При снижении тока возбуждения ПИД-регулятором после режима форсировки может происходить перерегулирование, при котором cos существенно смещается в индуктивную зону, что сказывается на устойчивости работы СД, а при воздействии дополнительного возмущающего фактора может произойти аварийный останов СД (например, наброс нагрузки при снижении напряжения).
С помощью специализированного программного обеспечения цифровых возбудителей ВТЦ-СД сняты осциллограммы режима форсировки СД с различной нагрузкой на валу. На рис. 3 представлены осциллограммы реально действующих возбудителей. Перерегулирование тока возбуждения возникает после отключения режима форсировки.
На рис. 3,в, где СД наиболее загружен (ток возбуждения 300 А), посадка напряжения спровоцировала аварийный останов СД, а где СД менее загружен (180 А), практически отсутствует перерегулирование.
Таким образом, чем выше загрузка СД, тем больше величина перерегулирования и, соответственно, вероятность аварийного останова СД.
В послеаварийных режимах в энергосистеме двигатель находится в зоне неустойчивой работы (угол нагрузки двигателя выходит за max) и возврат в зону устойчивой работы может обеспечиваться воздействием на ток возбуждения контуром управления по углу нагрузки машины. Данное превышение угла нагрузки max обычно имеет кратковременный характер, но при загруженной машине может привести к выходу СД из синхронизма.
Для предотвращения сваливания СД в асинхронный режим необходимо снижать ток возбуждения при выходе из форсировочного режима. Способы реализации данной задачи следующие:
- ввести новый параметр - скорость закрытия тиристоров (гр. элек/сек) до значения, при котором cos = 1 (включается ПИД-регулятор);
- запомнить значение угла открытия тиристоров, при котором в последний раз cos = 1, и по окончании форсировки открыть тиристоры именно на этот угол;
- поднять уставку «напряжение 10 кВ отключение форсировки» с 9,8 до 10 или 10,2 кВ, что позволит увеличить время форсировки, а значит, и время на стабилизацию параметров СТД;
- поднять уставку «напряжение 10 кВ отключение форсировки» с 9,8 до 10,9-11 кВ, что позволит отключить уставку выхода из форсировки по напряжению, а форсировка будет заканчиваться через положенные 8 с;
- изменить параметры ПИД-регулятора.
Для реализации данной задачи необходимо провести экспериментальные исследования на действующем оборудовании либо воспроизвести представленные способы реализации задачи на математической модели.
Изменение существующих настроек ПИД-регулятора для предотвращения подобных ситуаций возможно, но в таком случае могут возникнуть аварийные ситуации при существующих безаварийных режимах. Если настроить ПИД-регулятор «быстрее» для быстрого подъема тока возбуждения и его снижения, то это может привести к неустойчивой работе и «раскачиванию» в других режимах. Если настроить ПИД-регулятор «медленнее», то он может не справиться с резкими изменениями нагрузки на валу ротора, что встречается довольно часто при загрузке ЭГПА.
а)
б)
в)
Рис. 3. Осциллограммы режима форсировки СД с различной нагрузкой на валу: а - начальный ток возбуждения 180 А (перерегулирования нет); б - начальный ток возбуждения 200 А (небольшое перерегулирование, около 20 А); в - начальный ток возбуждения 300 А (значительное перерегулирование, асинхронный ход)
Математическая модель. Для анализа эффективности функционирования и определения оптимальных параметров ПИД-регулятора с использованием дифференциальных уравнений была разработана математическая модель системы электроснабжения компрессорного цеха в составе ЭГПА-12,5 МВт с неполнонапорными нагнетателями [11].
Разработаны математические модели трансформатора ТРДЦН-63000 220/10/10 кВ, синхронного двигателя СТД-12500, тиристорного возбудителя и системы управления возбуждением.
При этом был сделан ряд допущений:
1) для СД:
- используются уравнения Парка-Горева, полученные для идеализированной машины, при этом не учитывается зависимость параметров двигателей от их режима;
- не учитывается магнитное насыщение СД;
- в воздушном зазоре машины действуют намагничивающие силы только первой гармоники;
- не учитываются потери на перемагничивание;
- считается, что обмотки статора выполнены симметрично, а ротор двигателя симметричен относительно осей d и q;
- индуктивность рассеяния не зависит от положения ротора в пространстве;
2) для трансформаторов считается, что их параметры постоянны и не изменяются при внешних воздействиях (напряжений, токов нагрузки и т.д.) на магнитные поля;
3) для внешней питающей сети считается, что трансформатор с расщепленной обмоткой в узле нагрузки КС питается от источника бесконечной мощности.
