Способы повышения статической устойчивости синхронной машины

1) машина переходит в точку устойчивой работы (аналогичную точке А) на последующих положительных полуволнах угловой характеристики;

2) ротор по инерции проскакивает устойчивые положения, при этом происходит выпадение из синхронизма, т. е. ротор начинает вращаться с частотой, отличающейся от частоты вращения магнитного поля статора.

Выпадение, из синхронизма является аварийным режимом. При этом ток якоря возрастает, так как ЭДС генератора Е и напряжение сети U_c в этом режиме могут складываться по контуру «генератор — сеть», а не вычитаться, как при нормальной работе.

Если внешний момент при работе машины в точке С снижается, то угол q уменьшается, электромагнитный момент возрастает, что приводит к дальнейшему уменьшению угла q и переходу к работе в устойчивой точке А.

Если машина работает в установившемся режиме при некотором угле q, то малое отклонение Δq от этого угла сопровождается возникновением момента ΔМ = (dM/dq) Δq

который стремится восстановить исходный угол q. Этот момент называют синхронизирующим. Ему соответствует понятие синхронизирующей мощности ΔР_ЭМ = (dР_ЭМ/dq) Δq.

Производные dM/dq и dР_ЭМ/dq называют соответственно удельным синхронизирующим моментом и удельной синхронизирующей мощностью.

Удельный синхронизирующий момент имеет максимальное значение при q = 0. С возрастанием q он уменьшается, а при q = q_кр он равняется нулю, поэтому синхронные машины обычно работают с q = 20-30°, что соответствует приблизительно двукратному запасу по моменту.

Перегрузочная способность синхронной машины оценивается отношением:

Согласно ГОСТу это отношение для мощных генераторов должно быть не менее 1,6—1,7, а для синхронных двигателей большой и средней мощности — не менее 1,65.

Для неявнополюсной машины удельный синхронизирующий момент и мощность:

Удельная синхронизирующая мощность и момент обратно пропорциональны индуктивному сопротивлению Х₁ или Х_d. Для устойчивой работы индуктивное сопротивление машины должно быть возможно наименьшим, для чего необходимо увеличить воздушный зазор. При этом требуется увеличение МДС возбуждения, что ведет к удорожанию машины.

Поэтому в современных синхронных машинах для повышения устойчивости применяют автоматическое регулирование тока возбуждения при изменении нагрузки. При увеличении тока возбуждения возрастает ЭДС Е_f и момент M_max. При этом увеличивается устойчивость машины.

При работе на электрическую сеть синхронные генераторы должны работать с перевозбуждением, обеспечивающим повышение перегрузочной способности. При номинальном режиме ток I₁ должен отставать от напряжения U₁ и иметь cosφ₁= 0,8.

Генераторы большой мощности снабжают регуляторами возбуждения сильного действия, которые реагируют не только на отклонение напряжения U₁, но и на производные во времени dU₁/dt и dI₁/dt, последняя из которых определяется изменениями угла dq/dt.

В машинах малой и средней мощности применяют системы фазового компаундирования, обеспечивающие автоматическое изменение тока возбуждения при изменении тока нагрузки. Обмотка возбуждения 2 питается от обмотки якоря 1 через полупроводниковый выпрямитель 6. К входу выпрямителя параллельно подключены вторичные обмотки двух трансформаторов 3 и 5. Их первичные обмотки включены параллельно и последовательно с обмоткой якоря 1. Последовательно с вторичной обмоткой трансформатора 3 включен реактор 4.

Для удержания синхронной машины в синхронизме при снижении напряжения в сети (при удаленных коротких замыканиях) применяют форсировку тока возбуждения. Форсировка осуществляется автоматически релейной защитой, которая замыкает накоротко резисторы или реостаты в цепи обмотки возбуждения возбудителя или подвозбудителя.

Эффективность форсировки возбуждения характеризуется кратностью предельного установившегося напряжения возбудителя: К_f =U_{f max}/U_{f н},

(где U_{f max} — наибольшее установившееся напряжение возбудителя; U_{f н} — номинальное напряжение возбуждения), а также скоростью нарастания напряжения возбудителя du_f/dt.

