Оценка быстродействия энергоблоков "синхронный генератор - ОРПМ" при регулировании напряжения в схемах выдачи мощности электростанций

Обычно регулирование напряжения и реактивной мощности электростанций выполняется путем изменения тока возбуждения синхронных генераторов. При этом применяются тиристорные системы возбуждения, стоимость которых существенна, а надежность ниже, чем у других систем генератора. Быстродействие такого регулирования ограничено, так как сдерживается большой постоянной времени контура возбуждения. Ранее для регулирования напряжения и реактивной мощности электростанции была показана возможность применения энергоблоков, выполненных по схеме «Синхронный генератор (СГ) с нерегулируемым возбуждением – объединенный регулятор потоков мощности (ОРПМ)» [1, 2]. Результаты исследований [1, 3, 4] подтвердили, что такие блоки обладают большим спектром функциональных возможностей и позволяют отказаться от управляемых систем возбуждения СГ, передав функции регулирования блока входящему в его состав ОРПМ, а также увеличить глубину и быстродействие регулирования по сравнению с традиционными способами. Кроме того, появляется возможность раздельного регулирования активной, реактивной мощности и напряжения генератора [4]. Поэтому анализ быстродействия регулирования режимных параметров таких энергоблоков является важным этапом определения перспектив их применения. Анализ проводится методом математического моделирования. В качестве инструмента моделирования используется программный комплекс MATLAB Simulink. Параметры элементов схем замещения рассматриваемой модели соответствуют параметрам оборудования, применяемого на электростанциях.

Схема комплекса «СГ с нерегулируемым возбуждением – ОРПМ – энергосистема»

Рассмотрим работу энергоблока «СГ – ОРПМ» в энергосистеме (рис. 1). Выдача мощности блока выполнена посредством двух параллельных линий с промежуточным отбором мощности P ₁, Q ₁ и P ₂, Q ₂. Регулирование напряжения блока осуществляется вводом с помощью трансформатора Т1 добавочного напряжения Δ U , фаза которого ρ по отношению к фазе напряжения СГ может изменяться от 0 до 360 эл. град. Амплитуда этого напряжения ограничивается параметрами трансформатора Т1 и преобразователя ПН1. В результате выходное напряжение U вых блока является векторной суммой двух напряжений: напряжения на выводах статора СГ – U Г и напряжения Δ U последовательной обмотки трансформатора Т1. Получаемая таким образом область регулирования U _вых ограничена окружностью, показанной на векторной диаграмме (рис. 2). Преобразователь ПН2, связанный с шинами электростанции через трансформатор Т2, обеспечивает генерацию или потребление реактивной мощности (в зависимости от режима энергосистемы)

Рис. 1. Схема энергоблока «СГ – ОРПМ», работающего в энергосистеме

Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений энергоблока «СГ – ОРПМ» при его работе на сеть бесконечной мощности для установившихся режимов

в узле подключения блока, а также создает контур для протекания активной мощности между преобразователями ПН1 и ПН2 [2, 5, 6].

Высокое быстродействие регулирования (доли миллисекунд) такого энергоблока обеспечивается запираемыми тиристорами типа GTO, а также IGCT, или транзисторами типа IGBT, на основе которых построены преобразователи ПН1 и ПН2, а также сочетанием быстродействующего импульснофазового регулирования угла δ с широтно-импульсной модуляцией вентилей при регулировании величины напряжения ПН1 [1, 2, 5, 6].

Исследование быстродействия регулирования напряжения энергоблоков «СГ – ОРПМ»

В отличие от типовых энергоблоков, в энергоблоках «СГ – ОРПМ» изменяется способ воздействия на выходное напряжение блока. Для оценки быстродействия такого энергоблока рассмотрим изменение его режимных параметров при его работе в энергосистеме (см. рис. 1). Параметры элементов схемы, приведенные к напряжению 15,75 кВ, следующие: генератор Рном = 220 МВт, Uном = 15,75 кВ выдает только активную мощность, так как в исследуемой схеме его ток возбуждения не регулируется и принят соответствующим выдаче генератором только номинальной активной мощности. ЛЭП lЛ1 = lЛ3 = 30км, lЛ2 = lЛ4 =45 км введены только их реактивными сопротивлениями, соответственно XЛ1 = XЛ3 = 12 Ом и XЛ2 = XЛ4 = 18 Ом. Промежуточные отборы мощности на ЛЭП: Р1 = 20 МВт, Q1 = 15 МВАр, Р2 =20 МВт, Q2 = 15 МВАр. Остальная мощность 180 МВт передается в систему, напряжение которой UС = 14 кВ и мощность короткого замыкания SКЗ =500 МВА.