Ядро системы моделирования разработано в среде MatLAB, в которой реализованы все возможности применяемых математических соотношений и с необходимой детализацией учтены параметры элементов, внешних воздействий и команд микропроцессорной системы управления. Для воспроизведения результатов численных экспериментов использовано приложение Simulink.
Несмотря на сделанные допущения, результаты, полученные с использованием разработанной математической модели, совпадают в пределах точности определения исходных данных с экспериментальными данными, полученными на действующем оборудовании КС в реальной системе электроснабжения.
Результаты исследования. Разработанные математические модели позволяют воспроизвести работу компрессорного цеха с двумя электроприводами, подключенными к одной или двум секциям вторичной обмотки трансформатора ТРДЦН-63000 220/10/10 кВ.
Полученная математическая модель позволяет: воспроизводить провалы напряжения на шинах и анализировать параметры провала по степени опасности нарушения работоспособности агрегата; находить возможности воздействия со стороны системы возбуждения; исследовать работу в установившихся и переходных процессах для оценки статической и динамической устойчивости; оценить взаимное влияние электроприводов в различных режимах их работы.
Известен способ управления током возбуждения СД, рассмотренный в [12] и в настоящее время успешно применяющийся в современных цифровых возбудителях типа ВТЦ-СД (производитель ОАО “НИПОМ”). На объектах газовой промышленности цифровые возбудители типа ВТЦ-СД получили широкое распространение. Однако при эксплуатации цифровых возбудителей ВТЦ-СД на КС с неполнонапорными нагнетателями выявлены недостатки применяемого способа управления током возбуждения СД, а именно, сваливание СД в асинхронный ход при выходе из форсировочного режима. Поэтому принятый за основу данный способ управления током возбуждения требует усовершенствования для работающих в послеаварийных режимах СД,
В процессе проведения численных экспериментов на математической модели был разработан способ управления током возбуждения СД с регулируемой скоростью развозбуждения и контролем диапазона угла нагрузки СД в послеаварийных процессах.
Разработанный и реализованный на производственных объектах способ управления током возбуждения в послеаварийных режимах обеспечивает минимальные потери энергии в двигателе, повышение динамической и статической устойчивости синхронного режима его работы и повышение точности ограничения максимального тока возбуждения по условию предотвращения перегрева ротора.
Суть указанного способа заключается в том, что плавным уменьшением тока возбуждения (с фиксированным шагом и заданной скоростью) в процессе восстановления параметров энергосистемы после аварийных процессов исключается выход двигателя в зону неустойчивой работы, при этом осуществляется контроль угла нагрузки и коэффициента мощности двигателя для воздействия на ток возбуждения соответствующим контуром управления. Ток возбуждения уменьшается со значения тока форсировки возбуждения до момента, пока cos двигателя не войдет в заданный диапазон (cosзад ± ) и значение тока возбуждения не войдет в заданный диапазон (Ifmax, Ifmin), при этом воздействие на ток возбуждения происходит изменением уставки напряжения статорной цепи на входе регулятора напряжения, при этом реализуется соподчиненный принцип регулирования.
Уставка коэффициента плавного снижения тока возбуждения «Delta COS форсировка» задается в о.е. от 1 до 50. При этом «50» - это в три раза быстрее, чем если бы измеренное значение cos было за границей «m_K_cos_3» (0,15 - значение по умолчанию). Соответственно, «1» - минимальное значение и максимальное время снижения тока возбуждения. Рекомендуемое значение «15-20».
Уставка диапазона входа в значение cos «Допуск COS выхода форс» задается в о.е. в диапазоне ± (0,01-0,1).
После входа параметров cos, тока возбуждения в границы вышеуказанных диапазонов значение угла нагрузки находится в заданном диапазоне (min, max) и воздействие на ток возбуждения производится контуром по отклонению напряжения статорной цепи, при этом уставкой регулятора напряжения статора управляет третий, вспомогательный регулятор, который, удерживая величину cos двигателя вблизи единицы, обеспечивает минимизацию потерь в статорной цепи.
Контур управления по напряжению статора содержит четвертый, вспомогательный регулятор плавного снижения тока возбуждения, который формирует уставку напряжения для регулятора напряжения только в послеаварийных процессах энергосистемы. Соподчиненное построение данного регулятора с регулятором напряжения обеспечивает безударные переходы управления между третьим и четвертым вспомогательными регуляторами. Схема устройства с регулируемой скоростью развозбуждения приведена на рис. 4.
