СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
SYSTEM FOR CONTROLLING EXCITATION OF SYNCHRONOUS GENERATOR IN ALTERNATING CURRENT DISTRIBUTION NETWORK

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронными генераторами на предприятиях, вырабатывающих электрическую энергию и работающих на мощную сеть. Устройство может быть использовано в системах электроснабжения про- мышленных предприятий, для которых характерны случайные отклонения напряжения питающей сети (например, для сети 110 кВ), вследствие частых изменений ее конфигурации или коммутации мощных электроприемников.
Известен регулятор возбуждения синхронного генератора, содержащий датчик напряжения, аналого-цифровой преобразователь, нечеткий контроллер, сумматор цифровых сигналов, цифро-аналоговый преобразователь, усилитель мощности, датчик реактивного тока, нейросетевой контроллер, блок осреднения (см. патент РФ №65317, Н02Р 9/30).
Недостатком известного устройства является ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения генератора при изменении напряжения мощной сети, к которой подключен генератор, вследствие ограничений (режим недовозбуждения или режим перевозбуждения), предусмотренных в регуляторе. При достижении указанных ограничений снижается статическая устойчивость генератора, а также снижается надежность его работы в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является система регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия, содержащая мощную энергосистему высокого напряжения, к которой через повышающий трансформатор, шину распределительного устройства и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора подключен выход генератора, обмотка возбуждения которого через датчик тока возбуждения подключена к выходу тиристорного преобразователя, выходы датчика тока возбуждения и датчиков тока статорных обмоток генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора, входы которого подключены к точке соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора и шины распределительного устройства, к указанным шинам подключены потребители собственных нужд, к четвертому входу блока управления подключен выход датчика напряжения мощной энергосистемы высокого напряжения, первый выход блока управления подключен к первому входу первого блока вычитания, выход которого подключен к первому входу регулятора напряжения возбуждения генератора, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя, второй, третий и четвертый выходы блока управления подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока ограничений, выход которого подключен ко второму входу регулятора напряжения возбуждения генератора, к четвертому входу блока ограничений подключен первый выход блока заданий и уставок (А.А. Юрганов, В. А. Кожевников "Регулирование возбуждения синхронных генераторов", Санкт-Петербург, "Наука", 1996, стр.66, рис.4.1).
Недостатком известной системы регулирования возбуждения синхронного генератора является невысокая статическая устойчивость синхронного генератора и невысокая надежности его работы в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия, вследствие ее ограниченного диапазона регулирования напряжений.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание устройства, обеспечивающего повышение статической устойчивости синхронного генератора и повышение надежности его работы.
Технический результат, достигается благодаря расширению диапазона регулирования выходного напряжения генератора. При достижении системой регулирования возбуждения ограничений (режим недовозбуждения или режим перевозбуждения), которые приводятся в технической документации синхронного генератора, осуществляется изменение уставки выходного напряжения генератора, это повышает запас реактивной мощности генератора и снижает ток возбуждения и статорные токи генератора.
согласно изобретению
Поставленная задача решается тем, что система регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия, содержащая мощную энергосистему высокого напряжения, к которой через повышающий трансформатор, шину распределительного устройства и датчики тока статорных обмоток синхронного генератора подключен выход генератора, обмотка возбуждения которого через датчик тока возбуждения подключена к выходу тиристорного преобразователя, выходы датчика тока возбуждения и датчиков тока статорных обмоток генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления, к третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора, входы которого подключены к точке соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора и шины распределительного устройства, к указанным шинам подключены потребители собственных нужд, к четвертому входу блока управления подключен выход датчика напряжения мощной энергосистемы высокого напряжения, первый выход блока управления подключен к первому входу первого блока вычитания, выход которого подключен к первому входу регулятора напряжения возбуждения генератора, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя, второй, третий и четвертый выходы блока управления подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока ограничений, выход которого подключен ко второму входу регулятора напряжения возбуждения генератора, к четвертому входу блока ограничений подключен первый выход блока заданий и уставок, , она снабжена блоком коррекции уставки выходного напряжения генератора и сумматором, первый вход которого соединен со вторым выходом блока заданий и уставок, выход сумматора соединен со вторым входом первого блока вычитания, блок коррекции уставки выходного напряжения генератора снабжен вторым блоком вычитания, первый вход которого соединен с третьим выходом блока заданий и уставок, второй вход второго блока вычитания соединен со вторым выходом блока управления, выход второго блока вычитания соединен с блоком формирования абсолютного отклонения реактивной мощности от заданного значения, а также с первым входом трехпозиционного регулятора, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока заданий и уставок, первый выход трехпозиционного регулятора соединен с первым входом первого блока формирования команды «увеличить уставку напряжения генератора», второй выход трехпозиционного регулятора соединен с первым входом второго блока формирования команды «уменьшить уставку напряжения генератора», вторые входы указанных блоков формирования команд соединены с выходом широтно-импульсного модулятора, вход которого соединен с выходом блока формирования абсолютного отклонения реактивной мощности от заданного значения, выходы первого и второго блоков формирования команд соединены соответственно с первым и вторым входами интегратора, выход которого соединен со вторым входом сумматора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 изображена функциональная схема системы регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия;
- на фиг.2 приведена зависимость реактивной мощности  синхронного генератора от тока возбуждения при постоянной величине его активной мощности. Показаны минимальные и максимальные величины тока возбуждения ,  и реактивной мощности , , а также их номинальные величины , . Кроме того на фиг.2 показаны величины допустимых отклонений реактивной мощности от номинальной величины  при ее уменьшении  и увеличении ;
- на фиг.3 приведена характеристика трехпозиционного регулятора, на котором показаны три порога: порог перехода к увеличению уставки выходного напряжения генератора ; порог перехода к уменьшению уставки выходного напряжения генератора ; порог перехода к отмене изменения уставки выходного напряжения генератора ;
- на фиг.4 приведены графики, поясняющие принцип работы заявляемой системы регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия.
