СИСТЕМА СТАТИЧЕСКОГО ВОЗБУДИТЕЛЯ ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
SYSTEM OF STATIC EXITER FOR GENERATOR AND METHOD OF ITS OPERATION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к генераторной технике. Оно относится, в частности, к системе статического возбудителя, как заявлено во вводной части п.1 формулы изобретения, и к способу работы такой системы возбудителя.
Уровень техники
f
Системы статического возбудителя, предназначенные для питания обмотки возбуждения генератора, получили широкое распространение. Они отличаются своей надежностью и коротким временем отклика. Система статического возбудителя известного типа показана на фиг.1. Система 10 статического возбудителя по фиг.1 соединена с генератором 16, который соединен с объединенной энергосистемой (не показана на фиг.1) через (3-х фазную) шину 19 и электромеханический трансформатор 11. Система 10 статического возбудителя используется для питания обмотки 17 возбуждения генератора 16 и содержит трансформатор 12 возбуждения, который соединен с шиной 19 и выходное переменное напряжение которого преобразуется в постоянное напряжение с помощью тиристорного моста 18, в котором установлены тиристоры 21. Тиристоры 21 в тиристорном мосте 18 являются управляемыми и, таким образом, величиной напряжения постоянного тока управляют с помощью автоматического регулятора 14 напряжения (АРН, AVR) на основе напряжения генератора, под которым находится шина 19, напряжение отводят с помощью трансформатора 13 напряжения и тока, протекающего в устройстве 10 возбуждения и измеряемого трансформатором 15 тока. Постоянное напряжение, формируемое тиристорным мостом 18, управляет током I возбуждения, протекающим через обмотку 17 возбуждения.
f
fmax
Отклик системы 10 возбуждения увеличивают путем установки выходного напряжения трансформатора 12 возбуждения большим, чем номинальный уровень, что позволяет получить необходимый градиент тока dI/dt (время отклика) и необходимое максимальное значение I (непродолжительное увеличение реактивной составляющей тока) путем временного перехода на двухполупериодное управление тиристорным мостом 18. Соответствующий предельный коэффициент, то есть отношение максимального напряжения возбуждения к номинальному напряжению возбуждения, находится в диапазоне от 1,5 до 2,0, предельное значение такой величины обычно является нормальным для работы с нормальным возбуждением в системе электропотребления.
Несмотря на такую избыточность параметров, в обычных системах статического возбудителя возникают проблемы по следующим причинам: при нарушении работы системы электросети часто возникают короткие замыкания в линиях передачи. Короткие замыкания такого рода снижают напряжение в относительно ограниченной части системы электроснабжения и в расположенных рядом с ними электростанциях. Поскольку трансформатор возбудителя запитан от шины генератора, в него также поступает пониженное напряжение. Если происходит успешное автоматическое повторное включение (в условиях короткого замыкания цепи) в пределах заданного временного окна, может произойти автоматическое повторное подключение к системе энергоснабжения. Для гарантирования стабильности системы генератора / энергоснабжения после повторного подключения было бы желательно ввести короткий выброс реактивной составляющей в возвратную систему энергоснабжения. Это требует, чтобы генератор был в состоянии переходить в сверхвозбуждение. Однако такое состояние может быть достигнуто только частично, поскольку напряжение, которое остается во время короткозамкнутого состояния цепи и в короткий период после этого, не позволяет осуществить короткий выброс тока возбуждения. Даже предусмотренный предельный коэффициент не позволяет гарантировать адекватное возбуждение во всех обстоятельствах в течение этого периода времени.
В документе US-А-3,818,317 описано последовательное питание от напряжения на конденсаторе в цепи аналогового сигнала системы возбудителя. Такое питание инициируется с помощью реле понижения напряжения, которое отслеживает напряжение генератора. Сигнал, модифицированный таким образом, подают на вход автоматического регулятора напряжения (АРН). Короткое увеличение мощности в цепи возбуждения путем запитки от дополнительного источника энергии не упомянуто.
