Повышение эффективности управления возбуждением генераторов при больших возмущениях в электроэнергетической системе

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИК

I

УДК 621.313.01.1/3:621.311

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ ГЕНЕРАТОРОВ ПРИ БОЛЬШИХ ВОЗМУЩЕНИЯХ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

Ю.В. ШАРОВ, О.Н. ЗЕЛЕНОХАТ Московский энергетический институт

В работе рассматривается синтез алгоритмов управления возбуждением синхронных генераторов в электроэнергетической системе с использованием подхода, в основу которого положено условие адекватности демпферным моментам составляющей электромагнитного момента, зависящей от управляющих воздействий.

В течение многих лет повышенный интерес проявляется к проблеме управления электромеханическими переходными процессами при больших возмущениях в электроэнергетических системах и использованию для ее решения синхронных генераторов на электростанциях. Достаточно высокое быстродействие современных автоматических регуляторов возбуждения (АРВ), и тем более выполняемых на микропроцессорной основе, позволяет достаточно эффективно демпфировать электромеханические переходные процессы в ЭЭС, обусловленные взаимными качаниями роторов синхронных генераторов даже после больших возмущений в системе, включая и наиболее тяжелые короткие замыкания. Однако требуемая высокая эффективность действия АРВ не во всех возможных режимных ситуациях гарантирована.

В зависимости от степени загрузки энергоагрегатов в исходном режиме, наличия значительной местной нагрузки на электростанциях, а также при работе на выделенный район ЭЭС с собственной генерацией активной мощности могут возникать слабозатухающие качания роторов генераторов и даже их раскачивание с выходом из синхронизма [1].

Так, например, в последние годы в ОЭС Северо-Запада неоднократно в течение нескольких минут наблюдались незатухающие электромеханические колебания, но после изменения загрузки энергоагрегатов и снижения перетоков мощности по межсистемным связям эти колебания исчезли. Известны и такие случаи, когда возникновение электромеханических колебаний не было вызвано какими-либо коммутационными воздействиями в электрической сети или резким изменением режима и через несколько минут без каких-либо дополнительных мероприятий со стороны диспетчерского управления прекращалось.

Для предотвращения таких опасных для ЭЭС явлений, как слабозатухающие качания роторов, приходится вводить ограничения на осуществимость ряда эксплуатационных режимов, в частности ограничивать перетоки мощности по межсистемным связям, применять более совершенные АРВ и тиристорные системы возбуждения.

Для улучшения качества электромеханических переходных процессов в ЭЭС и обеспечения устойчивости работы синхронных генераторов (Г) довольно успешно применяются АРВ сильного действия (АРВсд). Их основу составляет автоматический регулятор напряжения (АРН) с законом регулирования по

© Ю.В. Шаров, О.Н. Зеленохат Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

отклонению напряжения статора генератора AUr = Ur0 - Ur , где UГ0 и Ur -соответственно заданные и текущие значения напряжения, и корректирующие звенья стабилизации или системный стабилизатор (рис. 1). В зарубежной терминологии это AVR в сочетании с системным стабилизатором мощности PSS (Power System Stabilizer). В стабилизаторе PSS обеспечивается формирование дополнительного сигнала к получаемому от AVR. Оба эти сигнала преобразуются в напряжение возбуждения U f и подводятся к обмотке ротора синхронного

генератора.

Рис. 1. Принципиальная схема взаимосвязи синхронного генератора Г, системы возбуждения

Наличием системного стабилизатора обеспечивается создание дополнительных электромагнитных демпферных моментов в генераторе, улучшающих условия затухания качаний его ротора при возмущениях в ЭЭС. Интенсивность такого затухания зависит от выбранных величин коэффициентов усиления по отдельным каналам регулирования АРВ и реализуемых алгоритмов (законов) управления. В отечественных АРВсд в системном стабилизаторе формируется выходной сигнал в функции от отклонения частоты Ь/и статорного напряжения и ее производной &Ь^и / Ж, производной напряжения йиг / & и производной тока возбуждения генератора.

В зарубежных аналогах АРВсд в системном стабилизаторе Р88

используются сигналы по отклонению и по интегралу от активной мощности генератора, либо по отклонению скорости вращения и ускорению его ротора генератора.