Источник

Повышение устойчивости синхронных генераторов в системе внутризаводского электроснабжения с помощью быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности

На правах рукописи

МУРЗИКОВ Антон Александрович

ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМЕ ВНУТРИЗАВОДСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С ПОМОЩЬЮ БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО СТАТИЧЕСКОГО КОМПЕНСАТОРА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальность 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. »

кандидат технических наук, доцент

ХРАМШИН Тимур Рифхатович

доктор технических наук, профессор

РАДИОНОВ Андрей Александрович

кандидат технических наук

МАКОЛОВ Владимир Николаевич

институт (Технический университет)»

Защита состоится ___ марта 2011 г. в ___ часов на заседании диссерта-ционного совета Д 212.111.04 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государст-венный технический университет им. » Челя-бинская обл., г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «МГТУ». Автореферат размещен на сайте http://www. *****.

Автореферат разослан ___ февраля 2011 г.

диссертационного совета Д 212.111.04

канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Крупные металлургические предприятия для обеспечения надёжности системы электроснабжения особо ответственных потребителей в своем составе содержат собственные электростанции с генераторами относительно небольшой мощности МВт. Они работают на вторичных энергоносителях и являются источниками бесперебойного электроснабжения в аварийных режимах. Наиболее тяжёлыми и опасными режимами являются удалённые трёхфазные короткие замыкания (КЗ), сопровождаемые глубокими провалами напряжения и заканчивающиеся, как правило, потерей устойчивости и отключением генераторов.

Одним из важнейших требований, предъявляемых к системе внутризаводского электроснабжения, является обеспечение устойчивой работы входящих в неё синхронных генераторов. Исследования в этом направлении являются безусловно актуальными и практически значимыми.

Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) синхронных машин является одним из известных и традиционных способов обеспечения устойчивости работы системы электроснабжения. Российскими учёными накоплен большой теоретический и практический опыт в этом направлении, в частности, за счёт регуляторов сильного действия. Однако ввиду большой постоянной времени обмотки возбуждения и ограниченной кратности форсировки напряжения применение существующих систем АРВ для обеспечения устойчивости генераторов собственных электростанций оказывается недостаточно эффективным.

Бурное развитие силовой и информационной электроники, наблюдаемое в последние десятилетия, привело к появлению нового класса быстродействующих статических компенсирующих устройств (СТАТКОМов) выполненных на базе полностью управляемых полупроводниковых ключей. Их применение позволяет существенно повысить устойчивость и надёжность систем электроснабжения, в том числе и синхронных генераторов.

До настоящего времени не обнаружено исследований совместной работы подобных компенсаторов с генераторами малой мощности в системах внутризаводского электроснабжения, не рассмотрены возможности и резервы СТАТКОМов в качестве устройств, повышающих устойчивость генераторов, отсутствуют достаточно чёткие аргументированные обоснования при выборе силовой части и системы управления компенсаторов в обозначенных режимах, отсутствует технико-экономическая оценка перспектив использования СТАТКОМов на металлургических предприятиях.

Краткое описание объекта исследования. Объектом исследования является подстанции №87 . Данная подстанция питает вспомогательные механизмы электросталеплавильного цеха, которые относятся к потребителям особой категории надёжности, поэтому кроме двух вводов дополнительно установлены генераторы мощностью 30 и 12 МВт.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование научно-обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение устойчивости и более полное использование установленной мощности синхронных генераторов системы внутризаводского электроснабжения с помощью быстродействующего компенсатора реактивной мощности типа СТАТКОМ.

Для достижения этой цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:

1. Выполнить комплексный анализ эффективности использования известных способов повышения устойчивости синхронных генераторов в системах внутризаводского электроснабжения.

2. Обосновать целесообразность использования быстродействующего статического компенсатора для повышения устойчивости и наиболее полного использования установленной мощности собственных генераторов.

3. Разработать математическую модель исследуемого комплекса в составе синхронного генератора с АРВ, статического компенсатора с системой векторного управления.