Заявляемая система регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия (фиг.1), содержит мощную энергосистему высокого напряжения 1, к которой через повышающий трансформатор 2, шину распределительного устройства 3 и датчики тока статорных обмоток 4 синхронного генератора 5 подключен выход генератора.
Обмотка возбуждения генератора 6 через датчик тока возбуждения 7 подключена к выходу тиристорного преобразователя 8. Выходы датчика тока возбуждения 7 и датчиков тока статорных обмоток 4 генератора подключены соответственно к первому и второму входам блока управления 9. К третьему входу указанного блока подключен выход датчика выходного напряжения генератора 10, входы которого подключены к точке соединения датчиков тока статорных обмоток синхронного генератора 4 и шины распределительного устройства 3. К указанным шинам подключены потребители собственных нужд 11. К четвертому входу блока управления 9 подключен выход датчика напряжения мощной энергосистемы 12 высокого напряжения.
Первый выход блока управления 9 подключен к первому входу первого блока вычитания 13, выход которого подключен к первому входу регулятора напряжения возбуждения генератора 14, выход последнего подключен к управляющему входу тиристорного преобразователя 8. Второй, третий и четвертый выходы блока управления 9 подключены соответственно к первому, второму и третьему входам блока ограничений 15, выход которого подключен ко второму входу регулятора напряжения возбуждения генератора 14. К четвертому входу блока ограничений 15 подключен первый выход блока заданий и уставок 16.
Система регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия дополнительно снабжена блоком коррекции уставки выходного напряжения генератора 17 и сумматором 18. Первый вход сумматора 18 соединен со вторым выходом блока заданий и уставок 16. Выход сумматора 18 соединен со вторым входом первого блока вычитания 13.
Блок коррекции уставки выходного напряжения генератора 17 снабжен вторым блоком вычитания 19, первый вход которого соединен с третьим выходом блока заданий и уставок 16, второй вход второго блока вычитания 19 соединен со вторым выходом блока управления 9. Выход второго блока вычитания 19 соединен с блоком формирования абсолютного отклонения 20 реактивной мощности от заданного значения, а также с первым входом трехпозиционного регулятора 21.
Второй вход трехпозиционного регулятора 21 соединен с четвертым выходом блока заданий и уставок 16. Первый выход трехпозиционного регулятора 21 соединен с первым входом первого блока формирования команды «увеличить уставку напряжения генератора» 22. Второй выход трехпозиционного регулятора 21 соединен с первым входом второго блока формирования команды «уменьшить уставку напряжения генератора» 23.
Вторые входы указанных блоков формирования команд 22 и 23 соединены с выходом широтно-импульсного модулятора 24, вход которого соединен с выходом блока формирования абсолютного отклонения 20 реактивной мощности от заданного значения. Выходы первого 22 и второго 23 блоков формирования команд соединены соответственно с первым и вторым входами интегратора 25, выход которого соединен со вторым входом сумматора 18.
Поясним работу блока коррекции уставки выходного напряжения генератора 17 (фиг.1), который дополнительно введен в известное устройство и придает ему отличительную особенность. На его первый вход, согласно диаграмме активной и реактивной мощностей генератора поступает сигнал заданного (номинального) значения реактивной мощности  вырабатываемой генератором. На второй вход - сигнал текущего значения реактивной мощности  генератора.
Если значение  удовлетворяет условию  (фиг.2), то на выходе блока коррекции уставки выходного напряжения генератора 17 отсутствуют сигналы «увеличить или уменьшить уставку напряжения генератора», т.е. . При этом генератор не переходит в режим недовозбуждения , т.е. обеспечивается его статическая устойчивость. Кроме того генератор не переходит в режим перевозбуждения , т.е. не допускается перегрев обмотки возбуждения и обмоток статора, что повышает надежность работы генератора.
Отметим, что в заявляемом устройстве условие  выполняется практически всегда. Кратковременно указанное условие может быть нарушено в интервале времени, когда осуществляется изменение уставки выходного напряжения генератора.