Формирование алгоритмов управления для отечественных и зарубежных АРВ осуществлялось исходя из условия их практической реализации

применительно к тому уровню развития элементной базы измерительных и силовых устройств, которым до последнего времени располагала

электроэнергетика. Появление цифровых АРВ второго поколения, создаваемых с применением микропроцессорной техники управления, предопределяет актуальность проблемы синтеза алгоритмов управления переходными процессами в ЭЭС и, в частности, с помощью АРВ. Возникает необходимость в разработке и развитии новых научно обоснованных подходов к синтезу алгоритмов управления возбуждением синхронных генераторов исходя из условия их работы при больших возмущениях в ЭЭС.

В данной статье дается развитие одного из таких подходов, в основу которого положено условие адекватности демпферным моментам

электромагнитных моментов, создаваемых воздействием АРВ [2].

Движение роторов неявнополюсных синхронных генераторов в ЭЭС описывается известной системой дифференциальных уравнений [3]

TJid i /dt = PTi - РЭЛ ’ (« = l,2,- :ln ),

где PTi и РЭл* - соответственно механическая мощность турбины и

электромагнитная мощность генератора; Tj* - постоянная инерции

соответствующего энергоагрегата i; а« - угловая скорость вращения вала энергоагрегата i относительно синхронно (инерциально) вращающейся оси отсчета; t - время.

Электромагнитный переходный процесс в обмотке возбуждения

описывается дифференциальным уравнением

d ,

Е qei = Е qi + Td 0 Eq ,

dt

где Eq - проекция переходной ЭДС на поперечную ось q ротора; Td о -

постоянная времени обмотки возбуждения ротора.

Электромагнитная мощность генератора РЭл« без учета демпферных

моментов определяется по формуле

РЭЛ = Е 2 у ii Sin a «« + fdEiEjy«j sin

« *j

Все обозначения соответствуют общепринятым.

Производная от кинетической энергии взаимного движения роторов

генераторов W по времени t определяется выражением [2]

, . n

dW ¡dt = £

где ш 1э = ші - э есть скорость относительного движения ротора генератора і относительно скорости движения ЭЭС как целого (в виде «эквивалентного генератора»), определяемой по формуле

причем Тдэ - постоянная инерции “эквивалентного генератора” і; Тдэ =^ Тд .

і

Для затухающего переходного процесса ЭЭС характерно убывание энергии

w'.

При решении задачи синтеза алгоритмов управления возбуждением генераторов в переходных режимах целесообразно представлять вынужденную ЭДС генератора в виде двух составляющих:

Е qei = Е qеi + иі,

*

где составляющая Еqei не зависит от управляющего воздействия; uj -

*

управляющее воздействие.

В теории автоматического управления при синтезе алгоритмов управления также обычно исходят из условия неучета запаздывания инерционности отдельных элементов управляющих устройств (АРВ), полагая их постоянные времени равными нулю. Применим такой подход к задаче синтеза алгоритмов управления возбуждением синхронных генераторов в ЭЭС.

На основе выражений (2) и (4) можно записать

d ,

Еqi = Еqei + ui — Тd0i Е qi

* dt

или принимая также, что компенсируется электромагнитная инерционность роторной цепи генератора введением, например, жесткой отрицательной обратной связи по току ротора [4], при синтезе алгоритмов управления и только, можно считать Т d о i = 0 и записать (5) в виде

Eqi = Eqi + ui .

*

Подстановка этого выражения в (3) дает n n n

dW Idt = £ Pji Ш ІЭ - £ Pэлi ш iЭ - X ^РЭЛ1 (и)ш iЭ,

где выделена составляющая Рэлг , не зависящая явно от управляющего

*

воздействия Ы1 .

Для обеспечения рассеяния энергии взаимных качаний роторов генераторов ЭЭС необходимо за счет управления возбуждением создавать эффект действия диссипативных сил, то есть чтобы выполнялось равенство

X ^РЭЛ1

г ¿

где кц = к г , кгэ - коэффициенты.

Равенство (7) будет выполняться и при задании условия, что

составляющая электромагнитного момента кгэ ¿э на каждом генераторе г создается посредством приложения только к нему управляющего воздействия иг. В этом случае можно записать

АРэЛг

(г = ).

Влиянием всех остальных управляющих воздействий uj на генератор i пренебрегаем (иj = 0) и, следовательно, имеет место равенство Eqj = Eqj . На

*

основе выражений (2) и (8) с учетом (4) и (6), имеем

( -2UiEqi )yü sinаtí -Ui YtEqiyü sin( -aj )+ ¿э = °.

j*¿

Решение этого уравнения представим в форме

u¿ = ^b±^b2 -4ac)/2a,

n í \

где обозначено a = a¿ = yü sin a ¿¿ ; b = 2 Eq¿a¿ +£ Eqiy¿j sin ( - aij );

j* ¿

С = к,эШ ¿Э .