4. Провести теоретические и экспериментальные исследования способов повышения устойчивости синхронных генераторов, работающих совместно со статическим компенсатором.

5. Выполнить комплексную оценку эффективности использования быстродействующего статического компенсатора в системе внутризаводского электроснабжения с учётом повышения устойчивости работы синхронного генератора и наиболее полного использования его установленной мощности.

Поставленная цель достигается благодаря применению быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности и тормозного резистора, обеспечивающих эффективное демпфирование колебаний ротора синхронного генератора при больших возмущениях.

Методы научных исследований. В работе использованы базовые положения теории автоматического регулирования, электромеханических переходных процессов, методов синтеза регуляторов многосвязанных систем. Решения отдельных задач получены с применением аппарата передаточных функций и математического моделирования в среде Matlab – Simulink. Экспериментальные исследования проводились на лабораторной установке и действующем оборудовании путем осциллографирования с использованием пакета Drive ES Starter.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработан новый способ повышения устойчивости синхронных генераторов с помощью быстродействующего статического компенсатора реактивной мощности.

2. Разработана математическая модель статического компенсатора типа СТАТКОМ, отличающаяся учётом дискретного характера переключения силовых ключей и позволяющая анализировать работу устройства в статических и динамических режимах с учётом высших гармоник.

3. Создана имитационная модель электротехнического комплекса в составе синхронного генератора и статического компенсатора. Отличительные особенности модели заключаются в следующем: механическая часть генератора представлена в виде трехмассовой системы, учитываются регулятор скорости турбины, а также система регулирования возбуждения генератора и векторная система управления компенсатором. Модель позволяет исследовать переходные процессы при коротких замыканиях, резких изменениях нагрузки и колебаниях напряжения сети.

4. В результате теоретических и экспериментальных исследований подтверждена работоспособность и высокая технико-экономическая эффективность предложенного способа повышения устойчивости синхронных генераторов в системе внутризаводского электроснабжения.

Практическая значимость работы:

1. Разработанные способы повышения устойчивости синхронных генераторов рекомендуется использовать для собственных электростанций металлургических предприятий.

2. Определены параметры регуляторов системы управления статическим компенсатором реактивной мощности, обеспечивающие повышение устойчивости узла нагрузки.

3. Дана сравнительная оценка показателей качества электроэнергии при применении известных и предлагаемого способа повышения устойчивости синхронных генераторов.

4. Заложенные принципы повышения устойчивости синхронных генераторов найдут применение при расширении и реконструкции металлургических предприятий.

5. Разработанную математическую модель в составе синхронного генератора и статического компенсатора рекомендуется использовать для углубленного изучения переходных процессов при подготовке специалистов электроэнергетических специальностей.

Материалы диссертационной работы рекомендованы к внедрению в практику проектирования систем электроснабжения строящихся объектов в условиях . Разработанные математические модели используются на кафедре электроснабжения промышленных предприятий МГТУ им. при чтении специального курса «Переходные процессы в системах электроснабжения».

Экономический эффект внедрения результатов работы обеспечивает повышение на 10% выработки электроэнергии генераторами собственных электростанций, и составляет в денежном выражении более 40 млн. руб. в год.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается научно-обоснованной постановкой задачи и корректным применением современных методов математического моделирования в управляемых электротехнических системах и подтверждается результатами выполненных расчётов, а также достаточно малым расхождением результатов моделирования с результатами экспериментальных исследований на действующем оборудовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обоснование использования СТАТКОМа в системе внутризаводского электроснабжения как наиболее эффективного средства повышения устойчивости синхронных генераторов.

2. Математическая модель статического компенсатора, представленная в матричной форме, и позволяющая проводить исследования статических и динамических режимов при различных изменениях питающего напряжения (отклонения, колебания, несимметрия).

3. Имитационная модель электротехнического комплекса, состоящего из синхронного генератора с системой АРВ и статического компенсатора с векторной системой управления. Модель позволяет проводить полномасштабные исследования переходных процессов при различных настройках АРВ, с учётом корректирующих перекрестных связей системы управления компенсатором.