В известных системах регулирования возбуждения синхронного генератора при вхождении в указанные ограничения  или  контур регулирования постоянства напряжения на выходе генератора размыкается, т.е. регулирование выходного напряжения генератора отключается. При этом ток возбуждения генератора будет постоянным и определяется диаграммой активной и реактивной мощностей генератора, например,  или  (фиг.2).
В известных системах регулирования возбуждения синхронного генератора при выполнении ограничения  контур по поддержанию постоянства выходного напряжения генератора размыкается сразу. При выполнении ограничения  указанный контур - размыкается с определенной выдержкой времени, определяемой временем допустимости режима работы генератора с перегревом обмоток статора и возбуждения. Если в таком режиме произойдет отклонение напряжения в пределах до 15% от номинального, то система автоматического регулирования возбуждения не отреагирует, так как контур регулирования выходного напряжения генератора разомкнут.При снижении напряжения более чем на 15% сработает система форсировки (в данном устройстве эта система не рассматривается).
Таким образом, в заявляемой системе автоматического регулирования возбуждения генератора блок коррекции уставки выходного напряжения генератора 17 обеспечивает выполнение условия  в широком диапазоне изменения напряжения мощной сети. Это повышает статическую устойчивость синхронного генератора и надежности его работы.
Кратко опишем назначение и принцип работы блоков, которые входят в состав блока коррекции уставки 17 (фиг.1) выходного напряжения синхронного генератора.
Второй блок вычитания 19 формирует сигнал отклонения реактивной мощности синхронного генератора  (фиг.2), сравнивая его заданное (номинальное) значение  с текущим значением .
Отклонение реактивной мощности генератора будет имеет положительное значение , если выходное напряжение генератора больше его заданного значения, т.е. . Указанное условие может наступить, когда напряжение мощной сети стало больше его номинального значения . Наличие отклонения реактивной мощности синхронного генератора  обусловлено работой системы автоматического регулирования напряжения возбуждения генератора, которая стремится обеспечить выполнение условия . Указанное условие достигается благодаря уменьшению тока возбуждения генератора (фиг.2), что сопровождается уменьшением текущего значения реактивной мощности  и как следствие увеличением отклонения , которое принимает положительное значение.
Отклонение реактивной мощности генератора может иметь также и отрицательное значение  (фиг.2), если выходное напряжение синхронного генератора стало меньше его заданного значения, т.е. . Указанное условие может наступить, когда напряжение мощной сети стало меньше его номинального значения . Для выполнения условия  система автоматического регулирования напряжения возбуждения генератора увеличивает ток возбуждения генератора  (фиг.2). В результате увеличивается текущее значение реактивной мощности генератора , а его отклонение уменьшается , принимая отрицательное значение.
Блок формирования абсолютного отклонения реактивной мощности генератора 20 (фиг.1) формирует на выходе свой входной сигнал, но без учета знака. В результате работы блока 20 отрицательное значение отклонения реактивной мощности  на его выходе принимает положительное значение .
Трехпозиционный регулятор 21 (фиг.1) напряжения уставки синхронного генератора сравнивает текущее значение положительного отклонения реактивной мощности  (фиг.2) с его заданным положительным отклонением реактивной мощности  или с нулевым значением отклонения  (фиг.3). По результатам сравнения трехпозиционный регулятор 21 формирует команду  - увеличить напряжение уставки генератора или  - не изменять напряжение уставки генератора.
Кроме того, трехпозиционный регулятор 21 (фиг.1) сравнивает текущее значение отрицательного отклонения реактивной мощности  (фиг.2) с его заданным отрицательным отклонением реактивной мощности  или с нулевым значением отклонения  (фиг.3). По результатам сравнения трехпозиционный регулятор 21 формирует команду  - уменьшить напряжение уставки генератора или  - не изменять напряжение уставки генератора.
Трехпозиционный регулятор 21 (фиг.1) напряжения уставки синхронного генератора работает следующим образом.
Если отклонение реактивной мощности синхронного генератора  увеличивается, то при выполнении условия  (фиг.3) на первом выходе трехпозиционного регулятора 21 формируется команда , что означает «надо увеличить напряжение уставки генератора». Указанная команда подается на первый вход первого блока формирования команды «увеличить уставку» 22. Отметим, что команда  сохраняется на первом выходе трехпозиционного регулятора 21 до тех пор, пока отклонение реактивной мощности синхронного генератора  не уменьшится до значения, равного . При выполнении указанного условия на первом выходе трехпозиционного регулятора 21 будет сформирована команда , что означает «не изменять напряжение уставки генератора».
Если отклонение реактивной мощности синхронного генератора  уменьшается, то при выполнении условия  (фиг.3) на втором выходе трехпозиционного регулятора 21 формируется команда , что означает «надо уменьшить напряжение уставки генератора». Указанная команда подается на первый вход второго блока формирования команды «уменьшить уставку» 23. Отметим, что команда  сохраняется на втором выходе регулятора 21 до тех пор, пока отклонение реактивной мощности синхронного генератора  не увеличится до значения, равного . При выполнении указанного условия на втором выходе трехпозиционного регулятора 21 будет сформирована команда , что означает «не изменять напряжение уставки генератора».