В публикации US-B1-6,339,316 описан, с одной стороны, источник бесперебойного питания, построенный на основе конденсатора, на стороне переменного напряжения цепи питания возбудителя (фигуры 1-4), и, с другой стороны, конденсатор, который заряжается постоянным током и подключен параллельно линии питания обмотки возбуждения (фигуры 5-8). В обеих компоновках оказывается существенным отрицательное влияние на готовность генератора, поскольку происходит полный отказ возбуждения, когда происходит отказ одного из описанных элементов в этой компоновке. Для подключения конденсатора к обмотке возбуждения используется полупроводниковый переключатель для коммутации тока от тиристора 10 и обратно к тиристору 10. Это может привести к возникновению выбросов напряжения и к неисправностям или повреждению тиристоров или обмотки возбуждения генератора.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения состоит в создании системы статического возбудителя с возможностью кратковременного увеличения возбуждения ("усиление возбуждения"), в которой исключены недостатки известных систем возбудителя и которая отличается высокой функциональной надежностью, имеет простую конструкцию, занимающую мало места. Другим объектом изобретения является способ работы системы.
Эта цель полностью достигается с использованием признаков пунктов 1 и 14-19 формулы изобретения. Сущность изобретения состоит в том, что в системе статического возбудителя содержится второе средство для подачи электрической энергии, причем это второе средство подает дополнительную энергию в цепь возбудителя в течение короткого периода времени, когда это требуется, при этом в цепь возбудителя включен диод с прямым смещением, а второе средство может быть подключено к диоду в направлении обратного смещения для подачи энергии в цепь возбудителя.
Одно из улучшений системы в соответствии с изобретением характеризуется тем, что первое средство содержит трансформатор возбудителя, который подключен к шине генератора, и схему выпрямителя, которая подключена к выходу трансформатора возбудителя, при этом схема выпрямителя представляет собой схему управляемого выпрямителя, в частности тиристорный мост, причем для управления схемой выпрямителя или тиристорным мостом предусмотрен автоматический регулятор напряжения, при этом автоматический регулятор напряжения подключен на входной стороне через трансформатор напряжения к шине генератора, причем второе средство может быть подключено к диоду с помощью переключателя, переключатель представляет собой полупроводниковый переключатель, в частности тиристор (Th), или отключаемый полупроводниковый переключатель, в частности ЗТВ или БТИЗ, переключатель может работать на основе напряжения генератора и/или установленного значения автоматического регулятора напряжения.
Система возбудителя не обязательно должна быть соединена с шиной генератора. Например, она также может быть подключена к внутреннему источнику питания электростанции. Поскольку, в конечном счете, она также соединена с системой электроснабжения, к ней относятся те же пояснения.
Дополнительное улучшение изобретения характеризуется тем, что второе средство сформировано с использованием заряжаемой емкости, в частности, емкость содержит один конденсатор или множество конденсаторов, которые подключены последовательно. При этом обеспечивается особая гибкость подачи энергии конденсатора в цепь возбудителя, если емкость содержит множество конденсаторов, которые могут быть подключены к диоду независимо друг от друга, с помощью подходящих переключателей.
Предпочтительно, для экономии места, обеспечения плотности энергии, высокой надежности и снижения затрат на установку, чтобы конденсатор или конденсаторы были в форме ультраконденсаторов или суперконденсаторов, имеющих удельную плотность энергии 1-10 Втч/кг.
В качестве примера, для заряда емкости или конденсаторов предусмотрен модуль заряда.
Если предполагается управлять кратковременным усилением возбуждения из центра, предпочтительно, чтобы переключатель для подключения второго средства мог бы управляться через приемник с помощью сигнала, передаваемого по проводу, или радиосигнала.