4. Результаты экспериментальных исследований синхронного генератора и статического компенсатора, подтверждающие адекватность разработанных математических моделей физическому объекту.

5. Теоретические исследования эффективности управления переходными процессами в системе внутризаводского электроснабжения с применением быстродействующего статического компенсирующего устройства и тормозного резистора.

6. Технико-экономическое обоснование внедрения предлагаемых компенсирующих устройств, позволяющих повысить устойчивость узла нагрузки и обеспечить наиболее полное использование установленной мощности синхронных генераторов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 68-ой межрегиональной научно-технической конференции (г. Магнитогорск, 2010 г.); I международной научно-практической конференции «Интехмет – 2008» (г. Санкт-Петербург, 2008 г.); II Международной научно-технической конференции по созданию и внедрению корпоративных информационных систем (КИС) на промышленных предприятиях Российской Федерации (г. Магнитогорск, 2007 г.), VI Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (г. Тула, 2010 г.).

Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электротехники и электротехнических систем энергетического факультета ГОУ ВПО «Магнитогорский ГТУ им. » (январь 2011).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 10 печатных трудах, в том числе 3 статьи в изданиях, входящих в перечень, рекомендованный ВАК и защищено патентом РФ на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 104 наименований. Работа изложена на 173 страницах, содержит 108 рисунков, 11 таблиц и 1 приложение.

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований.

В первой главе показана необходимость развития собственной энергетической базы крупных металлургических предприятий. Проведены теоретические исследования динамической устойчивости синхронных генераторов при КЗ. Проанализированы известные способы и устройства, повышающие устойчивость синхронных генераторов. Обоснована целесообразность использования СТАТКОМов для повышения устойчивости и производительности собственных генераторов.

Показано, что наличие собственных источников электроэнергии повышает надёжность электроснабжения при сбоях в энергосистеме, и обеспечивает максимальную утилизацию вторичных энергетических ресурсов, выделяемых на металлургических предприятиях в результате их основной деятельности. Так, на промышленной площадке ОАО “ММК” успешно используют доменный и коксовый газ.

Наиболее тяжёлые последствия в системах внутризаводского электроснабжения вызывают удалённые трёхфазные КЗ, на которые приходится более половины всех аварий на стороне 6-10 кВ. Трёхфазное короткое замыкание в большинстве случаев приводит к значительному ухудшению качества напряжения, вызывает снижение выдаваемой мощности и отключение генератора от параллельной работы.

Активная мощность, поступающая от синхронного генератора в приемную сеть (рис. 1,а), определяется как:

,

где xрез = xГ + xТ + xЛ – результирующее сопротивление генератора, трансформатора ТР и линии Л; δ – угол между вектором ЭДС генератора и вектором напряжения сети; Uc – напряжение сети С; EГ – ЭДС генератора.

При КЗ в электрической сети (на рис. 1,а показана точка К) вследствие глубокого снижения напряжения происходит внезапное и резкое уменьшение электрической мощности синхронного генератора СГ. В нормальных условиях режим передаваемой мощности определяется точкой 1 на синусоиде I (рис. 1,б) и характеризуется углом δ0. В момент короткого замыкания происходит сброс электрической мощности и рабочая точка переместится в точку 2 на кривой II.

При возникновении КЗ мощность, развиваемая турбиной Т, остается практически неизменной из-за значительной инерционности. В результате нарушения равновесия между Рэл и РТ возникает избыточная мощность турбины ΔРТ, под воздействием которой происходит ускорение ротора агрегата

Рис. 1. Схема электропередачи (а) и

характеристики Pэл = f(δ) для нормального и аварийного режимов (б)

и увеличение угла δ. За время до отключения КЗ угол δ успевает увеличиться до значения, равного δ1 (рис. 1,б), а ротор – накопить кинетическую энергию, величина которой пропорциональна площадке Sy, называемой площадкой ускорения.