Если на первом и втором выходах трехпозиционного регулятора 21 сформированы соответственно команды  и  - это означает, что напряжение уставки коррекции не подлежит, и оно остается неизменным. При этом отклонение реактивной мощности синхронного генератора удовлетворяет условию .
Широтно-импульсный модулятор 24 формирует на своем выходе импульсы, ширина которых пропорциональна значению отклонения реактивной мощности генератора . Сформированные импульсы подаются на вторые входы первого 22 и второго 23 блоков формирования команд «увеличить уставку» и «уменьшить уставку» соответственно.
По команде  первый блок формирования команды «увеличить уставку» 22 (фиг.1) формирует на своем выходе положительные импульсы напряжения, ширина которых пропорциональна отклонению реактивной мощности синхронного генератора  (фиг.2). Указанные импульсы подаются на первый вход интегратора 25. Если на выходе интегратора 25 напряжение было равно нулю, то в результате работы интегратора 25 оно будет увеличиваться, формируя сигнал коррекции уставки напряжения возбуждения генератора положительного знака  (фиг.1). Однако когда вместо команды  на первый вход блок формирования команды 22 поступит команда , увеличение сигнала коррекции уставки напряжения возбуждения генератора  на выходе интегратора 25 будет прекращено. Таким образом, в результате совместной работы блока формирования команды 22 и интегратора 25 на выходе блока коррекции уставки выходного напряжения синхронного генератора 17 (фиг.1) будет сформирован сигнал  «увеличить уставку».
По команде  второй блок формирования команды «уменьшить уставку» 23 (фиг.1) формирует на своем выходе отрицательные импульсы напряжения, ширина которых пропорциональна отклонению реактивной мощности синхронного генератора . Указанные импульсы подаются на второй вход интегратора 25. Если на выходе интегратора 25 напряжение было равно нулю, то в результате работы интегратора 25 оно будет уменьшаться, формируя сигнал коррекции уставки напряжения возбуждения генератора отрицательного знака . Однако когда вместо команды  на первый вход блок формирования команды 23 поступит команда , уменьшение сигнала коррекции уставки напряжения возбуждения генератора
на выходе интегратора 25 будет прекращено. Таким образом, в результате совместной работы блока формирования команды 23 и интегратора 25 на выходе блока коррекции уставки выходного напряжения синхронного генератора 17 (фиг.1) будет сформирован сигнал  «уменьшить уставку».
Отметим, что конечное значение сигнала коррекции , пока выполняется команда «увеличить уставку или уменьшить уставку», составляет 2... 6% от его номинального значения , а время его формирования составляет 1…3 с, что обусловлено инерционностью канала регулирования напряжения возбуждения синхронного генератора 5.
Отметим так же, что заявляемая система регулирования возбуждения синхронного генератора рекомендуется для распределительной сети переменного тока промышленного предприятия, в которой характерны случайные отклонения напряжения питающей сети (например, для сети 110 кВ), вследствие частых изменений ее конфигурации или коммутации мощных электроприемников.
Дадим пояснения к графикам на фиг.4.
На фиг.4,а показаны три графика изменения выходного напряжения синхронного генератора в относительных единицах  в зависимо- сти от изменения напряжения мощной сети .
Первый график изменения выходного напряжения генератора, обозначенный цифрой 26 (фиг.4,а) соответствует режиму работы генератора, при котором система автоматического регулирования (поддержания) выходного напряжения генератора на заданном уровне  не работает.Для указанного режима выходное напряжение генератора изменяется пропорционально изменению напряжения мощной сети , где k - коэффициент пропорциональности.
Второй график изменения выходного напряжения генератора, обозначенный цифрой 27 (фиг.4,а) соответствует режиму работы генератора, при котором система автоматического регулирования выходного напряжения генератора работает, но с ограничениями. В указанном режиме работает известное устройство, которое принято за прототип.
При изменении напряжения мощной сети в диапазоне  система автоматического регулирования выходного напряжения генератора 5 обеспечивает выполнение условия . На фиг.4,а указанному условию соответствует прямая линия с точками . Если  или  система автоматического регулирования переходит в режим ограничений, при этом контур регулирования выходного напряжения генератора размыкается, т.е. система регулирования не работает, a . На фиг.4,а видно, что график изменения выходного напряжения генератора, обозначенный цифрой 27 при  подобен графику 26, но расположен выше (прямая линия с точками  и ), а при  - ниже (прямая линия с точками  и ).
Отметим, что приведенные здесь ограничения  и  косвенно отражают ограничения для системы автоматического регулирования (поддержания) выходного напряжения генератора 5 на заданном уровне . Такой прием использован для пояснения принципа работы заявляемого устройства при изменении напряжения мощной сети  от его номинального значения  как в случае увеличения , так и в случае его уменьшения.
