для них создаются новые системы возбуждения в основном с применением ионных и полупроводниковых управляемых выпрямителей,
С электромашинными системами возбуждения, как правило, используются АРВ пропорционального типа, которые регулируют возбуждение по отклонению одного-двух параметров. С системами возбуждения с управляемыми выпрямителями применяются АРВ сильного действия, которые производят регулирование как по отклонению режимных параметров, так и по их производным.
С точки зрения обеспечения устойчивости (как статической, так и динамической) энергосистем целесообразно сопоставить различные системы возбуждения крупных турбогенераторов и АРВ по их быстродействию, кратности форсировки, повышению пределов устойчивости, демпфированию колебаний в переходных процессах. С этих позиций любую систему возбуждения и АРВ можно охарактеризовать постоянной времени возбудителя Те, постоянной времени регулятора Гр, кратностью потолочного возбуждения /ге, скоростью нарастания возбуждения ve, законом регулирования и коэффициентами усиления АРВ. В ГОСТ на синхронные машины по системам возбуждения и АРВ регламентированы только две величины ke и ve:

* Оговариваются особо заказчиком.
К электромашинным системам возбуждения с АРВ пропорционального типа относятся высокочастотная система возбуждения, электромашинная с возбудителем постоянного тока с компаундированием, корректором и релейной форсировкой, электромашинная с редукторным приводом, бесщеточная. В АРВ, работающих с этими системами возбуждения, обычно применяется регулирование по отклонению напряжения AU при наличии компаундирования по А/. Практически при расчетах синхронной динамической устойчивости (§ 2-2) можно учитывать только регулирование по AU, а для электромашинной системы с компаундированием, корректором и релейной форсировкой — только действие релейной форсировки, поскольку постоянная времени корректора примерно равна тКОрр

2 с и его действие не оказывает влияние на первые периоды переходного процесса, а компаундирование очень незначительно увеличивает нарастание возбуждения только в процессе К. 3.
В высокочастотной системе возбуждения (рис. 2-2,а) выпрямление переменного тока осуществляется неуправляемыми кремниевыми выпрямителями. В качестве возбудителя ВГТ используется индукторный генератор 500 Гц, имеющий три обмотки: одну, включенную последовательно с обмоткой возбуждения генератора и две независимые. Две последние обмотки питаются либо от подвозбудителя (как показано на схеме), либо от выводов ВГТ.

Возбудитель ВГТ имеет большое сопротивление рассеяния и большое переходное сопротивление, в результате чего его нагрузочная характеристика имеет резко падающий характер (рис. 2-2,6). Как следствие этого, когда при к. з. из-за наличия апериодической составляющей тока ротора возрастает ток Id, напряжение возбуждения снижается (рис. 2-2,в), в течение к. з. имеет значение меньше исходного и резко возрастает после отключения. В послеаварийных режимах эта система возбуждения характеризуется затяжкой цикла потолочного возбуждения. Постоянная времени системы возбуждения составляет около 0,36 с.
Регулирование возбуждения выполняется по отклонению напряжения &Ц, причемзд. возб./ед. напр., т. е. при минимальном значении кАи и при снижении напряжения на 5% система возбуждения обеспечивает дополнительно II ед. возб. или, другими словами, потолочное возбуждение. Запаздывание на форсировку и расфорсировку возбуждения не превосходит 0,03 с, для турбогенераторов ие = 2 ед. возб./с.

5) б) г)
Рис. 2-2. Высокочастотная система возбуждения.
а — принципиальная схема высокочастотной системы возбуждения; б — нагрузочная характеристика возбудителя; в — изменение напряжения возбуждения в переходном режиме; г — изменение э. д. с. Е’ в переходном режиме; ТГ — турбогенератор; БОФ — блок ограничения форсировки; АРВ — автоматический регулятор возбуждения; УБФ — устройство бесконтактной форсировки; ОВ\ — обмотка независимого возбуждения, питающаяся от УБФ; ОВ2 — обмотка независимого возбуждения, питающаяся от АРВ; СО — последовательная обмотка возбудителя; ВГТ — высокочастотный возбудитель; ВЧП — высокочастотный подвозбудитель; ОВ — обмотка возбуждения основного турбогенератора; Ви В2 — выпрямители.