Одним из основных элементов, определяющих наличие либо отсутствие условий включения регулятора плавного снижения тока возбуждения, является блок вычисления снижения тока возбуждения 27 (рис. 4). На рис. 5 приведен алгоритм работы блока 27 вычисления снижения тока возбуждения.
Рис. 4. Схема устройства с регулируемой скоростью развозбуждения и контролем диапазона угла нагрузки электродвигателя: 1 - регулятор контура управления током возбуждения по отклонению напряжения статора (РН); 2 - регулятор угла нагрузки двигателя (РУН); 3 - задатчик угла нагрузки (ЗУН); 4 - вычитающий элемент; 5 - вычитающий элемент; 6 - переключающий элемент; 7 - трехпозиционный элемент сравнения (3-ЭС); 8 - регулятор изменения cos (Р cos); 9 - переключающий элемент; 10 - ограничивающий элемент (ОЭ); 11 - тиристорный возбудитель (ТП); 12 - элемент сравнения (2-ЭС); 13 - преобразователь cos двигателя (ПР cos); 14 - преобразователь угла нагрузки (ПУН); 15 - датчик напряжения статора (ДНД); 16 - датчик тока возбуждения If (ДТВ); 17 - датчик напряжения возбуждения Uf (ДНВ); 18 - вычислительный блок расчета текущего значения температуры обмотки ротора (БВТ); 19 - датчик положения вектора магнитного момента ротора (ДПР); 20 - датчик тока цепи статора (ДТД); 21 - синхронный двигатель; 22 - задатчик плавного снижения тока возбуждения (ЗПС); 23 - регулятор плавного снижения тока возбуждения (РПС); 24 - вычитающий элемент; 25 - переключающий элемент; 26 - четырехпозиционный элемент сравнения (2-ЭС); 27 - блок вычисления снижения тока возбуждения (БВ)
Рис. 5. Алгоритм работы блока 27 вычисления снижения тока возбуждения
После окончания режима форсировки снижение тока возбуждения происходит с постоянной скоростью, определяемой уставкой «Delta COS форсировка», регулятор 23 (рис. 4) уменьшает ток возбуждения, при этом:
- если синхронный двигатель недовозбужден (cos < 0), регулятор 23 снижает ток возбуждения до значения уставки «Макс. Ток возбуждения»;
- если синхронный двигатель перевозбужден (cos > 0), регулятор 23 снижает ток возбуждения до значения уставки «Мин. ток возбуждения»;
- если измеренное значение (вычисленного алгоритмом ЦОС БПФ) cos равно уставке «Уставка COS » с допуском, определяемым уставкой «Допуск COS выхода форс» и значение тока возбуждения выше значения уставки «Макс. Ток возбуждения», регулятор 23 снижает ток до значения уставки «Макс. Ток возбуждения».
После выполнение вышеописанных условий управление переходит в режим регулирования по закону «Uст + cos» - регулятор 8 и регулятор 1. Если значение тока возбуждения ниже значения уставки «Макс. Ток возбуждения» и измеренное значение (вычисленного алгоритмом ЦОС БПФ) cos равно уставке «Уставка COS » с допуском, определяемым уставкой «Допуск COS выхода форс», управление сразу переходит в режим регулирования по закону «Uст + cos» - регулятор 8 и регулятор 1.
Разработанный алгоритм исключает режим перерегулирования и предотвращает работу СД в зоне неустойчивой синхронизации. Экспериментально доказана эффективность изменения способа управления током возбуждения САР в послеаварийных режимах, исключающего работу СД в зоне неустойчивой синхронизации, что подтверждается экспериментальными осциллограммами (рис. 6).
а)
б)
Рис. 6. Экспериментальные осциллограммы параметров СД до и после изменения способа управления током возбуждения: а - до изменения параметров; б - после изменения параметров
Выводы
Определены способы повышения устойчивости работы мощных СД в послеаварийных режимах. С использованием методов математического моделирования исследована работа электроприводов с мощными СД в установившихся и переходных процессах для оценки статической и динамической устойчивости с учетом их взаимного влияния. Анализ результатов, полученных с помощью математического моделирования показал, что применение измененного алгоритма выхода из форсировки путем плавного, с заданной скоростью и дискретностью снижения тока возбуждения при одновременном контроле угла нагрузки и коэффициента мощности мощного СД исключает возможность выхода СД из синхронизма и предотвращает потерю статической устойчивости другого мощного СД. Достоверность результатов, полученных с помощью математического моделирования, подтверждается экспериментальными данными.