Фактическими параметрами, которые ограничивают работу системы автоматического регулирования (поддержания) выходного напряжения генератора 5 на заданном уровне являются параметры ограничения тока возбуждения синхронного генератора для его системы регулирования напряжения возбуждения. На фиг.2 указанными ограничениями являются токи возбуждения  и , которым соответствуют ограничения реактивных мощностей  и .
Из курса электрические машины и электрические станции известно, что система регулирования возбуждения синхронного генератора 5работает в пределах диаграммы активной и реактивной мощностей, которая приводится в технической документации. Данная диаграмма не допускает переход в режим недовозбуждения генератора  (фиг.2), с целью поддержания его статической устойчивости, а также в режим перевозбуждения , чтобы не допустить перегрева обмоток возбуждения и статора. Ранее отмечалось, что при вхождении в ограничения, контур регулирования (поддержания) постоянства выходного напряжения генератора размыкается (отключается), а ток возбуждения генератора ограничивается на уровне  или .
С учетом изложенного следует, что в точке В (фиг.2) вступает в силу ограничение, которое не допускает переход генератора в режим недовозбуждения с целью поддержания его статической устойчивости. В точке С (фиг.2) вступает в силу ограничение, которое не допускает перегрева обмоток возбуждения и статора генератора.
Отметим, что приведенные здесь значения минимального  и максимального  ограничений могут иметь другие значения. Здесь они выбраны такими, чтобы пояснить принцип работы заявляемой системы регулирования возбуждения синхронного генератора 5 в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия.
Третий график изменения выходного напряжения генератора 5, обозначенный цифрой 28 (фиг.4,а), соответствует режиму работы генератора для заявляемой системы регулирования возбуждения синхронного генератора. Третий график представлен пятью прямыми линиями с расположенными на них точками ; ; ; ; .
Пусть синхронный генератор работает в номинальном режиме , . На фиг.4,а этому режиму соответствует точка А. Отличительной особенностью заявляемой системы является то, что при ограничений осуществляется изменение уставки выходного напряжения генератора 5. Например, при  (точка ) начинает работать блок коррекции уставки выходного напряжения генератора 17, который увеличит уставку. Принцип его работы был подробно описан выше. После увеличения уставки выходное напряжение генератора, которое будет поддерживать заявляемая система также будет увеличено до уровня . На фиг.4,а указанному условию соответствует прямая линия с точками . Переход на новый уровень выходного напряжения генератора на фиг.4,а показан стрелкой из точки  в точку . Уровень напряжения  будет поддерживаться системой автоматического регулирования при изменении напряжения мощной сети в диапазоне .
Если напряжение мощной сети продолжает увеличиваться и достигает значения следующего ограничения  (фиг.4,а), то описанные выше процессы увеличения уставки и увеличения выходного напряжения генератора повторяются. Новый уровень выходного напряжения генератора  (линия с точками ) будет поддерживаться системой автоматического регулирования при изменении напряжения мощной сети в диапазоне .
При дальнейшем увеличении напряжения мощной сети, вплоть до максимально-допустимого значения  (фиг.4,а) все выше описанные процессы повторяются. При этом осуществляется увеличение уставки и увеличение выходного напряжения генератора.
Аналогичные процессы будут иметь место, когда напряжение мощной сети уменьшается. Например, при  (точка  на фиг.4,а) начинает работать блок коррекции уставки выходного напряжения генератора 17, который уменьшит уставку и уменьшит выходное напряжение генератора 5. Рабочая точка выходного напряжения генератора переместится из  в точку . Новый уровень выходного напряжения генератора  (линия с точками ) будет поддерживаться системой автоматического регулирования при изменении напряжения мощной сети в диапазоне .
Если напряжение мощной сети продолжает уменьшаться и достигает значения следующего ограничения  (фиг.4,а), то описанные выше процессы уменьшения уставки и уменьшения выходного напряжения генератора повторяются. Новый уровень выходного напряжения генератора  (линия с точками ) будет поддерживаться системой автоматического регулирования при изменении напряжения мощной сети в диапазоне .
При дальнейшем уменьшении напряжения мощной сети, вплоть до минимально-допустимого значения  (фиг.4,а) все выше описанные процессы повторяются. При этом осуществляется уменьшение уставки и уменьшение выходного напряжения генератора 5.
На фиг.4,б приведено пять линий, которые отображают изменение реактивной мощности  синхронного генератора для заявляемой системы в зависимости от изменения напряжения мощной сети  для пяти, ранее указанных его диапазонов изменения. Линия  соответствует диапазону изменения напряжения мощной сети , линия , …, линия .
Минимальному значению для всех пяти линий изменения реактивной мощности генератора соответствует значение . Ранее было отмечено, что при выполнении условия  генератор переходит в режим недовозбуждения. На фиг.4,б этому режиму соответствуют точки , , …, . В заявляемой системе регулирования при достижении указанных значений (точек) происходит переход на более высокий уровень уставки и более высокий уровень выходного напряжения генератора, а реактивная мощность генератора вновь устанавливается на уровне номинального значения . На фиг.4,б это точки , , …, . На фиг.4,б указанный переход обозначен стрелками из точки  в точку , из точки  в точку , из точки  в точку  и из точки  в точку .
