ЭНЕРГОБЛОК С РЕГУЛИРУЕМЫМИ ЗНАЧЕНИЯМИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, ВЕЛИЧИНЫ И ФАЗЫ НАПРЯЖЕНИЯ
POWER UNIT WITH CONTROLLED REACTIVE POWER, MAGNITUDE AND PHASE OF VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования напряжения и реактивной мощности блоков генерации электростанций.
Известно устройство, содержащее синхронный генератор со статической системой самовозбуждения (И.А. Глебов. Научные основы проектирования систем возбуждения мощных синхронных машин. Л., Изд. «Наука», 1988 г., рис. 6.8, стр. 288), (М.Е. Гольдштейн. Вентильные системы возбуждения синхронных генераторов. Челябинск, Изд. ЮУрГУ, 2001 г., рис. 7, стр. 17) и предназначенное для генерации активной мощности, регулирования генерации или потребления реактивной мощности и регулирования напряжения на выводах устройства, состоящее из синхронного генератора; тиристорного преобразователя, соединенного выводами постоянного напряжения с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а выводами переменного напряжения с вторичной обмоткой трансформатора (источника питания преобразователя), первичная обмотка которого соединена с выводами синхронного генератора; автоматического регулятора (АР) напряжения и реактивной мощности устройства, выход которого соединен с входом системы импульсно-фазового управления преобразователем; датчиков тока синхронного генератора и напряжения синхронного генератора и устройства, выходы которых соединены с соответствующими входами АР.
Недостатки этого устройства следующие. Во-первых, регулирование напряжения и реактивной мощности синхронного генератора тиристорным преобразователем с системой импульсно-фазового управления приводит к тому, что мощность трансформатора, питающего его систему возбуждения, в 3-4 раза превышает активную мощность, расходуемую в обмотке возбуждения в номинальном режиме генератора. Это связано с тем, что при работе устройства в энергосистеме в случаях просадки напряжения на выводах устройства, например, при коротких замыканиях в энергосистеме, для быстрого подъема напряжения на его выводах следует обеспечить нормируемую ГОСТом (обычно не менее 2,5) кратность форсировки по напряжению возбуждения синхронного генератора. При этом в номинальном режиме синхронного генератора угол регулирования преобразователя должен быть больше 60-65 град, эл, что приводит к большому потреблению тиристорным преобразователем реактивной мощности и, как следствие, трех-четырех кратному увеличению мощности трансформатора. Во-вторых, быстродействие изменения напряжения и реактивной мощности устройства сдерживается большой постоянной времени контура возбуждения синхронного генератора (0,5-1,5 сек при работе устройства в энергосистеме) и не всегда достаточно. В-третьих, при изменении тока возбуждения устройства невозможно независимое регулирование его напряжения и реактивной мощности. Это приводит к тому, что увеличение тока в обмотке возбуждения, проводимое для увеличения напряжения устройства, вызывает не только рост напряжения на его выводах, но и увеличивает выдаваемую им реактивную мощность. При этом, так как ряд элементов устройства, например статорные обмотки синхронного генератора, имеют ограничение по величине полного тока, то для снижения величины полного тока до допустимых значений приходится снижать величину активной мощности, выдаваемую устройством.