Краткое описание чертежей
Изобретение более подробно поясняется в следующем тексте со ссылкой на примеры вариантов его выполнения и совместно с чертежами, на которых:
на фиг.1 показана упрощенная схема системы статического возбудителя в соответствии с предшествующим уровнем техники;
на фиг.2 показана упрощенная схема системы статического возбудителя в соответствии с первым примерным вариантом выполнения изобретения, в которой емкость используется как источник энергии, который может быть подключен через переключатель в направлении обратного смещения к диоду в цепи возбудителя;
f
f
c
C
D
ON
на фиг.3 показаны примеры форм колебаний напряжения (U) возбуждения, тока (I) возбуждения, напряжения (U) конденсатора, тока (I) конденсатора и тока (I) диода после подключения емкости (t) и пока емкость (t') полностью не разрядится;
f
f
c
с
D
ON
OFF
на фиг.4 представлена иллюстрация для сравнения с фигурой 3, на которой показаны примеры форм колебаний напряжения (U) возбуждения, тока (I) возбуждения, напряжения (U) конденсатора, тока (I) конденсатора и тока (I) диода после подключения емкости (t) и пока не произойдет преждевременное отключение емкости (t);
на фиг.5 показаны другие примеры вариантов выполнения изобретения, в которых резистор, подключенный параллельно диоду, позволяет формировать отрицательный ток возбуждения и/или изменять время разряда емкости, причем емкость содержит отдельные конденсаторы, соединенные последовательно, и в качестве переключателей использованы разные полупроводниковые переключатели (тиристоры, GTO, БТИЗ);
на фиг.6 показаны подключенные параллельно конденсаторы, которые могут быть подключены независимо, для получения последовательной кривой разряда; и
на фиг.7 показан вариант схемы, представленной на фиг.6.
Осуществление изобретения
f
На фиг.2 показана упрощенная схема системы статического возбудителя в соответствии с первым примерным вариантом выполнения изобретения. Она также построена на основе генератора 16 с обмоткой 17 возбуждения, которая подключена к системе энергоснабжения через шину 19 и электромеханический трансформатор 11. В обмотку возбуждения подают ток I возбуждения от системы 20 статического возбудителя, которая, по существу, содержит трансформатор 12 возбудителя, после которого включен тиристорный мост 18, в котором используются тиристоры 21. Тиристорный мост 18 управляется с помощью автоматического регулятора 14 напряжения (АРН), который принимает в качестве входных переменных, с одной стороны, через трансформатор 13 напряжения напряжение генератора, приложенное к шине 19, и, с другой стороны, через трансформатор 15 тока ток, протекающий в системе возбудителя. С выходной стороны тиристорный мост 18 соединен с обмоткой 17 возбуждения и вместе с ней формирует цепь возбудителя.
Диод 22 включен в направлении прямого смещения в цепь возбудителя. Заряжаемая емкость 23 может быть подключена параллельно диоду 22 с помощью переключателя 24, при этом емкость 23 подключается в направлении обратного смещения диода 22. Емкость 23 может заряжаться через модуль 25 заряда, подключенный к ней. Управление переключателем 24 может осуществляться различными способами, как обозначено различными пунктирными линиями на фиг.2.
f
co
c
f
ON
D
f
f
c
c
Во время нормальной работы через диод 22 протекает ток I возбуждения, протекающий как постоянный ток и который не оказывает какого-либо влияния на работу цепи возбудителя. В емкости 23, которая, например, сформирована из так называемых ультраконденсаторов или суперконденсаторов, поддерживают заданное напряжение U конденсатора с помощью модуля 25 заряда. Полярность заряда конденсатора соответствует направлению обратного смещения диода 22. Когда переключатель 24 замыкают, напряжение U конденсатора дополнительно подключается последовательно напряжению, поступающему из тиристорного моста 18, в результате чего в сумме получается значительно более высокое напряжение U возбуждения, прикладываемое к обмотке 17 возбуждения (момент времени t на фиг.3). Одновременно с этим происходит обратное смещение диода 22 и ток Iдиода (штрихпунктирная линия на фиг.3) падает до нуля. В следующем тексте для простоты предполагается, что поддерживается постоянный (фиксированный) угол управления тиристорного моста 18. В результате увеличения напряжения U возбуждения ток I возбуждения начинает расти с задержкой, вводимой индуктивностью обмотки 17 возбуждения. Замыкание переключателя 24 может быть инициировано падением напряжения на трансформаторе 13 напряжения ниже заданного предельного значения (пунктирное соединение (а) на фиг.2). Это позволяет увеличить подачу энергии в возбудитель благодаря энергии, запасенной в емкости 23 при падении напряжения в системе энергоснабжения. Пока энергия подается в цепь возбудителя, емкость 23 постоянно разряжается (напряжение U конденсатора падает, как показано на фиг.3) до тех пор, пока напряжение U конденсатора не станет равным нулю (момент времени t' на фиг.3). Диод 22 затем снова начинает проводить ток и поддерживается нормальная подача энергии в возбудитель.