Максимальному значению для всех пяти линий изменения реактивной мощности генератора соответствует значение . Ранее было отмечено, что при выполнении условия  генератор 5 переходит в режим перевозбуждения. На фиг.4,б это точки , , …, . При достижении указанных значений (точек) происходит переход на более низкий уровень уставки и более низкий уровень выходного напряжения генератора, а реактивная мощность генератора устанавливается на уровне номинального значения . На фиг.4,б это точки , , …, . На фиг.4,б указанный переход обозначен стрелками из точки  в точку , из точки  в точку , из точки  в точку , из точки  в точку .
На фиг.4,в приведено пять прямых линий, которые отображают неизменные значения напряжения уставки выходного напряжения генератора 5  для заявляемой системы в зависимости от изменения напряжения мощной сети  для пяти, ранее указанных его диапазонов изменения. Линия  () соответствует диапазону изменения напряжения мощной сети , линия  () , …, линия  () .
При увеличении напряжения мощной сети , когда оно на указанных диапазонах изменения достигает граничных значений (точки , , ) происходит переход на более высокий уровень уставки. В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на .
При уменьшении напряжения мощной сети , когда оно на указанных диапазонах изменения достигает граничных значений (точки , , ) происходит переход на более низкий уровень уставки. В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на . В точке  (переход из  в точку ) уставка напряжения  изменяется на .
Система регулирования возбуждения синхронного генератора работает следующим образом.
Первоначально рассмотрим номинальный режим работы генератора 5 (фиг.1).
а
А
Пусть потребители собственных нужд 11 работают в номинальном режиме, напряжение мощной сети  соответствует номинальному значению . На фиг.4, этому режиму соответствует точка «». При этом выходное напряжение генератора  (фиг.1) также равно его номинальному значению  (фиг.4.а).
Е
А
Регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) воздействуя на тиристорный преобразователь 8, поддерживает ток возбуждения генератора на номинальном уровне (фиг.2). При этом реактивная мощность генератора также равна его номинальному значению . На фиг.4,б этому режиму соответствует точка «». На зависимости реактивной мощности синхронного генератора  от тока возбуждения (фиг.2) описанному режиму соответствует точка «».
В соответствие с технической документацией генератора (диаграммы его активной и реактивной мощностей) и требованиями, которые сформированы руководством производства и потребления электрической энергии, блок заданий и уставок 16 (фиг.1) формирует сигналы: , ,  и . Сигнал  (фиг.4.в) задает выходное напряжение генератора для его номинального режима  (фиг.4.а). На фиг.4,в заданное выходное напряжение генератора  сохраняет неизменное значение в диапазоне изменения напряжения мощной сети . Сигналы ,  и  (фиг.1) совместно с текущим значением реактивной мощности генератора  подаются на блок коррекции уставки напряжения генератора 17. Работа блока 17 была подробно описана выше. Было отмечено, что для номинального режима работы генератора сигнал коррекции уставки напряжения генератора равен нулю, т.е. .
Блок управления 9 (фиг.1) после обработки сигналов:  с датчика тока возбуждения 7,  с датчиков тока статорных обмоток генератора 4,  с датчика выходного напряжения генератора 10 и  с датчика напряжения мощной энергосистемы 12 формирует сигналы , , а также сигналы для блока ограничений 15.
Блок ограничений 15 под действием сигналов блока управления 9 и сигналов блока заданий и уставок 16 формирует ограничения  и  для регулятора напряжения возбуждения генератора 14.
Отметим, что характерной чертой крупного промышленного предприятия, особенно металлургического, является присутствие и постоянное наращивание собственной генерации. (Повышение эффективности управления режимами электростанций промышленного энергоузла за счет прогнозирования статической и динамической устойчивости при изменении конфигурации сети. Газизова О.В., Кондрашова Ю.Н., Малафеев А.В. Электротехнические системы и комплексы. 2016. №3 (32). С.27-38). Так на ПАО ММК более 60% общего потребления электроэнергии покрываются собственными заводскими электростанциями. Основными стимулирующими факторами являются неоправданно высокие тарифы на электроэнергию из внешней энергосистемы, а также наличие вторичных энергоресурсов в виде коксового и доменного газа. При небольшой мощности генераторов 30-50 МВт заводских электростанций, проработавших не одно десятилетие, стоимость собственной электроэнергии оказывается в 2-2,5 раза ниже покупной. С учетом такой мотивации фактическая загрузка генераторов по активной мощности намного превышает номинальные значения, и наоборот, выдача реактивной мощности остается на минимальном уровне. Такой подход заметно снижает устойчивость генераторов, особенно при просадках сетевого напряжения. Статистика показывает, что при нарушениях внешнего электроснабжения запас устойчивости заводских электростанций оказывается недостаточным и часто происходит отключение генераторов.
