Все типовые элементы АРВ-СДП1 моделируются соответствующими модулями пакета прикладных программ «Модель», позволяющими получать частотные характеристики и переходные процессы для любой точки схемы при типовых возмущениях (скачок или синусоида) на входе элемента. Благодаря этому возможно:
- обучение персонала;
- получение диаграмм напряжений в любой точке схемы;
- моделирование возможных неисправностей элементов схемы и анализ их влияния.
5. Математическая модель автоматического регулятора возбуждения АРВ-СДП1
Модель предназначена для анализа качества регулирования синхронных генераторов, оснащенных современными системами возбуждения с регуляторами АРВ-СДП1, и определения запасов устойчивости при их параллельной работе. Исходя из этого ряд блоков и каналов, не оказывающих влияния на устойчивость, исключен из рассмотрения.
Модель представляет собой совокупность передаточных функций узлов и блоков АРВ (рис. 4.13), отражающих динамические свойства регулятора в диапазоне частот колебаний от 0.2 до 5.0 Гц. Физическими входами АРВ являются периодические сигналы измерительных трансформаторов тока и напряжения, пропорциональные напряжению Uг и току Iг статора, току ротора If и суммарному току группы генераторов IУ. Кроме того, в бесщеточных системах возбуждения от блока обратной связи (БОС) на вход АРВ поступает сигнал напряжения ротора Uf. Измерительные преобразователи формируют на основе входной информации сигналы, которые для малых отклонений можно интерпретировать как изменение напряжения ДUг, частоты напряжения Дfu, реактивных составляющих тока статора ДIRг и группы генераторов ДIRУ, тока ДIf и напряжения ДUf ротора.
Изменение напряжения ДUг поступает на один из входов блока напряжения (БН), имеющего передаточную функцию
где
определена ранее по (4.1) - (4.3).
Параметры передаточной функции БН зависят от положения переключателя коэффициента усиления канала напряжения, расположенного на лицевой панели блока. Эта зависимость отражена в следующих значениях параметров:
Статический коэффициент передачи измерительного преобразователя равен:
На два других входа БН поступают выходные сигналы БРТ-1 и БРТ-2, пропорциональные изменениям реактивных токов генератора ДURг и группы генераторов ДIRУ соответственно. Передаточные функции БРТ-1 и БРТ-2 (4.4) равны:
Величины коэффициентов передачи БРТ-1 и БРТ-2 зависят от положения переключателей «Компенсация», расположенных на лицевых панелях блоков БН и БРТ-2 соответственно. Эти коэффициенты изменяются равными долями от нуля до максимальных значений, соответствующих 10 делениям шкал переключателей:
Знак кбрт-1 зависит от положения накладки переключения режимов работы блока, расположенной на его лицевой панели. Положительный знак соответствует режиму токовой стабилизации, отрицательный - токовой компенсации.
Передаточная функция дифференциатора канала напряжения
Передаточная функция блока частоты
Передаточная функция дифференциатора канала частоты
Передаточная функция канала регулирования по производной тока ротора
Передаточная функция канала жесткой обратной связи
Коэффициент К ЖОС = 0ч1 в зависимости от положения переключателя «ЖОС», расположенного на лицевой панели блока форсирования (БФ).
Сигналы отклонения и производной напряжения, отклонения и производной частоты напряжения и производной тока ротора суммируются в блоке усиления, имеющем передаточную функцию
Коэффициент усиления блока усиления равен: KБУ = 50 В/В-для статических систем возбуждения; КБУ =115 В/В-для бесщеточных и высокочастотных систем возбуждения. При этом предполагается, что коэффициенты усиления статического и бесщеточного возбудителей составляют соответственно Кст= 0.2 е.в.н./В; Кбщ = 0.8 е.в.н./В.
В результате на выходе АРВ формируется сигнал:
весовые коэффициенты К1u, К0f, К1f, К1if в котором имеют размерность [В/В]. Они линейно зависят от переключателей коэффициентов усиления каналов регулирования. При положении переключателей, соответствующих 10 делениям шкалы, коэффициенты равны 1. Величина коэффициента Кu всегда постоянна, не зависит от положения переключателей и равна 0.13.