Работа АРН может продолжаться без изменений. Дополнительная подача энергии от конденсатора дополнительно обрабатывается путем детектирования тока возбудителя, которое всегда выполняется АРН.
ON
Требуемый сдвиг напряжения обеспечивается путем предварительного заряда емкости. Напряжение заряда может быть больше до двух или больше раз, в частности до 3 или больше раз, номинального значения напряжения возбудителя. Требуемая длительность поддержки устанавливается путем регулирования значения емкости. Установленное время поддержки (t'-t) изменяется в диапазоне 1-20 с.
TM
Как уже было указано выше, для формирования емкости 23 используются, например, ультраконденсаторы или суперконденсаторы, такие как конденсаторы с обозначением типа BOOSTCAP, поставляемые компанией Maxwell Technologies, или с обозначением ВСА0010 или РС2500. Ультраконденсаторы, такие как конденсаторы, имеющие емкость, например, 2600 или 2700 Ф при номинальном напряжении 2,5 В, обладают рядом преимуществ: они на 100% не требуют технического обслуживания. Они имеют отличные возможности по накоплению мощности и энергии (в 10 раз лучше, чем у электролитических конденсаторов). Даже если произойдет отказ конденсатора, что чрезвычайно маловероятно, последствия этого могут быть весьма незначительными благодаря модульной конструкции, в которой используются отдельные конденсаторы 29, соединенные последовательно (см. фигуру 5). Размер и количество конденсаторов определяются в соответствии с требованием сдвига напряжения и времени поддержки.
В качестве примера, установленный диод 22 представляет собой диод дискового типа. При его отказе происходит внутреннее замыкание диода, которое не влияет на работу системы возбудителя. Переключатель 24 может быть снабжен плавким предохранителем, подключенным последовательно с ним, для обеспечения защиты от подключения к дефектному диоду.
Отключения электропитания, происходящие в последнее время, показали, что отсутствует возможность краткосрочной подачи повышенной реактивной составляющей в обычно перегруженную систему электроснабжения. Широко используемое статическое возбуждение с автоматическим регулятором напряжения АРН от шины генератора - падение напряжения, которое обязательно следует за падением напряжения в системе энергоснабжения, не позволяет сформировать краткосрочное увеличение возбуждения в критической ситуации так, как описано выше. Однако система статического возбудителя в соответствии с изобретением позволяет просто без каких-либо проблем обеспечить краткосрочное питание с использованием запасенной энергии. Конечно, в течение указанного периода следует предпринять меры по уменьшению нагрузки на систему энергоснабжения. Меры такого рода включают в себя, например, отключение нагрузки, отключение системы энергоснабжения и подключение запасных генераторов.
Дополнительное питание с использованием емкости системы статического возбудителя в соответствии с изобретением имеет следующие характеристики и преимущества:
- оно не оказывает отрицательного влияния на высокую эффективность возбудителя;
- оно не оказывает влияния на хорошую надежность возбудителя, даже если диод 22 и дополнительное питание будут работать неправильно;
- оно не влияет на нагрузку по напряжению тиристорного моста;
- оно не влияет на работу автоматического регулятора напряжения, соединение инициируется независимо;
- оно может быть сформировано в виде модульной конструкции из стандартных компонентов для простого обеспечения максимального дополнительного тока (тока усиления) и постоянной времени;
- дополнительное напряжение представляет собой чисто понижающееся постоянное напряжение без каких-либо выбросов возбуждения; в связи с этим обеспечивается только незначительная дополнительная нагрузка по напряжению в обмотке возбуждения во время фазы подключения;
- конструкция является простой и занимает только небольшое пространство;
- ультраконденсаторы, используемые в качестве примера, всегда относительно надежны и стоят относительно немного по сравнению с их значимостью в автомобильной промышленности;
- если это устройство изолировано с малой емкостью относительно земли, не оказывается влияние на напряжения на концах вала;
- оно представляет собой простой и надежный набор, позволяющий обеспечить модернизацию существующих установок.