Наиболее близким по техническим средствам к заявленному изобретению является устройство, содержащее синхронный генератор с диодной системой независимого возбуждения (И.А. Глебов. Системы возбуждения мощных синхронных машин. Л., Изд «Наука», 1979 г., рис. 1.4, стр. 21; М.Е. Гольдштейн. Вентильные системы возбуждения синхронных генераторов. Челябинск, Изд. ЮУрГУ, 2001 г., рис. 13, стр. 23). Такое устройство, предназначенное для генерации активной мощности, регулирования генерации или потребления реактивной мощности и регулирования напряжения на выводах устройства, состоит из синхронного генератора; диодного полупроводникового преобразователя, соединенного выводами постоянного напряжения с обмоткой возбуждения синхронного генератора, а выводами переменного напряжения - с выводами вспомогательного синхронного генератора; тиристорного преобразователя, соединенного выводами постоянного напряжения с обмоткой возбуждения вспомогательного синхронного генератора, а выводами переменного напряжения - с вторичной обмоткой трансформатора (источника питания тиристорного преобразователя), первичная обмотка которого соединена с выводами синхронного генератора; АР напряжения и реактивной мощности энергоблока, выход которого соединен с входом системы импульсно-фазового управления тиристорного преобразователя; датчиков тока и напряжения на выводах устройства, выходы которых соединены с соответствующими входами АР. Так как диодный полупроводниковый преобразователь нерегулируемый, потребляемая им реактивная мощность в номинальном режиме невелика. Поэтому и полная мощность источника питания диодного преобразователя - вспомогательного синхронного генератора, существенно ниже, чем трансформатора - источника питания преобразователя системы самовозбуждения. Кроме того, мощность тиристорного преобразователя системы возбуждения вспомогательного генератора и питающего его трансформатора существенно ниже, чем тиристорного преобразователя системы самовозбуждения генератора.
Недостатки этого устройства следующие. Во-первых, в его состав входит дополнительная вращающаяся машина - вспомогательный генератор, что существенно снижает его надежность и затрудняет эксплуатацию. Во-вторых, быстродействие изменения напряжения и реактивной мощности устройства еще ниже, чем в системе самовозбуждения, так как изменение напряжения сдерживается не только постоянной времени контура возбуждения синхронного генератора, но и дополнительно постоянной времени контура возбуждения вспомогательного генератора. В-третьих, как и в энергоблоке с системой самовозбуждения, при изменении тока возбуждения энергоблока с диодной системой возбуждения невозможно независимое регулирование его напряжения и реактивной мощности. Это также приводит к тому, что увеличение тока в обмотке возбуждения, применяемое для изменения напряжения на вводах устройства, вызывает не только увеличение напряжения на его выводах, но и рост выдаваемой им реактивной мощности. А так как синхронный генератор устройства имеет ограничение по величине полного тока на его выводах, то может возникнуть необходимость снижения величины выдаваемой активной мощности устройства для уменьшения величины полного тока синхронного генератора до допустимых значений.
Технической задачей изобретения является повышение быстродействия изменения напряжения и реактивной мощности устройства, повышение его надежности и увеличение генерируемой им активной мощности.
Указанная техническая задача решается тем, что энергоблок, содержащий синхронный генератор; трансформатор, первичная обмотка высокого напряжения которого подключена к выводам синхронного генератора, а вторичная обмотка - к выводам переменного напряжения диодного полупроводникового преобразователя, выводы постоянного тока которого соединены с обмоткой возбуждения синхронного генератора; автоматический регулятор напряжения и реактивной мощности устройства; датчики тока и напряжения устройства, выходы которых соединены с входами автоматического регулятора; к выводам синхронного генератора подключены начала первичных обмоток сериесного трансформатора, концы первичных обмоток этого трансформатора являются выводами энергоблока, вторичные обмотки сериесного трансформатора соединены с выводами переменного напряжения первого преобразователя напряжения; к выводам устройства через трансформатор подключены выводы переменного напряжения второго преобразователя напряжения, выводы постоянного напряжения которого соединены с однополярными выводами постоянного напряжения первого преобразователя напряжения; один выход автоматического регулятора для регулирования реактивной мощности устройства соединен с входом системы управления второго преобразователя напряжения, а два других выхода сигналов автоматического регулятора для регулирования величины и фазы напряжения на выводах энергоблока - с соответствующими входами системы управления первого преобразователя напряжения.
Сущность изобретения поясняется электрической схемой устройства, приведенной на чертеже.
Отличительными признаками предлагаемого устройства является то, что к выводам синхронного генератора подключены начала первичных обмоток сериесного трансформатора, вторичные обмотки которого соединены с выводами переменного напряжения первого преобразователя напряжения, а к концам первичных обмоток сериесного трансформатора подключены через трансформатор выводы переменного напряжения второго преобразователя напряжения, выводы постоянного напряжения которого соединены с однополярными выводами постоянного напряжения первого преобразователя напряжения, один выход автоматического регулятора для регулирования реактивной мощности устройства соединен с входом управления второго преобразователя напряжения, а два других выхода автоматического регулятора для регулирования величины и фазы напряжения на выводах устройства - с соответствующими входами первого преобразователя напряжения.