При пользовании моделью следует обратить внимание на то, что все уравнения записаны в именованных единицах и отражают промежуточные переменные постоянными напряжениями в определенном масштабе. Кроме того, уравнение (4.5) учитывает тот факт, что отечественные системы возбуждения традиционно проектируются таким образом, что отрицательное отклонение UАРВ вызывает увеличение напряжения ротора.
Граница вступления в работу канала ограничения минимального возбуждения
В режимах недовозбуждения необходим учет действия ограничителя минимального возбуждения (ОМВ), который осуществляет ограничение минимальной величины реактивного тока в зависимости от текущего значения активной составляющей тока генератора. В ОМВ имеется датчик активного тока статора с передаточной функцией
где а - угол наклона границы ограничения относительно оси активной мощности. На рис. 4.14 приведен пример определения этого угла для режима работы генератора при номинальной активной мощности.
Сигнал реактивного тока поступает на вход ОМВ через фильтр, расположенный в БРТ-1 с передаточной функцией
Выходной каскад ОМВ реализует пропорционально-интегральный закон регулирования
В итоге для учета работы ОМВ уравнение (4.5) должно быть дополнено слагаемым
где К, Т определяются в соответствии с положением переключателя К0u, как указано выше (на с. 83); Комв - коэффициент, линейно зависящий от положения переключателя на лицевой панели блока ОМВ. При 10 делениях шкалы этого переключателя Комв = 1.
Математическая модель регулятора входит составной частью в модуль «Расчет переходных процессов пакета прикладных программ «Модель»» и используется в расчетах статической и динамической устойчивости синхронных генераторов, работающих в энергосистеме.
Для оценочных расчетов устойчивости математическая модель регулятора АРВ-СДП1 может быть значительно упрощена. Известно, что частота собственных электромеханических колебаний ротора большинства синхронных генераторов, работающих в энергосистеме, лежит в пределах от 0.8 до 1.1 Гц. Для данного диапазона частот уравнение регулятора запишется в виде
При этом предполагается, что коэффициенты К1u и К1if по-прежнему имеют размерность [В/В], Кf [В/В] = К [В/В], а переключатели коэффициентов стабилизации по отклонению и производной частоты находятся в одинаковом положении, т.е. имеют одинаковое количество делений соответствующих шкал.
Корректность упрощения подтверждается частотными характеристиками каналов регулирования. Передаточные функции канала напряжения по полной и упрощенной моделям следующие:
Передаточные функции канала стабилизации «по частоте» соответственно равны:
где Кf = К0f = К1f.
Для канала стабилизации по производной тока ротора
Сравнение частотных характеристик, вычисленных по (4.7) - (4.12), показывает, что замена полных уравнений математической модели упрощенными для диапазона частот 0.8-1.1 Гц приводит к погрешности не более чем 2 дБ по амплитуде и 20° по фазе, что вполне допустимо при оценочных расчетах низкочастотных границ устойчивости. Оценка высокочастотных границ устойчивости по упрощенным уравнениям приводит к большой ошибке, поэтому ими нельзя пользоваться для этих целей.
Если выразить коэффициенты усиления в именованных единицах (К0u [е.в.н./е.н.], К1u [е.в.н./c], К1if [е.т.в./с], kf [е.в.н. / Гц]), учесть все знаки в тракте регулирования и коэффициент усиления возбудителя, то обобщенное упрощенное уравнение регулирования запишется в виде
6. Четвертая стадия развития сильного регулирования возбуждения
Бурный прогресс в области полупроводниковой электронной техники, появление интегральных микросхем большой степени интеграции, микропроцессорных комплексов и микропроцессоров положили начало четвертой стадии развития аппаратуры, методов и средств автоматического регулирования возбуждения. Применение микропроцессоров позволяет отказаться от традиционной структуры системы регулирования возбуждения и пересмотреть распределение функций между ее элементами, а также стимулирует поиск новых алгоритмов реализации системных функций, в том числе перестраиваемых, и дает явный выигрыш при реализации технологических и защитных функций за счет повышения точности выполнения. Что же касается функций контроля, диагностики и сервиса, то в этом случае никакой альтернативы микропроцессорам не существует.