Как уже было указано выше, переключатель 24, который подключает емкость 23 к диоду 22, может быть инициирован при понижении напряжения на выходе генератора (пунктирная линия (а) на фиг.2). Однако также возможно инициировать переключатель с использованием комбинации сигнала пониженного напряжения и установленного значения автоматического регулятора 14 напряжения (пунктирные соединения (а) и (b) на фиг.2). Кроме того, возможно увеличить степень возбуждения при нормальной работе путем подключения емкости 23. Инициирование затем происходит с использованием установленного значения автоматического регулятора 14 напряжения (пунктирное соединение (b) на фиг.2). Наконец, возможно подключить емкость 23 с помощью сигнала, передаваемого из центра управления, осуществляющего мониторинг системы энергоснабжения, в случае пониженного напряжения или дополнительных требований к реактивной составляющей и который может быть принят, например, как радиосигнал через антенну 27 с помощью приемника 26 (фиг.2).
Как представлено на фиг.5, емкость 23 может быть сформирована с использованием последовательного и/или параллельного соединения отдельных конденсаторов 29, например в форме ультраконденсаторов. Последовательное соединение конденсаторов 29 в этом случае может быть дополнено пассивным средством балансировки (резисторы 30 на фиг.5) или, в другом случае, с использованием активного средства балансировки. Кроме того, когда генератор не работает или когда открывают двери шкафа, в котором установлена емкость 23, может происходить безопасная разрядка конденсаторов. Наконец, модульные батареи конденсаторов могут быть соединены между собой для получения длительности разрядки более 10 секунд в зависимости от требований пользователей. Ее можно даже увеличить до такого значения, чтобы при уменьшении напряжения на трансформаторе 12 возбудителя благодаря подключению емкости 23 выполнялась нормальная работа на предельном уровне.
f.
OFF
Если, как показано на фиг.5, резистор 28 подключен параллельно диоду 22, это, с одной стороны, позволяет получить отрицательный ток I возбуждения. Это позволяет использовать системы возбудителя, имеющие мосты, соединенные с взаимной нагрузкой, для получения, в частности, отрицательного тока возбуждения. С другой стороны, резистор 28, который включен параллельно, когда подключают емкость 23, позволяет регулировать и устанавливать постоянную времени разряда. Значение сопротивления изменяется на величину того же порядка, что и значение сопротивления обмотки 17 возбуждения. В качестве переключателей 24 можно использовать тиристоры (Th), ЗТ (GТО, запираемые тиристоры) или БТИЗ (IGBT, биполярные транзисторы с изолированным затвором) (фиг.5). Обычный тиристор (Th) позволяет обеспечить только полный разряд емкости, поскольку ток должен пройти через ноль для отключения тиристора. ТЗВ или БТИЗ (которые можно отключать) позволяют прерывать подачу запасенной энергии в цепь возбуждения в любой требуемый момент времени (t на фиг.4).
Как показано на фиг.6, множество конденсаторов C1,…, C3 с разной емкостью и напряжением зарядки могут быть установлены в качестве емкости 23 таким образом, чтобы их можно было подключать по отдельности с использованием соответствующих переключателей на основе БТИЗ Т1,…, ТЗ. Например, они могут быть подключены последовательно и/или одновременно с наложением по времени с тем, чтобы таким образом получать заданную форму колебаний тока возбуждения. Диоды Dl,…, D3 защищают БТИЗ Т1,…, ТЗ от обратных напряжений.
В качестве одного примера предусмотрен конденсатор C1 с малой емкостью и высоким напряжением зарядки, конденсаторы С2 и C3, которые имеют бóльшую емкость и меньшее напряжение зарядки. Эта комбинация позволяет обеспечить быстрый рост тока возбуждения с длительным временем его поддержания. Конденсатор C1, например, может быть сформирован из пленочных или электролитических конденсаторов, при этом конденсатор С2 и конденсатор C3 сформированы из суперконденсаторов. В описываемом примере все БТИЗ также можно включать одновременно; при этом уменьшение тока происходит автоматически. При этом на фиг.7 показан вариант упрощенной цепи. Конденсатор C1 имеет высокое напряжение зарядки и малую емкость, конденсатор С2 имеет малое напряжение зарядки и большую емкость. Два конденсатора соединены через диоды D1 и D2, включенные последовательно, с общим переключателем, в данном случае представленным БТИЗ Т.
