Параметры элементов энергоблока, включающего синхронный генератор с нерегулируемым возбуждением и объединенный регулятор потоков мощности

Актуальность вопроса

Недостаточное быстродействие и невозможность раздельного регулирования напряжения и реактивной мощности синхронных генераторов (СГ) с тиристорными системами возбуждения, низкая надежность этих систем [1] приводят к поиску альтернативных решений, одним из которых является приведенный на рис. 1 энергоблок, включающий СГ с нерегулируемым возбуждением и объединенный регулятор потока мощности (ОРПМ) [2–6]. Этот энергоблок расширяет области применения СГ с нерегулируемым возбуждением. Такие генераторы имеют высокую надежность и наиболее низкую себестоимость, они проще в эксплуатации. В частности, к ним относятся и генераторы с постоянными магнитами [5]. ОРПМ, являясь бесконтактным устройством, также имеет высокую надежность. Работа энергоблока на активно-индуктивную нагрузку в автономной энергосистеме рассмотрена в работах [2–4]. При параллельной работе энергоблока с энергосистемой, как и при работе на автономную нагрузку, функции регулирования напряжения и создания и потребления реактивной мощности перекладываются на ОРПМ [6]. Регу-рование посредством ОРПМ при параллельной работе с энергосистемой по сравнению с регулированием возбуждения СГ повышает динамические свойства энергоблока, ускоряя изменение режимов энергосистемы. Для проектирования таких энергоблоков, настройки их регуляторов необходимы данные о взаимосвязи режимов энергосистемы, диапазонов регулирования активной и реактивной мощности и напряжения энергоблока с параметрами его элементов.

Исследование взаимосвязи параметров энергоблока и режимов энергосистемы Исследование выполнено на имитационной модели в среде MATLAB Simulink. Регулирование напряжения энергоблока при его работе в энергосистеме (см. рис.1) производится вводом с помощью трансформатора Т1 добавочного напряжения Δ U , фаза которого ρ может изменяться от нуля до 360 град. эл. по отношению к фазе напряжения СГ. Амплитуда этого напряжения варьируется в пределах, ограниченных параметрами трансформато-

Рис. 1. Схема включения в сеть энергоблока «Синхронный генератор – ОРПМ»

Рис. 2. Векторные диаграммы энергоблока «СГ – ОРПМ»: а – при работе на сеть бесконечной мощности; б – при регулировании U _вых и δ

б)

ра Т1 и преобразователя ПН1. Выходное напряжение комплекса U _вых является векторной суммой двух напряжений: напряжения на выводах статора СГ – U _Г и напряжения Δ U сетевой обмотки трансформатора Т1. Преобразователь ПН2, связанный с шинами электростанции через трансформатор Т2, обеспечивает генерацию или потребление реактивной мощности (в зависимости от режима энергосистемы) в точке подключения блока, а также создает контур для протекания активной мощности между преобразователями ПН1 и ПН2 [2–4, 7]. Векторная диаграмма токов и напряжений для одного из режимов этой схемы приведена на рис. 2, а.

Величина выдаваемой в сеть мощности определяется как [1]

U_BbIXU _c sin 3 вых С

ХЛ     , где UC – напряжение на шинах системы бесконечной мощности; ХЛ – индуктивное сопротивление звена передачи; δ – угол между вектором напряжения на шинах системы бесконечной мощности и вектором выходного напряжение комплекса.

При изменениях режима энергоблока в энергосистеме регулирование выдаваемой в сеть мощности производится изменением величин U вых и δ. ОРПМ может работать в режиме регулятора величины или фазы напряжения энергоблока, а также осуществлять комплексное регулирование, воздействовать на U _вых и δ одновременно. Область возможных значений напряжений показана на векторной диаграмме рис. 2, б, регулирование величины и фазы напряжения возможно, соответственно, в диапазонах U _{вых min}… U _{вых max} и δ_min…δ_max. Предельные значения ограничиваются только параметрами трансформаторов и преобразователей. Применение преобразователей, построенных на базе современных тиристоров типа GTO или транзисторов типа IGBT, позволяет получать необходимые параметры Δ U и ρ с высокой точностью и быстродействием. Их величины устанавливаются регуляторами.