Существующие системы автоматического регулирования возбуждения, как правило, настраивают на поддержание напряжения или реактивной мощности в точке присоединения, что не всегда способствует обеспечению достаточной динамической и статической устойчивости синхронных генераторов относительно небольшой мощности при совместной работе с мощной энергосистемой. В заявляемой системе регулирования возбуждения синхронного генератора осуществляется изменение уставки выходного напряжения генератора, что расширяет диапазон регулирования его выходного напряжения. Это существенно повышает статическую устойчивость генераторов и позволяет избежать перегрузки по току возбуждения и статорному току, т.е. повышает надежность работы генератора.
Рассмотрим режим работы заявляемой системы регулирования возбуждения синхронного генератора 5 (фиг.1) при случайных отклонениях напряжения питающей сети 1, например, для сети 110 кВ, вследствие частых изменений ее конфигурации или коммутации мощных электроприемников.
Пусть напряжение мощной сети  (фиг.1) под действием внешних воздействий медленно увеличивается, и приближается к значению . На фиг.4,а этому режиму соответствует точка «». Ранее было отмечено, что в этой точке регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) достигает ограничение - «режим недовозбуждения».
Увеличение напряжения мощной сети  сопровождается увеличением напряжения на выходе генератора , которое в блоке 13 (фиг.1) сравнивается с заданным значением . Выше было отмечено, что для рассматриваемого диапазона изменения напряжения мощной сети  сигнал коррекции , а напряжение уставки генератора равно  (фиг.4,в).
Чтобы сохранить выходное напряжение генератора на заданном уровне  (фиг.4,а) регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1), воздействуя на тиристорный преобразователь 8, снижает напряжение возбуждения генератора и как следствие снижает ток обмотки возбуждения генератора 6, приближая его к значению  (фиг.2). При этом реактивная мощность генератора  и ее отклонение  от номинального значения  приближаются соответственно к значениям  и . На фиг.2 этому режиму соответствует точка «», а на фиг.4,б - точка «». Выше было отмечено, что в этой точке регулятор напряжения возбуждения генератора 14 достигает ограничение - «режим недовозбуждения».
При достижении указанного ограничения начинает работать блок коррекции уставки напряжения генератора 17, который увеличивает уставку выходного напряжения генератора от уровня  до уровня . На фиг.4,в изменение уставки напряжения изображено стрелкой из точки «» точку «». Увеличение уставки выходного напряжения генератора сопровождается увеличением выходного напряжения генератора до уровня  (фиг.4,а), переход из точки «» в точку «». Указанный уровень напряжения будет поддерживаться заявляемой системой регулирования возбуждения синхронного генератора в диапазоне изменения напряжения мощной сети .
Отметим, что увеличение уставки выходного напряжения генератора до уровня  сопровождается увеличением тока обмотки возбуждения 6 генератора, приближая его к номинальному значению  (фиг.2). Одновременно осуществляется изменение реактивной мощности от  до его номинального значения . На фиг.4,б это изменение изображено переходом из точки «» в точку «».
Таким образом, при увеличении напряжения мощной сети  до значения  регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) первый раз достигает ограничения - «режим недовозбуждения». При этом ток обмотки возбуждения 6, приближается к значению  (фиг.2), реактивная мощность генератора  и ее отклонение  приближаются соответственно к значениям  и . При достижении указанных ограничений (первый раз) в заявляемой системе регулирования возбуждения синхронного генератора начинает работать блок коррекции уставки напряжения генератора 17. Ранее его работа была подробно описана. После работы блока коррекции 17 уставка выходного напряжения генератора увеличивается до уровня , а выходное напряжение генератора поддерживается на уровне  в диапазоне изменения напряжения мощной сети  (фиг.4,а). Отметим, что после перехода на новые уровни напряжения  и  ток возбуждения  (фиг.2), а реактивная мощность генератора . Это повышает запас реактивной мощности генератора, а следовательно повышается его статическую устойчивость.
Если напряжение мощной сети  (фиг.1) под действием внешних воздействий и далее продолжает медленно увеличиваться, то при достижении  следующего (второй раз) ограничения  фиг.4 («режим недовозбуждения»), описанный выше процесс повторяется. При этом уставка выходного напряжения генератора увеличивается до уровня , а выходное напряжение генератора будет поддерживаться на уровне  в диапазоне изменения напряжения мощной сети  (фиг.4). Как и ранее после перехода (второй раз) на новые уровни напряжения повышается запас реактивной мощности генератора, а следовательно повышается его статическую устойчивость.
При дальнейшем увеличении напряжения мощной сети, вплоть до максимально-допустимого значения  (фиг.4,а) все выше описанные процессы повторяются, т.е. увеличивается уставка  и выходное напряжение генератора , которое заявляемая система регулирования возбуждения синхронного генератора поддерживает постоянным. При этом повышается запас реактивной мощности генератора, а также повышается его статическая устойчивость.
Аналогичные процессы будут иметь место, когда напряжение мощной сети уменьшается. Пусть напряжение мощной сети  (фиг.1) под действием внешних воздействий медленно уменьшается, и приближается к значению . На фиг.4,а этому режиму соответствует точка «». Ранее было отмечено, что в этой точке регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) достигает ограничения - «режим перевозбуждения».