Изоляция дополнительной цепи, содержащей диод 22, емкость 23 и модуль 25 зарядки, имеет тот же уровень, что и изоляция цепи возбуждения. Предпочтительно конструкция выполнена таким образом, что обеспечивается малая емкость относительно земли.
Двухполюсные механические переключатели постоянного тока позволяют отключать конденсаторы 29 емкости 23 от диода 22 и, таким образом, от цепи возбудителя. Это позволяет проводить техническое обслуживание в дополнительной цепи во время нормальной работы генератора. Переключатели такого рода позволяют также заменить полупроводниковые переключатели (Th, ЗТВ, БТИЗ).
Питание модуля 25 зарядки может быть обеспечено от вспомогательной системы питания постоянного или переменного тока электростанции или от трансформатора 12 возбудителя генератора 16. Основываясь на следующем примере конструкции, энергия зарядки для генератора мощностью 300 МВА составляет приблизительно 1,5 кВт за один час. Для сложных систем энергоснабжения (часто повторяющиеся возмущения) также может быть предусмотрен модуль зарядки с большим током, который позволяет быстрее перезаряжать емкость 23.
TM
Система возбудителя для генератора, имеющего мощность 300 МВА, разработана следующим образом, используется ультраконденсатор BOOSTCAP емкостью 2600 Ф, используемый как отдельный конденсатор 29, с номинальным напряжением 2,5 В и внутренним сопротивлением 1 мОм (предполагая, что угол управления остается постоянным):
Переменная
Ток I<sub>f</sub> возбуждения (номинальное значение)
1500 А
Напряжение U<sub>f</sub> возбуждения (номинальное значение)
350 В
Сопротивление R<sub>f</sub> возбуждения
0,23 Ом
Индуктивность L<sub>f</sub> возбуждения
0,2 Гн
Напряжение U<sub>co</sub> на конденсаторе
500 В
Емкость С
30 Ф
Количество конденсаторов, подключенных последовательно
250
Количество параллельных ответвлений
3
Общее количество конденсаторов 29
750
Максимальное время разряда (t'-t<sub>ON</sub>)
≈4 с
Максимальный ток I<sub>f</sub> возбуждения
2400 А
В качестве примера, в качестве диода 22 можно использовать диод типа 5SDD 60Q2800 производства компании ABB. В соответствии с фиг.5 в качестве переключателя 24 можно использовать либо тиристор типа 5STP 45Q2800 компании ABB, или ЗТВ типа FG600AU120D производства компании Mitsubishi Electric или БТИЗ типа FZ3600R17KE3 производства компании Eupec. При этом требуется использовать только один компонент в любом случае, даже в рассматриваемой здесь обобщенной конструкции.
На фиг.7 показан вариант цепи, представленной на фиг.6, в которой два разных конденсатора (Cl, C2) подключены через общий переключатель или БТИЗ (Т).
Список ссылочных позиций
10, 20
Система статического возбудителя
11
Электромеханический трансформатор
12
Трансформатор возбудителя
13
Трансформатор напряжения
14
Автоматический регулятор напряжения (АРН)
15
Трансформатор тока
16
Генератор
17
Обмотка возбуждения
18
Тиристорный мост
19
Шина (генератор)
21
Тиристор
22
Диод
23
Емкость
24
Переключатель
25
Модуль зарядки
26
Приемник
27
Антенна
28, 30
Резистор
29
Конденсатор
С1, С2, С3
Конденсатор
D1, D2, D3
Диод
I<sub>f</sub>
Ток возбуждения
I<sub>c</sub>
Ток конденсатора
i<sub>D</sub>
Ток диода
U<sub>f</sub>
Напряжение возбуждения
U<sub>c</sub>
Напряжение на конденсаторе
Т, Т1, Т2, Т3
БТИЗ
Th
Тиристор