В результате исследований, проведенных на имитационной модели в среде MATLAB Simulink, получено семейство зависимостей δ(Δ U ) и U _вых(Δ U ) для разных значений ρ (рис. 3). Для регулирования δ наиболее эффективными являются режимы с ρ = ±90 град. эл., а для регулирования U _вых режим с ρ = 0. Кроме того, исследованы взаимосвязи активной мощности Р и угла δ в различных режимах энергоблока (рис. 4). На рис. 4 точка 0( Р ₀, δ₀) соответствует исходному режиму с неза-действованным ОРПМ (Δ U = 0, U вых = U Г ).

Рассмотрим режимы ρ = 0 и ρ = 180 град. эл. В этих режимах δ = δ₀, и напряжение U _вых можно регулировать в наибольшем диапазоне от U _{вых min} до U вых max , получая граничные точки 1 и 2 области изменения активной мощности, выдаваемой энергоблоком. С увеличением ρ до 90 град. эл. увеличивается диапазон для регулирования δ и снижается диапазон изменения напряжения U _вых. Наибольшее значение δ (точка 3) получается для значения ρ = 90 град. эл. При этом значение U вых изменяется незначительно и будет больше U Г . Наименьшее возможное значение δ (точка 4) соответствует ρ = –90 град. эл. При этом величина напряжения U вых такая же, как для ρ = 90 град. эл. Получаем, что значения мощности Р будут ограничены кривой 4–1–3. С увеличением ρ больше 90 град. эл. растет и диапазон возможных значений U _вых, однако, в этом случае U _вых будет меньше U _Г и, следовательно, величина выдаваемой мощности в этом случае снижается. Чем ближе ρ к 180 град. эл., тем сильнее можно снизить мощность. Таким образом, получаем кривые 3–2 и 2–4. Аналогичным образом получаем кривые 2–4 и 4–1. В итоге формируем область 1–2–3–4 возможных значений активной мощности и углов δ. Приведенные зависимости позволяют выявить необходимые значения ρ и Δ U для ОРПМ, применяемого совместно с СГ с нерегулируемой системой возбуждения.

Сформировав диапазон возможных значений ρ и Δ U , перейдем к определению параметров основного оборудования, и, прежде всего, параметров транс-

Электроэнергетика форматоров и преобразователей ОРПМ. Сначала найдем мощность трансформаторов Т1 и Т2 и преобразователей ПН1 и ПН2. Значения активной мощности для трансформаторов (и преобразователей) одинаковы, и определяются на основе данных [1, 7, 8] как

Δ UU вых sin( δ - δ 0 + ρ )

Р ПН1 =                       ,

Х Т1

где Х Т1 – индуктивное сопротивление последовательной обмотки трансформатора Т1; δ 0 – угол между вектором напряжения на шинах системы бесконечной мощности и вектором напряжения на выводах статора генератора.

Составляющая реактивной мощности Т2, определяющая в основном и его полную мощность и токи фаз преобразователя ПН2, зависит от нормируемого диапазона генерируемой или потребляемой энергоблоком реактивной мощности, который, в свою очередь, определяется режимами энергосистемы. Величина реактивной мощности трансформатора Т1 и генерируемая преобразователем ПН1 находится как [7–9]

Δ UU _выхcos( δ-δ ₀ +ρ ) Δ U ²

Q _ПН1 =                      -      .

Х T1             X T1

Пвых, В

8300 -

р=0

7300 -

6800 +

р=90

р=120

о=60

р=30

р 150 р ISO i

ди,Б

200   400   600   800   1000 1200 1400 1600 1800 2000

б)

Рис. 3. Семейство характеристик для разных значений ρ : а – δ(Δ U ) ; б – U вых (Δ U )

Рис. 4. Область возможных значений активной мощности Р , выдаваемой энергоблоком, и соответствующих углов δ между векторами напряжений U _вых энергоблока и U _С системы

Рис. 5. Зависимости активной, реактивной и полной мощностей, протекающих через Т1 (ПН1), от значений ρ и Δ U

Используя приведенные выше выражения, построим зависимости Р ПН1 (ρ), Q ПН1 (ρ) и Р ПН1 (Δ U ), Q _ПН1(Δ U ), которые позволяют определить значение полной мощности этих устройств, исходя из нормируемого диапазона значений ρ и Δ U (рис. 5).

Выводы

В среде MATLAB Simulink исследована работа энергоблока, включающего СГ с нерегулируемым возбуждением и ОРПМ, в различных режимах энергосистемы. Определены взаимосвязи номинальных параметров основного оборудования энергоблока, а также параметров режима его эле-

Электроэнергетика ментов и нормируемого диапазона изменения режимов энергосистемы.