С точки зрения статической устойчивости высокочастотная система возбуждения с АРБ пропорционального типа аналогична другим электромашинным системам возбуждения и обеспечивает выполнение практического критерия устойчивости
(2-4)
где E’q — переходная э. д. с. в предельном режиме.
В расчетах динамической устойчивости работу высокочастотной системы возбуждения можно описать уравнением
(2-5)
где Edeо и Edeмакс — соответственно исходная и максимальная (определяемая ke) э. д. с. возбудителя.
Если напряжение генератора превысит 1,05£/ном« осуществляется расфорсировка возбуждения по экспоненциальному закону до нуля
(2-6)
При к. з. первый момент Е’q=E’q(о), поскольку потокосцепление ротора скачком измениться не может и остается постоянным (рис. 2-2,г). При расчетах динамической устойчивости реальная кривая нарастания возбуждения (рис. 2-2,в) упрощенно может быть заменена экспонентой с те =0,36 с без учета снижения возбуждения на период к. з. Аналогично можно учесть и систему электромашинного возбуждения с редукторным приводом.

Рис. 2-3. Принципиальная схема электромашинной системы возбуждения с компаундированием, корректором и релейной форсировкой.
ТГ — турбогенератор; 1у к — ток компаундирования; г‘кор —ток корректора по напряжению; РФ — релейная форсировка; Рп — постоянно включенное активное сопротивление; АГП — автомат гашения поля; ВПТ — возбудитель постоянного тока; ШР — шунтовой реостат; ОВ — обмотка возбуждения основного генератора; ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя.

Электромашинная система возбуждения с компаундированием, корректором и релейной форсировкой для турбогенераторов мощностью до 150 МВт приведена на рис. 2-3. В обмотку возбуждения возбудителя, являющегося машиной постоянного тока, подается ток компаундирования, пропорциональный току статора основного генератора. Регулирование напряжения осуществляется с помощью корректора напряжения с тКОр.р

2 с, kAU=20 ед. возб./ед. напр. С целью стабилизации системы возбуждения и АРВ применена гибкая обратная связь по напряжению возбудителя.
При расчетах синхронной динамической устойчивости практически можно учитывать только релейную форсировку по AU с запаздыванием на форсировку и расфорсировку 0,15 с, которая вступает в действие при снижении напряжения до 0,85UНом и производит расфорсировку при повышении напряжения до 0,95UНом.
Кривая нарастания возбуждения для электромашинной системы с компаундированием, корректором и релейной форсировкой приближенно может быть представлена экспонентой с те = 0,36-0,5 с. В расчетах статической устойчивости эта система возбуждения учитывается аналогично высокочастотной системе возбуждения с пропорциональным регулированием.
Схема электромашинной системы возбуждения с АРВ пропорционального типа, применяющаяся в качестве резервной системы возбуждения на турбогенераторах большой мощности, приведена на рис. 2-4,а. Она отличается от рассмотренной схемы тем, что форсировка и расфорсировка возбуждения в ней выполняются с помощью АРВ, действующего по AU с малой постоянной времени, примерно равной 0,1 с. Кривая нарастания возбуждения при форсировке приведена на рис. 2-4,6. Действие и учет работы такой системы возбуждения при анализе статической и динамической устойчивости аналогичны высокочастотной системе возбуждения.

Рис. 2-4. Электромашинная система возбуждения с АРВ пропорционального типа.
а — принципиальная схема; б—кривая нарастания возбуждения при форсировке; П — подвозбудитель 400 Гц; ВПТ — возбудитель постоянного тока; ОВ — обмотка возбуждения основного турбогенератора; ОВу — независимая обмотка возбуждения (форсировочная); ОВ2 — независимая обмотка возбуждения (расфорсировочная); ОВВ — обмотка возбуждения возбудителя.