В момент отключения КЗ (точка 3) электрическая мощность возрастает и становится больше мощности турбины, на диаграмме рис. 1,б точка 4. С этого момента начинается процесс торможения ротора, который продолжается до тех пор, пока не будет полностью израсходована запасенная ротором кинетическая энергия. Этот процесс характеризуется площадкой Sт, которая называется площадкой

торможения. Если кинетическая энергия ротора будет израсходована при углах δ, при которых Рэл > РТ, т. е. до точки 5 и угла δ2 на рис. 1,б, то генератор останется в синхронизме и динамическая устойчивость будет сохранена. Условием сохранения динамической устойчивости является Sт > Sy. При невыполнении этого условия генератор выйдет из синхронизма. Для повышения устойчивости необходимо либо увеличить площадь торможения, либо уменьшить площадь ускорения. Уменьшение площади ускорения возможно за счёт увеличения ЭДС генератора, увеличения напряжения во время КЗ и с помощью электрического торможения.

Для поддержания напряжения с требуемой точностью и повышения устойчивости широко используются АРВ. Известны способы регулирования возбуждения за счет введения дополнительных сигналов: производной напряжения генератора dUГ/dt, изменения частоты сети Δf (изменения скорости ротора Δω), первой производной угла δ dδ/dt, изменения ускоряющей мощности ΔP. Показано, что значительная инерционность контура возбуждения и ограниченный запас по напряжению тиристорного возбудителя не позволяют добиться положительных результатов в существующих системах внутризаводского электроснабжения.

Другим средством повышения устойчивости синхронных генераторов является применение дополнительных устройств: конденсаторных батарей с тиристорными ключами (рис. 2,а), тормозных резисторов (рис. 2,б). Подключение конденсаторной батареи или тормозного резистора происходит при dδ/dt > 0. Для реализации этого алгоритма управления необходимо определять производную угла сдвига ротора синхронного генератора, что связанно с известными трудностями.

Рис. 2. Схемы подключения конденсаторной батареи (а) и тормозного резистора (б)

Способ основанный на подключении конденсаторных батарей малоэффективен при значительных просадках напряжения, так как при этом реактивная мощность конденсаторных батарей уменьшается пропорционально квадрату напряжения (Qкб ≡ U2).

Электрическое торможение с помощью дополнительных резисторов, подключаемых к шинам электростанций, является достаточно простым способом повышения устойчивости синхронных генераторов. В известных способах электрическое торможение происходит после КЗ, что не достаточно эффективно, так как запас кинетической энергии происходит на выбеге ротора генератора именно в момент короткого замыкания. В работе сделан вывод, что тормозной резистор необходимо подключать непосредственно на шины генератора и в момент возникновения КЗ, что уменьшает выбег ротора и повышается демпфируемость колебаний.

Показано, что дополнительные устройства и технические решения не могут обеспечить достаточной надёжности собственных генераторов при КЗ в системе внутризаводского электроснабжения. В таких условиях быстродействующий статический компенсатор является радикальным средством, позволяющим решить все вышеперечисленные проблемы в комплексе, а именно: повысить устойчивость синхронных генераторов собственных станций; обеспечить приемлемое качество электроэнергии в точке присоединения; повысить выработку активной мощности синхронных генераторов за счёт повышения коэффициента мощности.

Вторая глава посвящена описанию принципа работы и разработке математической модели СТАТКОМа с системой векторного управления.

Статический компенсатор реактивной мощности представляет собой быстродействующий автономный инвертор напряжения с накопительным конденсатором C в звене постоянного тока, присоединенный через трёхфазный реактор L к сети переменного тока (рис. 3,а). Принцип работы рассматриваемого устройства подобен синхронному компенсатору и может быть объяснён с помощью векторных диаграмм, приведенных на рис. 3,б и рис. 3,в. Пусть напряжения Uсети и Uстат имеют одинаковую фазу, индуктивность L идеальна и не имеет активного сопротивления R, а потерями в автономном инверторе пренебрегаем. Если изменять соотношения между величинами напряжений Uсети и Uстат, то автономный инвертор может быть либо потребителем, либо источником реактивной мощности. При Uсети>Uстат (рис. 3,б) ток Iстат отстаёт по фазе от напряжения Uсети, поэтому автономный инвертор потребляет реактивную мощность из сети. При Uсети

Источник