Практическая реализация алгоритма управления возбуждением в виде (9) крайне затруднена, так как здесь используется информация об узлах сдвига роторов генераторов и их производных и об изменениях собственных и взаимных проводимостей схемы замещения ЭЭС. Необходимы упрощающие допущения. При работе генератора на шины бесконечной мощности (U = const) выражение (9) упрощается:

и1 = Е q 1к ГО 12 to 12 / P1 ,

где P1 = Е q 1UV12 sin 512 .

Для устранения скачкообразного изменения управляющего воздействия при приближении угла 512 к нулю, когда (P1 ^ 0) целесообразно плавно

уменьшать абсолютное значение составляющей ДР(н) вплоть до нуля, то есть формировать управляющее воздействие и , например, по алгоритму

и = P1к to 12 to 12.

При таком управлении устраняются скачкообразные изменения напряжения возбуждения, и тем самым предотвращается возможность самораскачивания роторов генераторов при малой загрузке их активной мощностью.

При большой загрузке генераторов, когда изменения угла сдвига ротора генератора происходят без изменения их знака, становится также достаточно эффективным управление по алгоритму

и i = к to 12 to ¿Э.

На рис. 3 и 4 представлены графики изменения углов 5/э для трехмашинной ЭЭС (рис. 2) при резком возмущении ее режима в виде короткого замыкания (трехфазное КЗ в точке К). При выполнении расчетов переходных процессов на всех генераторах управление возбуждением осуществлялось в соответствии с алгоритмом (9), а также при отсутствии управления (рис. 4) и упрощенно учитывалось действие регуляторов частоты

© Проблемы энергетики, 2007, № 7-8

вращения вала турбины. Жесткая отрицательная обратная связь по току ротора при расчетах не учитывалась.

Рис. 2. Схема исследуемой энергосистемы

Рис. 3. Графики изменения относительных углов сдвига роторов генераторов

Рис. 4. Графики изменения относительных углов сдвига роторов генераторов (1 - 5]_э , 2 - 52э, 3 - 5зэ ) при отсутствии управления

Влияние естественных демпферных моментов типа P^s, обусловленных свойствами синхронных машин переменного тока, работающих со скольжением ротора, при расчетах не учитывалось, чтобы в большей мере отразить эффективность именно рассматриваемых алгоритмов управления АРВ.

Коэффициент форсировки k f = 4. Учтено ограничение Eqe по потолочному

значению E™™ в виде |Eqe| < E¡¡°т.

Анализ кривых 5jg (t) на рис. 3 показывает, что включением в закон формирования ЭДС Eqei составляющей щ в виде (9) обеспечивается интенсивное

затухание качаний роторов генераторов ЭЭС.

Сравнительный анализ кривых на рис. 3 и рис. 4 показывает, что при управлении (9) происходит довольно интенсивное затухание больших качаний роторов генераторов после резкого возмущения режима в ЭЭС.

Эффективность управления определяется не только структурой алгоритмов, но и правильной настройкой, то есть выбором величины коэффициентов усиления kiэ, а также свойствами системы сбора, преобразования и передачи информации. При расчетах на основе анализа качества переходного процесса определялись значения коэффициентов kj-э, близкие к оптимальным.

Выводы

1. Синтезируемые на основе предлагаемого подхода алгоритмы управления возбуждением обеспечивают достаточно эффективное демпфирование взаимных качаний роторов синхронных генераторов после резких возмущений в ЭЭС.

2. В зависимости от конкретных условий работы генератора в ЭЭС структура синтезированных алгоритмов управления может быть существенно упрощена, что облегчает условия их реализации в регуляторах возбуждения.

Summary

Algorithm synthesis of controlling the excitation of synchronous generators in electrical power system are considered under condition of adequacy of damper moments and the component of the generator electromagnetic torque depends on the control actions.

Литература

1. Литкенс И.В., Пуго В.И. Колебательные свойства электрических систем. - М.: Энергоатомиздат. - 1988. - 216 с.

2. Зеленохат Н.И., Шаров Ю.В. Синтез алгоритмов управления возбуждением генераторов в электроэнергетической системе // Вестник МЭИ. -2004. - №4. - С. 50-59.

3. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л.А. Жукова. - М.: Энергия, 1979. - 456с.

4. Зеленохат Н.И. Повышение эффективности управления режимами гибкой межсистемной связи с электромеханической вставкой переменного тока. -М.: Изд. МЭИ // Вестник МЭИ. - 2005. - №3. - С. 66-73.

Поступила 25.12.2006