Синхронный генератор 1 выполнен с нерегулируемой диодной системой возбуждения и применяется только для генерации активной мощности, т.е. работает в режиме с максимальным коэффициентом мощности (близким к единице). Питание обмотки возбуждения 2 синхронного генератора осуществляется через трансформатор 3, первичная обмотка высокого напряжения которого подключена к выводам синхронного генератора, вторичная обмотка - к выводам переменного напряжения диодного полупроводникового преобразователя 4, выводы постоянного тока которого соединены с обмоткой возбуждения 2. К выводам синхронного генератора 1 подключены начала первичных обмоток сериесного трансформатора 5, концы этих обмоток соединены с выводами 6 энергоблока, вторичные обмотки сериесного трансформатора соединены с выводами переменного напряжения первого преобразователя напряжения 7; к выводам 6 устройства через трансформатор 8 подключены выводы переменного напряжения второго преобразователя напряжения 9, выводы постоянного напряжения которого соединены с однополярными выводами постоянного напряжения первого преобразователя напряжения 7; к выводам постоянного напряжения первого 7 и второго 9 преобразователей напряжения подключен конденсатор 10, являющийся элементом этих преобразователей. Выходы автоматического регулятора 11 соединены: для регулирования реактивной мощности энергоблока - с входом системы управления 12 второго преобразователя напряжения 9, а для регулирования величины и фазы напряжения на выводах энергоблока - с соответствующими входами системы управления 13 первого преобразователя напряжения 7. Выходы датчиков тока 14 и 15 и датчиков напряжения 16, 17 соединены с соответствующими входами автоматического регулятора 11. Преобразователи напряжения 7, 9 выполняются на основе полностью управляемых ключевых элементов: тиристоров (GTO или IGCT) или транзисторов (IGBT).
Устройство работает следующим образом. Преобразователь 7 с помощью последовательной обмотки трансформатора 5 вводит добавку напряжения к напряжению генератора, фаза напряжения этой добавки может изменяться от нуля до 360° по отношению к напряжению вывода синхронного генератора 1, к которому подключена эта обмотка трансформатора 5. Амплитуда этого напряжения также может изменяться в пределах, определяемых параметрами трансформатора 5 и преобразователя 7. В результате напряжение на выводах устройства есть векторная сумма двух напряжений: напряжения на выводах статора синхронного генератора 1 и напряжения сериесного трансформатора 5. Регулирование напряжения комплекса осуществляется путем изменения фазы и величины выходного переменного напряжения первого преобразователя напряжения 7 и, следовательно, сериесного трансформатора 5. Второй преобразователь напряжения 8 выполняет две функции. Во-первых, он обеспечивает переток части активной мощности, генерируемой синхронным генератором по ветви между синхронным генератором и выводами устройства энергоблока и включающей преобразователи напряжения 7 и 9. Величина активной мощности этой ветви определяется величиной и фазой переменного напряжения преобразователя напряжения 7. Во-вторых, преобразователь напряжения 9 обеспечивает генерацию или потребление реактивной мощности в узле подключения устройства к энергосистеме.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить надежность энергоблока за счет применения синхронного генератора с нерегулируемой системой возбуждения и отсутствия вспомогательного генератора. Кроме того, предлагаемое устройство по сравнению с известными устройствами, благодаря высокому быстродействию изменения параметров режима преобразователей напряжения и, следовательно, быстродействию изменения регулируемых ими параметров режима отдельных элементов устройства, обладает более высоким быстродействием в регулировании напряжения и реактивной мощности энергоблока в целом и позволяет по сравнению с прототипом повысить активную мощность, выдаваемую в сеть. Последнее связано с тем, что отказ от регулирования напряжения и реактивной мощности синхронного генератора создает условия для его работы с высоким значением коэффициента мощности.