Лекция: Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин

Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин

1. Развитие сильного регулирования возбуждения синхронных машин

Первый АРВ сильного действия на электронных лампах был создан в конце 50-х годов для регулирования возбуждения гидрогенераторов Волжской ГЭС им. В.И. Ленина [42]. Он имел ПД-закон регулирования напряжения с коэффициентом усиления по пропорциональной составляющей К_0u = - 50 е.в.н./е.н. и использовал в качестве параметров стабилизации первую и вторую производные тока линии или среднего тока параллельно работающих генераторов. Последовавшие за этим разработки были направлены на совершенствование структуры и конструкции регуляторов, повышение надежности их работы. Предпочтение было отдано стабилизации по изменению и по первой производной частоты напряжения генератора [43], что позволило значительно упростить схему подключения и условия эксплуатации регулятора, сделав его независимым от коммутаций в первичной схеме станции. Для повышения надежности усилители на электронных лампах были заменены быстродействующими магнитными усилителями [44]. АРВ сильного действия на магнитных усилителях со стабилизацией «по частоте» были внедрены на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС [45], Братской и Асуанской ГЭС [46].

На этой первой стадии работ по созданию и внедрению АРВ для каждой новой электростанции разрабатывался по существу новый, более совершенный тип регулятора, поскольку накопленный опыт был еще недостаточен для окончательного выбора принципа действия, схемы и конструкции.

Сутью второй, закончившейся в начале 70-х годов, стадии развития АРВ стало создание унифицированного регулятора АРВ-СД для всех типов синхронных машин (гидро-, турбогенераторов и синхронных компенсаторов) в составе различных типов систем возбуждения (независимых, систем самовозбуждения и бесщеточных) [47]. Серийный выпуск его продолжался до 1983 г.

АРВ-СД осуществлял пропорционально-дифференциальное регулирование напряжения статора с фиксированным коэффициентом по отклонению напряжения, равным 15, 25 или 50 е.в.н./е.н. Стабилизация режима обеспечивалась сигналами изменения и первой производной частоты напряжения статора, а также первой производной

тока ротора. Предусматривался охват возбудителя жесткой (ЖОС) и гибкой (ГОС) обратными связями по напряжению ротора. Наряду с традиционными функциями поддержания напряжения и обеспечения устойчивости регулирования АРВ-СД выполнен также ряд дополнительных функций по защите генератора и автоматизации технологических процессов, тем самым существенно повышая надежность работы основного оборудования. По объему функций и алгоритмическому обеспечению он превосходил зарубежные разработки того времени.

Было разработано достаточно подробное математическое описание регулятора АРВ-СД, выполненного по проектной схеме [55 - 58]. Однако параметры магнитных усилителей имели большой разброс, поэтому на каждом генераторе в процессе наладки регулятора в его схему приходилось вносить изменения в соответствии со специально разработанными рекомендациями [59, 60]. В связи с этим использование стандартного математического описания АРВ-СД не всегда корректно. Для получения достоверных результатов требуется уточнение параметров АРВ-СД конкретной станции. Исходными данными для такого уточнения могут служить статические и частотные характеристики звеньев и каналов регулирования, определенные после внесенных в процессе наладки изменений схемы регулятора. Если частотные характеристики какого-либо элемента регулятора отсутствуют, допустимо использование стандартного математического описания этого элемента с обязательной проверкой интегральных характеристик канала, в который он входит.

Развитие микроэлектронной техники вызвало моральное старение регулятора АРВ-СД. Поэтому в 1977 г. был разработан унифицированный полупроводниковый регулятор возбуждения типа АРВ-СДП [48, 49] на базе полупроводников и интегральных микросхем. Структурно и алгоритмически он повторял АРВ-СД, были также повторены многие узлы прототипа (промежуточные трансформаторы, потенциал-регулятор в блоке уставки и т.д.). Этой переходной моделью были оснащены шесть гидрогенераторов Саяно-Шушенской ГЭС, что позволило накопить опыт эксплуатации полупроводниковой аппаратуры. Затем серийный выпуск был прекращен.

Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа стал регулятор АРВ-СДП 1 [41], которым с 1982 г. оснащаются все синхронные генераторы мощностью от 63 МВт и выше. Это по существу компактный, высокотехнологичный специализированный аналоговый измерительно-вычислительный комплекс, дополненный релейной аппаратурой и по своим характеристикам (табл. 4.1) намного превосходящий предыдущие образцы. По сравнению с предшественниками он выполняет большее количество функций, структурно отличается частотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения, что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устойчивость регулирования и инвариантность настройки к изменению режима работы генератора и сети за счет динамического снижения коэффициента усиления по отклонению напряжения в области частот собственных колебаний.

Сравнительные показателя регуляторов возбуждения

Созданием и внедрением в эксплуатацию АРВ-СДП1 завершилась третья стадия развития регулирования возбуждения сильного действия. В настоящее время выпускаются четыре модификации для работы в составе одно- и двухгрупповых систем возбуждения генераторов обычного исполнения и обратимых агрегатов ГАЭС. Ими оснащаются все генераторы мощностью 63 МВт и выше, выпускаемые в СНГ. Поэтому целесообразно подробно описать этот регулятор.

2. Назначение и состав АРВ-СДП1

Регулятор совместно с быстродействующей системой возбуждения выполняет большое число разнообразных функций, которые условно можно разделить на четыре группы: системные, технологические, защитные, самоконтроль и диагностика [10].

