Взаимосвязь параметров режима энергоблока с синхронным генератором повышенной частоты и полупроводниковым преобразователем частоты

М.Е. Гольдштейн, К.Ю. Филяев г. Челябинск, ЮУрГУ

Разработана математическая модель энергоблока с синхронным генератором повышенной и/или варьируемой частоты и полупроводниковым ■                     преобразователем частоты, работающим на местную нагрузку парал лельно с энергосистемой. В аналитической форме определены соотношения параметров рабочего режима комплекса.

В ближайшие годы в нашей стране планируется ввод ряда газотурбинных энергоблоков с улучшенными технико-экономическими показателями [1-3]. В их состав входит синхронный генератор повышенной частоты (СГПЧ) и звено связи с энергосистемой - полупроводниковый преобразователь частоты (ПППЧ). Один из таких блоков изготовлен корпорацией «Энергомаш» и находится в стадии наладки [3]. Перспективным направлением применения блоков с СГПЧ является электроснабжение потребителей, находящихся в удаленных узлах энергосистемы (например, в районах добычи нефти и газа). Опыта эксплуатации энергосистем с такими блоками не известно. При решении различных технических и экономических задач, связанных с вводом подобных блоков, проводится расчет режимов энергосистемы, в том числе рабочих. Для этого необходима математическая модель комплекса, содержащего СГПЧ, ПППЧ и энергосистему с местной нагрузкой. Необходима также и методика расчета режимов комплекса.

Для определения временных функций входных и выходных токов и напряжений ПППЧ обычно рассматривают систему дифференциальных уравнений, аналитическое решение которой может быть достаточно трудоемким и громоздким [5]. Однако при расчетах рабочих режимов энергоблока, содержащего ПППЧ, и в целом энергосистемы нет необходимости в детальном анализе электромагнитных процессов преобразователя, поскольку полезными составляющими его входных и выходных токов и напряжений являются их первые гармоники. Поэтому поставлена задача первоначально разработать и ввести в математическую модель комплекса модель ПППЧ, позволяющую рассчитывать рабочие режимы рассматриваемого комплекса без анализа внутренних электромагнитных процессов в преобразователе, причем модель универсальную по типу ПППЧ (учитывающую многообразие возможных вариантов его выполнения [6-10]).

Схема замещения комплекса в однолинейном изображении при общепринятых допущениях при расчетах установившихся режимов энергосистем представлена на рисунке.

б)

Схема замещения комплекса

Здесь генератор представлен комплексной ЭДС Ег и индуктивным сопротивлением, которое совместно с реактансом входного преобразовательного трансформатора (при наличии последнего) учтено сопротивлением Хь Сопротивлением Хт представлен повышающий или выходной преобразовательный трансформатор. Нагрузка замещена активным RH и индуктивным Хн сопротивлениями, система - комплексной ЭДС Es и индуктивным сопротивлением Xs. Сопротивление X] определено при частоте генератора сог = 2nfn а Хт, Хн и X, - при частоте системы cos. Все перечисленные параметры считаются заданными. Часть комплекса, работающая при частоте системы ®s, в дальнейшем называется внешней частью комплекса, а при частоте генератора <вг - генераторной частью. Параметры первой приведены к выходному напряжению ПЧ, а второй - к входному.

При формировании математической модели комплекса для расчета его рабочих режимов входящий в него ПППЧ (независимо от его схемы и способа управления) представлен звеном эквивалентного преобразователя частоты (ЭПЧ) со следующими параметрами:

Электроэнергетика

• 1)    коэффициент преобразования по напряжению

Ku = Uj(i/U2(i), (1) где Uni)/U2(i) - действующие значения первых гармоник соответственно входного и выходного напряжений ПЧ; ■

• 2)    формируемые ПППЧ и связанные с параметрами генератора, нагрузки и системы фазовые сдвиги 5j и б₂ соответственно между ЭДС генератора и напряжением u₁₍i), между напряжением и₂₍₁₎ и ЭДС системы

51 ⁼ Фег - Фи1(1> $2⁼ Фи2(1) - Фе$, (2) где ф_Ег, фь;, фидр, Фо2(1) - соответственно фазы ЭДС генератора и системы, входного и выходного напряжений для фазы А схемы.

Эти параметры рассчитываются через заданные параметры комплекса по выражениям, вид которых зависит от типа ПППЧ. Данные выражения для вставок постоянного тока с выпрямителем и инвертором, выполненными по схеме трехуровневого преобразователя напряжения с широтно-импульсной модуляцией, с ведомым сетью инвертором и с автономным инвертором тока приведены в работах [8-10]. Требуемые для реализации режима комплекса параметры ЭПЧ достигаются выбором параметров элементной базы ПППЧ и формированием соответствующих законов управления.

Представим внешнюю часть комплекса эквивалентной ветвью с ЭДС Ёэ = Е3е№Еэ и сопротивлением Z3 = Z3e№ (рисунок, б). Тогда, учитывая принятую модель ЭПЧ, рабочий режим комплекса опишем следующей системой уравнений:

4(i)+ii(i)jxi -Ёг;

^1(1) /и 2(1) ~    ;

^1(1)^1(1) СОЗ^Фег "5| -ф_пф j = U₂(|)I₂(^ COS^3₂ +^-Ф12(1))’

U^ sin 5j ^=xiU₂p)I₂^ cos^5₂ +Фе₅ -фщ)^-

В действительной форме эта система принимает вид

^2(1) 2U₂₍₁₎I_2(])Z₃cos(8₂+_Ves Ф₁₂р) Ф₃j + [l₂^Z₃j -Е_э;

arctg

U2(1) sin (32 + фЕз) - I2(1)Z3 sin |ф12(1) + фэ

= Феэ;

Ц(1)ЕГ . Х1

Фп(1) =⁸2⁺9es -arctg

^Еэ ^xi ^(^з+Фк-Феэ) ³ К_иЕ_г Z₃ cos ф₃       sin 3,

sin31 sm

sin (32 + фЕз ) cos ^§2 + (pEs _ ф12^ j

z3

X! COS ф.

xuEr sin 3i + [cos (32 + фЕз - ФЕэ) - tgф3 sin (32 + Ves - фЕз)] KyE3;

Xv= ~^~ — K_v E_r sin 3j + [cos (3₂ + ф_& - Феэ ) - tgф_э sin (3₂ + ф_Ез - ф_ЕэЕ₃; cos (рэ

Гольдштейн М.Е., Филяев К.Ю.

Взаимосвязь параметров режима энергоблока с синхронным генератором повышенной частоты...

Таким образом, с одной стороны, система уравнений (5) устанавливает связь между параметрами ЭПЧ и параметрами режима генераторной и внешней частей комплекса. С другой стороны, решение этой системы позволяет определить зависимости величин U1(1), U2(i), действующих значений 11(1), 12(1) И фаз

Таким образом, сформирована математическая модель, позволяющая, во-первых, определять взаимосвязь параметров рабочих режимов комплекса без анализа электромагнитных процессов в ПППЧ, и, во-вторых, через параметры режима генератора и системы определять исходные параметры, необходимые для управления изменением режима ПППЧ в соответствии с изменением режима комплекса в целом.