Уменьшение напряжения мощной сети  сопровождается уменьшением напряжения на выходе генератора , которое в блоке 13 (фиг.1) сравнивается с заданным значением . Выше было отмечено, что для рассматриваемого диапазона изменения напряжения мощной сети  сигнал коррекции , а напряжение уставки генератора равно  (фиг.4,в).
Чтобы сохранить выходное напряжение на заданном уровне  (фиг.4,а) регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) воздействуя на тиристорный преобразователь 8 повышает напряжение возбуждения генератора и как следствие повышает ток обмотки возбуждения 6, приближая его к значению  (фиг.2). При этом реактивная мощность генератора  и ее отклонение  от номинального значения  приближаются соответственно к значениям  и . На фиг.2 этому режиму соответствует точка «», а на фиг.4,б - точка «». Выше было отмечено, что в этой точке регулятор напряжения возбуждения генератора 14 достигает ограничения - «режим перевозбуждения».
При достижении указанного ограничения начинает работать блок коррекции уставки напряжения генератора 17, который уменьшает уставку выходного напряжения генератора от уровня  до уровня . На фиг.4,в изменение уставки напряжения изображено стрелкой из точки «» точку «». Уменьшение уставки выходного напряжения генератора сопровождается уменьшением выходного напряжения генератора до уровня  (фиг.4,а), переход из точки «» в точку «». Указанный уровень напряжения будет поддерживаться заявляемой системой регулирования возбуждения синхронного генератора в диапазоне изменения напряжения мощной сети .
Отметим, что уменьшение уставки выходного напряжения генератора до уровня  сопровождается уменьшением тока обмотки возбуждения 6 генератора, приближая его к номинальному значению  (фиг.2). Одновременно осуществляется изменение реактивной мощности от  до его номинального значения . На фиг.4,б это изменение изображено переходом из точки «» в точку «».
Таким образом, при уменьшении напряжения мощной сети  до значению  регулятор напряжения возбуждения генератора 14 (фиг.1) первый раз достигает ограничение - «режим перевозбуждение». При этом ток обмотки возбуждения 6, приближается к значению  (фиг.2), реактивная мощность генератора  и ее отклонение  приближаются соответственно к значениям  и . При достижении указанных ограничений (первый раз) в заявляемой системе регулирования возбуждения синхронного генератора начинает работать блок коррекции уставки напряжения генератора 17. Ранее его работа была подробно описана. После работы блока коррекции 17 уставка выходного напряжения генератора уменьшается до уровня , а выходное напряжение генератора поддерживается на уровне  в диапазоне изменения напряжения мощной сети  (фиг.4,а). Отметим, что после перехода на новые уровни напряжения  и  ток возбуждения  (фиг.2), а реактивная мощность генератора . Это снижает ток возбуждения и статорные токи генератора, а следовательно повышается надежность его работы, так как исключаются перегревы статорных обмоток и обмотки возбуждения генератора.
Если напряжение мощной сети  (фиг.1) под действием внешних воздействий и далее продолжает медленно уменьшаться, то при достижении  следующего (второй раз) ограничения  фиг.4 («режим перевозбуждения»), описанный выше процесс повторяется. При этом уставка выходного напряжения генератора уменьшается до уровня , а выходное напряжение генератора будет поддерживаться на уровне  в диапазоне изменения напряжения мощной сети  (фиг.4). Как и ранее после перехода (второй раз) на новые уровни напряжения снижается ток возбуждения и статорные токи генератора, а следовательно повышается надежность его работы.
При дальнейшем уменьшении напряжения мощной сети, вплоть до минимально-допустимого значения  (фиг.4,а) все выше описанные процессы повторяются, т.е. уменьшается уставка  и выходное напряжение генератора , которое заявляемая система регулирования возбуждения синхронного генератора поддерживает постоянным. При этом снижается ток возбуждения и статорные токи генератора, а следовательно повышается надежность его работы, так как не допускается перегрев ротора и перегрузки статора.
Таким образом, заявляемая система регулирования возбуждения синхронного генератора в распределительной сети переменного тока для ответственных потребителей промышленного предприятия повышает статическую устойчивость синхронного генератора при достижении системой регулирования возбуждения ограничения типа «режим недовозбуждения». Благодаря увеличению уставки выходного напряжения генератора повышается (восстанавливается) запас реактивной мощности генератора.
Кроме того, заявляемое устройство повышает надежность работы синхронного генератора при достижении системой регулирования возбуждения ограничения типа «режим перевозбуждения». Благодаря уменьшению уставки выходного напряжения генератора снижается ток возбуждения, а также снижаются статорные токи генератора, что не допускает перегрева ротора и перегрузки статора.
Отметим также, что в заявляемом устройстве существенно расширяется диапазон регулирования выходного напряжения генератора от минимально-допустимого уровня до максимально-допустимого уровня, при этом повышается статическая устойчивость синхронного генератора, а также повышается надежность его работы.