Бесщеточные системы возбуждения являются наиболее перспективными для турбогенераторов мощностью 300 МВт и выше. За рубежом они уже нашли широкое применение, у нас в стране находятся в стадии разработки. В этой системе возбуждения (рис. 2-5,а) в качестве возбудителя применен обращенный трехфазный синхронный генератор повышенной частоты, схема выпрямления — трехфазная мостовая или трехфазная с нулевым выводом на кремниевых вентилях, гашение поля основного генератора осуществляется гашением поля возбудителя.
Бесщеточная система возбуждения проектируется для машин мощностью 1200 МВт, проводятся испытания на агрегатах мощностью 200 МВт и менее. Наиболее перспективно применение в бесщеточных системах возбуждения тиристорных выпрямителей. Предполагается, что для турбогенераторов мощностью 200 МВт будут обеспечены 4 ед. возб./с, для турбогенераторов 800—1200 МВт — около 4 ед. возб./с.

Рис. 2-5. Бесщеточная система возбуждения.
а — принципиальная схема; б — кривая нарастания напряжения возбуждения; ТГ — турбогенератор; ОБ — обмотка возбуждения основного генератора; В — возбудитель; ОВВ (Ф) — обмотка возбуждения возбудителя (форсировочная); О В (Р) — обмотка возбуждения возбудителя (расфорсировочная)); ПВ — подвозбудитель; ОВП — обмотка возбуждения подвозбудителя; ТТ и ТН— трансформаторы тока и напряжения; ТВ — твердые выпрямители; НС — тиритовое (защитное) нелинейное сопротивление.

Эксперименты, подтвердившие высокое быстродействие бесщеточной системы возбуждения, показали, что целесообразно и можно применить с этой системой возбуждения АРВ сильного действия. Испытания на машинах небольшой мощности подтвердили также способность такой системы возбуждения с АРВ сильного действия предотвращать самораскачивание синхронного генератора вблизи предела статической устойчивости, высокую скорость нарастания напряжения на кольцах ротора при к. з. (примерно за 0,06 с достигается потолочное возбуждение, хотя на время одного периода имеет место снижение напряжения возбуждения до нуля), быстрое и эффективное демпфирование качаний генератора.
Бесщеточная система возбуждения с неуправляемыми выпрямителями представляет собой электромашинную систему возбуждения, но выполненную таким образом, что она позволяет получить малые постоянные времени возбуждения те=0,1-0,15 с и использовать с ней АРВ сильного действия. При испытаниях на опытном образце была получена высокая скорость нарастания напряжения возбуждения ae=9-10 ед. возб./с. На рис. 2-5,6 показана кривая нарастания напряжения возбуждения. Ввиду того что снижение возбуждения происходит очень кратковременно (на один-два периода), при учете действия возбудителя такая система возбуждения может быть представлена экспонентой с постоянной времени около 0,1 с. При расчетах статической и динамической устойчивости эта система возбуждения может учитываться аналогично быстродействующим системам возбуждения (например, ионным) с АРВ сильного действия.

Быстродействующие системы возбуждения с АРБ сильного действия. К этим системам возбуждения относятся ионные (с независимыми источниками питания, работающие по схеме самовозбуждения с последовательно включенными трансформаторами) и тиристорные системы (с управляемыми полупроводниками). Эти системы возбуждения (рис. 2-6,а) имеют очень малую постоянную времени те=0,02-5-0,04 с.
В АРВ сильного действия, которые применяются с этими системами возбуждения как для генераторов, так и для синхронных компенсаторов, заложен закон регулирования возбуждения по AU, U’

Рис. 2-6. Ионная система возбуждения (схема параллельного самовозбуждения с питанием от выпрямительного трансформатора).
а — принципиальная схема; б— кривая нарастания возбуждения быстродействующей системы; в — статические характеристики ионных систем возбуждении; /—при Г^Д[/ =50 ед. возб./ед. напр.; 2 — при =20 ед. возб./ед. напр.; 3 — при питании выпрямителей по схеме самовозбуждения; ТГ — генератор; ОВ — обмотка возбуждения основного генератора; ВТ — выпрямительный трансформатор; ВР — ртутные выпрямители (вентили); СУ — устройство суточного управления вентилями; ТТ — трансформатор тока; ТН — трансформатор напряжения; АРВ — автоматический регулятор возбуждения.

Источник