Системные функции включают в себя:

— поддержание напряжения в точке регулирования с заданными точностью и статизмом;

- обеспечение устойчивости регулирования во всех режимах работы генератора, включая холостой ход, работу в зоне искусственной устойчивости с внешним фазовым углом, приближающимся к 90°, и в режиме недовозбуждения при больших внутренних углах генератора;

- интенсивное демпфирование малых колебаний и больших по-слеаварийных качаний, возникающих в энергосистеме;

- обеспечение высокого уровня динамической устойчивости путем форсирования возбуждения вплоть до предельного значения при коротких замыканиях и набросах нагрузки во внешней электрической сети.

Технологические функции автоматизируют процессы управления током возбуждения, переходы от одного режима к другому, передачу информации о состоянии генератора и системы возбуждения. К ним относятся:

- программное начальное возбуждение генератора при пуске;

- подгонка напряжения генератора к напряжению сети при автоматической точной синхронизации или при самосинхронизации;

- дистанционное изменение уставки напряжения с блочного или общестанционного щита управления;

- обеспечение работы в системе группового регулирования напряжения генераторов электростанции;

- разгрузка генератора по реактивной мощности и программное развозбуждение при плановом останове генерирующего агрегата;

- поддержание по получении команды постоянства тока ротора;

- постоянная подгонка уставки, обеспечивающая равенство выходных напряжений основного и резервного регуляторов при работе системы возбуждения на резервном АРВ.

Реализация системных и технологических функций может привести к изменению регулирующего сигнала, выводящему режим работы генератора или системы возбуждения за допустимые границы. В этом случае необходим переход с основного алгоритма работы АРВ на защитный, который обеспечит возврат режима в допустимые границы. В зависимости от характеристик основного оборудования этот возврат может происходить либо безынерционно, либо с определенной выдержкой времени.

К защитным функциям относятся:

- ограничение максимального тока ротора с учетом теплового состояния генератора и числа исправных вентилей преобразователя;

- ограничение перегрузки по токам ротора и статора в соответствии с заданными тепловыми характеристиками генератора;

- ограничение минимального возбуждения с уставкой, зависящей от величины активной мощности генератора и обусловленной допустимым нагревом торцевой зоны статора;

- ограничение максимального напряжения статора при обрыве электропередачи и связанным с ним повышении частоты;

- пропорциональное уменьшение напряжения статора при сильном снижении частоты;

- автоматическая разгрузка по индуктивной реактивной мощности генератора при повреждении вентилей преобразователя;

- ограничение максимального напряжения ротора в бесщеточных системах возбуждения.

Функции самоконтроля и диагностики включают в себя:

- контроль соответствия величины отклонения напряжения статора и выходного напряжения регулятора;

- контроль состояния выходного усилителя;

- контроль исправности источника питания.

При несоответствии величин отклонения напряжения и выхода АРВ, при отказе выходного усилителя или потере питания регулятора блок контроля выдает команду перевода системы возбуждения на резервный регулятор.

В состав регулятора входят 16 блоков (рис. 4.1).

Блок питания (БП) подключен к трансформатору собственных нужд переменного тока системы возбуждения. Он преобразует входное трехфазное напряжение в стабилизированное напряжение постоянного тока величиной ±12.6 В, которым питаются все блоки регулятора. При отсутствии переменного трехфазного напряжения или при отказе БП происходит автоматическое переключение питания АРВ на резервный источник ИПР, подключенный к сети постоянного оперативного тока станции.

Блок уставки напряжения (БУН) формирует значение уставки регулируемого напряжения. Управление уставкой осуществляется от кнопок на лицевой панели БУН или дистанционно от ключа на блочном или общестанционном щите управления.

Блок напряжения (БН) формирует сигналы отклонения напряжения статора от заданного значения и первой производной напряжения статора.

Блок реактивного тока БРТ-1 формирует сигнал, пропорциональный реактивной составляющей тока статора генератора для реализации заданного статизма регулирования. В случае работы генераторов на общие шины статизм регулирования задается отрицательным, а при работе блока «генератор-трансформатор» - положительным. Блок реактивного тока БРТ-2 формирует сигнал, пропорциональный реактивной составляющей группы генераторов, объединенных шинами генераторного напряжения. Этот сигнал компенсирует падение напряжения в общем повышающем трансформаторе и восстанавливает требуемый статизм. Так обеспечивается устойчивая работа группы генераторов при низком статизме.

Блок токов (БТ) вырабатывает напряжения, пропорциональные токам ротора и статора, которые затем используются для ограничения перегрузок. Кроме того, БТ формирует сигнал стабилизации по производной тока ротора.

Тепловые характеристики нагрева заложены в блоке измерения перегрузки (БИП). В зависимости от величины перегрузки БИП отсчитывает допустимую выдержку времени [40] и выдает сигнал о перегреве.

Блок ограничения тока ротора (БОР) осуществляет ограничение максимального тока ротора, воздействуя на систему управления тиристорами, а также уменьшает уставку напряжения при перегреве генератора до допустимого уровня.

Форсирование возбуждения при снижении напряжения статора ниже заданной уставки обеспечивает блок форсировки (БФ). Благодаря этому обеспечиваются высокие пределы динамической устойчивости.

Блок ограничения минимального возбуждения (ОМВ) осуществляет защиту торцевых зон статора от недопустимого нагрева. В него закладывается граница допустимых режимов [40] в координатах активной и реактивной составляющих тока статора. При выходе режима работы генератора за ее пределы безынерционно увеличивается уставка напряжения статора. Если конструкция генератора исключает перегрев торцевых зон, то граница ОМВ может быть перестроена на ограничение внутреннего угла генератора (ограничение по устойчивости).

Сигналы стабилизации, пропорциональные изменению и первой производной частоты напряжения, формирует блок частоты и защиты (БЧЗ). При одновременном увеличении напряжения статора, частоты и производной частоты, что характерно при обрыве электропередачи, выход БЧЗ блокируется с целью исключения ложного форсирования.