Для проверки работоспособности модели, созданной в среде MATLAB Simulink, выполнен ряд опытов мгновенного ввода напряжения Δ U , создаваемого ПН1. Одновременно оценивалось и быстродействие изменения напряжения U вых на выходе блока. В этих опытах СГ выдает активную мощность 40 МВт. Осциллограммы данных опытов приведены на рис. 3. В момент времени 18 с (рис. 3, а) инициируем резкий рост напряжения U _вых до величины, вдвое превышающей значение в предыдущем режиме. При этом угол ρ = 0, что обеспечивает наиболее эффективное регулирование напряжения. Как следует из «осциллограмм», требуемый уровень напряжения достигается за один период 0,02 с. Далее задаем следующий алгоритм: после повышения напряжения в момент 18 с снижаем напряжение в момент 19 с и затем на 20-й секунде возвращаемся к исходному состоянию (рис. 3, б). Все вариации напряжения осуществляются изменением величины напряжения Δ U , при этом ЭДС генератора остается неизменной,

в)

Рис. 3. Временные диаграммы напряжения на выходе энергоблока U вых , полученные в MATLAB Simulink при регулировании с помощью ОРПМ

Рис. 4. Временные диаграммы синхронного генератора, полученные в MATLAB Simulink при форсировке напряжения

так как его ток возбуждения не изменяется. Высокое быстродействие при регулировании напряжения позволяет реализовать и более сложные алгоритмы. Так на рис. 3, в показано изменение напряжения: в момент 18 с увеличение напряжения до 2 U _вых, затем в момент 18,25 с снижение до 1,7 U _вых в 18,25 с и затем в момент 18,5 с дальнейшее понижение до 0,5 U _вых и возврат к исходному U _вых в момент времени 19 с.

Следует отметить, что глубина регулирования определяется максимально возможными значениями ΔU, которые в свою очередь, как правило, ограничиваются параметрами основного оборудования ОРПМ (преобразователей и трансформаторов). Стоит подчеркнуть, что значение угла ρ будет влиять только на соотношение активной и реактивной мощностей, протекающих через трансформаторы. При этом значение полной мощности изменяться не будет, т. е. диапазон возможных значений ρ не влияет на параметры оборудования и составляет 0…360 эл. град. [2], что позволяет управлять не только величиной, но и фазой выходного напряжения блока.

Следует заметить, что время изменения напряжения блока во всех опытах не превышало 0,02 с, а за одну секунду удалось изменить напряжение четыре раза (рис. 3, в). Это показывает возможность регулирования напряжения блока в режиме реального времени протекания переходных процессов в энергосистеме и позволяет создавать быстродействующие адаптивные системы проти-воаварийной автоматики.

В энергоблоках на базе СГ с тирсторными системами возбуждения такое быстродействие недостижимо. В традиционных энергоблоках функция регулирования напряжения возложена на систему возбуждения синхронных генераторов. Быстродействие изменения напряжения такой системы, с одной стороны, определяется быстродействием системы возбуждения, которое сегодня при микропроцессорном управлении не превышает 10–20 мс. Но, с другой стороны, в гораздо боль-

Рис. 5. Осциллограммы для опыта установившегося короткого замыкания, полученные в MATLAB Simulink

шей степени скорость изменения напряжения генератора зависит от постоянной времени его контура возбуждения, которая даже для генераторов большой мощности не ниже нескольких сотен мс (0,5 с для СГ ТГВ-500). Для генераторов меньшей мощности эта постоянная времени может быть и несколько секунд.

Для сравнения на рис. 4 приводятся «осциллограммы» изменения тока возбуждения того же синхронного генератора, для которого приведены предыдущие исследования, при быстродействии системы возбуждения 0,03 с и увеличении напряжения возбуждения в два раза. Постоянная времени его контура возбуждения 0,55 с. Из осциллограммы рис. 4 видно, что время достижения напряжением генератора двойного значения больше постоянной времени контура возбуждения и составляет несколько секунд, что существенно выше, чем для блока «СГ – ОРПМ».

Убедившись в работоспособности модели и высоком быстродействии блока, проведем эксперимент для реальных изменений величин напряжения при коротком замыкании (шунтировании) нагрузки Р1, Q1 и последующем форсировании напряжения на выводах блока вводом ΔU с помощью ПН1. Итак, рассмотрим работу схемы (см. рис. 1) при загрузке генератора номинальной мощностью 220 МВт, из которых 180 МВт, потребляемых системой, вводятся сопротивлением на шинах системы RС = 1,1 Ом. В момент времени 17,5 с инициируем трехфазное короткое замыкание в точке подключения нагрузки Р1, Q1, в результате получаем режим установившегося короткого замыкания, при этом происходит существен- ная просадка выходного напряжения блока и выдаваемой блоком активной мощности (рис. 5). Далее в момент времени 18 с повышаем выходное напряжение блока до значений предаварийного режима путем ввода напряжения ΔU с помощью ОРПМ. На рис. 5 приведены осциллограммы для данного опыта, из которых видно, что удалось получить необходимый уровень напряжения, не смотря на установившееся трехфазное короткое замыкание, при этом также сохраняется высокий уровень быстродействия, как и в предыдущих опытах. Однако заметим, что с повышением ΔU возрастает ток короткого замыкания. Это следует учитывать при определении токов КЗ в сетях с рассматриваемыми энергоблоками.

Выводы

Разработанная в программном комплексе MATLAB Simulink имитационная модель схемы «Синхронный генератор с нерегулируемым возбуждением – объединенный регулятор потоков мощности – энергосистема» позволяет оценить функциональные возможности и быстродействие энергоблока.

Проведенные модельные эксперименты показывают, что энергоблок обладает более высоким уровнем быстродействия и большим диапазоном регулирования, чем СГ с тиристорной системой возбуждения. Это существенно увеличивает гибкость и адаптивность управления режимными параметрами в схемах выдачи мощности электростанций. Применение энергоблока позволяет использовать более дешевые и надежные синхронные генераторы с нерегулируемым возбуждением.