Регулирование напряжения блока «синхронный генератор - объединенный регулятор потока мощности»

В современных условиях развития электроэнергетики России при высоком уровне износа и недостаточно высоких темпах модернизации оборудования важной является задача повышения надежности и экономичности работы синхронных генераторов и электростанций в целом. Самой дорогостоящей и в то время самой ненадежной системой синхронного генератора является его система возбуждения. Поэтому актуальным является поиск альтернативных способов регулирования напряжения и реактивной мощности электростанции. Одним из решений этой задачи является известный способ подключения синхронного генератора к энергосистеме через вставку постоянного тока на базе преобразователей напряжения [1]. Другим техническим решением, направленным на упрощение системы возбуждения синхронного генератора и повышение его надежности, может быть применение ОРПМ совместно с синхронным генератором с нерегулируемой системой возбуждения [2, 3]. ОРПМ подключается непосредственно к выводам статора синхронного генератора (рис. 1, а) и выполняет функции регулирования напряжения и создания или потребления реактивной мощности блока. Аналогичные функции ОРПМ успешно реализуются на подстанциях энергосистем [4–8].

Рассмотрим возможности такого блока СГ – ОРПМ, при этом синхронный генератор с нерегулируемым током возбуждения, и блок работает на активно-индуктивную нагрузку (см. рис. 1, а).

Векторная диаграмма для исходного режима при отключенном ОРПМ (Δ U = 0, I _ПН2 = 0) приведена на рис. 1, б. Здесь х – индуктивное сопротивление статорной обмотки генератора (активными потерями в генераторе пренебрегаем); Е – ЭДС генератора, которая является величиной неизменной, так как рассматривается генератор с нерегулируемой системой возбуждения. Предположим, что нагрузка блока выросла. При этом ток увеличивается от значения I ₁ до I ₂. В результате напряжение на нагрузке U _Н1 уменьшается до значения U _Н2 (см. рис. 1, б). С целью поддержания постоянной величины напряжения на нагрузке с помощью ОРПМ вводится напряжение Δ U (рис. 1, в). ОРПМ может генерировать реактивную мощность с помощью преобразователя ПН2, работающего в режиме СТАТКОМ, и этим частично или полностью покрывать реактивную нагрузку блока. Он вместе с преобразователем ПН1 также входит в контур циркуляции регулируемой части активной мощности блока [2, 4, 7]. Напряжение Δ U можно регулировать как по величине, так и по фазе. Необходимое значение Δ U определяется из соотношения, полученного из векторной диаграммы:

E = UH + 1Г x + A U, следовательно:

A U = UH + 1Г x - E, с учетом работы ПН2, получаем:

^A U = U H ⁺ ( I H ^- I nH2 ) x - ^E .

а)

Рис. 1. Схема энергоблока (а), векторная диаграмма при увеличении нагрузки без регулирования (б) и с регулированием напряжения посредством ОРПМ (в)

Работоспособность блока проверена на модели, построенной в MATLAB Simulink (рис. 2, а). Изменение напряжения преобразователей напряжения осуществляется посредством широтноимпульсной модуляции (ШИМ) [1, 4, 7].

ШИМ позволяет управлять средним значением напряжения на выходе преобразователя путём изменения скважности импульсов, управляющих GTO-тиристором или IGBT-транзистором. Регулировка напряжения, подаваемого ПН1 на последовательный трансформатор, осуществляется путем изменения амплитуды и фазы входного сигнала блока ШИМ. Регулировочная характеристика для ПН1, представляющая зависимость величины выходного напряжения от амплитуды входного сигнала, приведена на рис. 2, б.

Из рис. 2, б видно, что преобразователь ПН1 является линейным звеном в диапазоне изменения коэффициента модуляции 0 < Km < 1. При Km > 1 регулировочная характеристика становится нелинейной. Коэффициент модуляции характеризует амплитуду входного сигнала ШИМ, пропорционального напряжению на выводах статора генератора. По регулировочной характеристике определяется диапазон возможных значений амплитуды ΔU. Таким образом, увеличение напряжения на нагрузке осуществляется путем увеличения амплитуды входного сигнала блока ШИМ системы управления преобразователем ПН1. Однако возможен случай, когда потребуется не увеличение, а снижение напряжения до значений меньших, чем напряжение генератора. В этом случае следует изменить фазу входного сигнала блока ШИМ, чтобы в результате вектор выходного напряжения ПН1 стал противоположно направленным вектору напряжения статора генератора. Тогда результирующий вектор, т. е. вектор напряжения на нагрузке, уменьшится [3, 7].

Приняв фазу вектора ЭДС равной нулю, из векторной диаграммы (рис. 3) определим необходимые значения амплитуды и фазы вектора Δ U . Здесь δ_Н – фаза вектора напряжения на нагрузке; ρ – фаза вектора Δ U ; φ – угол сдвига между током и ЭДС генератора. Из диаграммы (см. рис. 3) получаем систему уравнений, решение которой позволяет определить величину и фазу вектора Δ U :

ГЛ U cos p = U H cos 5 H - E + Ix sin ф ;

[A U sin p = Ix cos ф - U H sin 5 H ;

Ix cos ф- U H sin 5 _H   |

UH cos 5H - E + Ix sin ф J p = arctg

Ay Ix cos ф- U H sin 5 _H sin p

Значения Е и х зависят от параметров и режима работы генератора, I и φ определяются нагрузкой. На рис. 4 приведено семейство характеристик ρ( I ) и Δ U ( I ) при различных значениях φ при U _Н = Е и δ_Н = 5 эл. град., из которого следует, что с увеличением нагрузки требуется большее значение Δ U (рис. 4, б) для поддержания нормируемого напряжения на нагрузке, и, как следствие, потребуется ОРПМ большей мощности. Для режима U Н = Е и δ Н = 0 эл. град., т. е. режима компенсации реактивного сопротивления генератора, будут следующие значения Δ U = Ix и ρ = 90 – φ, для других значений U Н и δ Н строятся свои характеристики ρ( I ) и Δ U ( I ).

Приведенные зависимости позволяют определить необходимые значения параметров ОРПМ, применяемого совместно с синхронным генератором

б)

Рис. 2. Модель блока (в MATLAB Simulink) синхронный генератор – ОРПМ (а) и регулировочная характеристика преобразователя напряжения ПН1 (б)

Рис. 3. Векторная диаграмма к определению амплитуды и фазы вектора Δ U

а)

Al . о.с.

ОХ Г

I. о.с.

б)

Рис. 4. Зависимости фазы (а) и амплитуды (б) напряжения Δ U от величины и характера нагрузки, для U _Н = Е и δ_Н= 5 эл. гр.

с нерегулируемой системой возбуждения и являющегося основным средством регулирования напряжения на нагрузке. Проведенный модельный эксперимент в комплексе MATLAB Simulink доказывает работоспособность схемы «Синхронный генератор – ОРПМ – нагрузка».