Внедрение на электростанциях автоматизированных систем управления технологическими процессами привело к необходимости ввести для регуляторов возбуждения новые технические требования: в том числе дистанционное управление с центрального пульта (выбор настройки, задание режимов работы); передачу информации о режиме работы на центральный пульт; прием и исполнение команд; самоконтроль и сигнализацию о неисправностях.
В начале 80-х годов были созданы опытные образцы цифровых регуляторов АРВ-СДЦ на базе микроЭВМ «Электроника 60» [51] и АРВ-СДМ на базе комплекса микропроцессорных средств управляющей вычислительной техники МСУВТ-В7 [52]. Основу цифровых АРВ составляют управляющие вычислительные комплексы повышенной надежности, содержащие две микроЭВМ. Обе они работают одновременно и независимо друг от друга, т.е. каждая получает информацию по своим каналам, обрабатывает ее и рассчитывает управляющее воздействие. На систему управления возбуждением поступает сигнал только от одной машины, ведущей в данный момент регулирование; второй процессор остается в «горячем резерве». Коммутация выходных сигналов микроЭВМ осуществляется блоком контроля исправности.
Цифровые регуляторы возбуждения реализуют значительно большее количество функций по сравнению с их аналоговыми предшественниками. В частности, в алгоритм работы регуляторов возбуждения АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ заложено отображение информации о состоянии и режиме работы генератора и элементов системы возбуждения, что значительно облегчает наладку и эксплуатацию.
АРВ-СДМ обеспечивает практически такое же качество регулирования, как и АРВ-СД на магнитных усилителях, который он структурно и алгоритмически повторяет.
АРВ-СДЦ структурно существенно отличается от всех других разработок. Его отличительной особенностью является наличие глу-бокой жесткой отрицательной обратной связи по току возбуждения. Охват возбудителя обратной связью по току ротора в сочетании с ПИД-законом регулирования увеличивает быстродействие системы и обеспечивает увеличение статической точности регулирования. Обратная связь по току ротора явно выделяет в структуре системы регулирования исполнительное звено, получившее название регулятора тока ротора. При этом имеется возможность работы как в режиме регулирования напряжения статора, так и в режиме регулирования тока ротора.
Из-за недостаточно высокой производительности микроЭВМ, на базе которых были созданы регуляторы АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ, оказалось невозможным полностью отказаться от узлов и блоков на полупроводниках и микросхемах малой и средней степени интеграции. Большое число аналоговых элементов и используемые микроЭВМ обусловили плохие массогабаритные показатели и высокое энергопотребление. Поэтому АРВ-СДЦ и АРВ-СДМ не получили широкого внедрения. Несмотря на это, разработка цифровых регуляторов была необходимым и полезным шагом на пути создания цифровой аппаратуры управления.
Более перспективным оказалось использование микропроцессорных комплексов в системе управления возбуждением [53]. При этом на нее возлагается большая часть защитных и технологических функций, которые раньше исполнялись регулятором возбуждения. Сохранив функции поддержания напряжения и обеспечения устойчивости генератора, регулятор, получивший название АРН, значительно упростился [54]. При его разработке были учтены изложенные в гл. 3 рекомендации о целесообразности дальнейшего уменьшения по сравнению с АРВ-СДП1 пропорциональной составляющей сигнала регулирования по напряжению в области частоты собственных колебаний агрегата. Все это повысило надежность и облегчило наладку и эксплуатацию АРН. Он выпускается в двух модификациях, предназначенных для работы в составе статической тиристорной и бесщеточной систем возбуждения, и уже внедрен на ряде тепловых электростанций.
7. Назначение и состав АРН
Автоматический регулятор напряжения (АРН) предназначен для работы в составе тиристорных систем самовозбуждения и бесщеточных систем возбуждения синхронных генераторов малой и средней мощности (от 2.5 до 63 МВт). Он реализует ПИД-закон регулирования напряжения статора генератора с компаундированием по реактивной составляющей тока статора и со стабилизацией по первой производной тока ротора. Совместно с системой возбуждения АРН обеспечивает: