CC BY
126
УДК 621.313.323.018.782.3.013.8 ББК З261.621-016-045
Х.Н. РАСУЛЗОДА
ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ С ПИД-РЕГУЛЯТОРОМ
Ключевые слова: автоматическое регулирование возбуждения, переходные процессы, короткое замыкание, ПИД-регулятор.
В настоящее время имеют место нарушения устойчивости электроэнергетических систем, возникающие при снижении частоты, при набросах нагрузки, а также при снижении напряжения в узлах системы при различных повреждениях. Эффективным средством устойчивости работы электрических станций является автоматическое регулирование возбуждения синхронных генераторов. На основе выполненных исследований целесообразно применять ПИД-регулятор в системе регулирования возбуждения синхронных генераторов Нурекской гидроэлектростанции Республики Таджикистан. Согласно результатам исследования сделан вывод, что данный вид регулирования позволяет обеспечить устойчивость генераторов и соответствие характеристик переходного процесса требованиям, предъявляемым к их качеству. В статье представлены результаты исследования применения ПИД-регулятора в системе возбуждения синхронных генераторов в качестве регулятора при нормальных и аварийных ситуациях.
В энергосистеме Республики Таджикистан выработка электрической энергии в основном осуществляется на гидроэлектростанциях (ГЭС) (более 98%), в том числе 97% на крупных и средних электростанциях. Основным узлом энергосистемы является Нурекская ГЭС, она системообразующая и частотно-регулирующая, на нее приходится почти 60% выработки электрической энергии энергосистемы. Исходя из вышесказанного, можно предполагать, что устойчивость энергосистемы Таджикистана в основном зависит от режимов работы и устойчивости данной ГЭС.
Регулирование напряжения - одна из важнейших задач, которая предопределяется требованиями потребителей к качеству электрической энергии. Системные требования к уровню напряжения в высоковольтных линиях задаются особенностями параллельной синхронной работы генераторов энергосистемы. Каждый из современных силовых синхронных генераторов электростанций оснащается автоматической системой регулирования возбуждения (АРВ), работа которой происходит в нормальных режимах и в аварийных ситуациях. Высокое быстродействие современных АРВ позволяет достаточно эффективно демпфировать электромеханические переходные процессы, обусловленные качаниями роторов синхронных генераторов после больших возмущений в системе, включая и наиболее тяжёлые короткие замыкания [2]. Колебательные свойства ротора зависят от характеристик системы регулирования синхронных генераторов и их параметров, а также от параметров энергосистемы. На практике необходимо располагать такими показателями качества переходного процесса, которые позволяют обоснованно выбирать управляющие устройства, в частности АРВ, и осуществлять их настройку таким образом, чтобы протекание переходного процесса обеспечивалось в соответствии с требованиями, предъявляемыми к их качеству [2, 5].
В общем случае переходный электромеханический процесс после резкого возмущения можно разбить на три этапа (рис. 1): I - начальная стадия переход-
Рис. 1. Этапы протекания переходного электромеханического процесса после резкого возмущения
ного процесса; II - промежуточная стадия; III - заключительная стадия переходного процесса.
При выходе генератора из синхронизма на первых двух этапах принято говорить о нарушении динамической устойчивости, а при выходе генератора из синхронизма на третьем этапе - о переходе его в асинхронный режим. Целесообразно рассматривать первые два этапа переходного процесса в отдельности, хотя они и характеризуют динамическую устойчивость, так как условия нарушения динамической устойчивости в обоих случаях разные и для её сохранения требуются также разные меры [2].
На первом этапе действие регулирующих устройств может оказаться малоэффективным либо вообще слабо проявляться. В этом случае обычно применяются устройства противоаварийной автоматики. На втором этапе интенсивное затухание больших качаний ротора генератора может быть достигнуто с помощью регулирующих устройств, в первую очередь АРВ.
Для более точного регулирования, как известно, необходимо увеличивать коэффициент усиления регулятора, но его чрезмерное увеличение приводит к неустойчивой работе генератора и системы [5].
Автоматический регулятор возбуждения, осуществляющий поддержание напряжения на шинах генератора по ПИД-закону регулирования в соответствии с заданной установкой в нормальных режимах работы генератора, имеет стабилизирующие каналы регулирования по отклонению напряжения статора и производным напряжения статора и тока ротора.
Пропорциональная составляющая вырабатывает сигнал, который противодействует отклонению регулируемой величины в данный момент времени. Его интегральная составляющая накапливает результирующее значение регулируемой величины, выравнивая, таким образом, недостаток пропорционального регулирования. Кроме того ПИД-регулятор обладает дифференциальной составляющей, которая прогнозирует отклонение и следит за скоростью его изменения [3]. Она обеспечивает быстродействие ПИД-регулятора. Структурная схема ПИД-регулятора приведена на рис. 2.
Рассмотрим математическое описание идеального ПИД-регулятора. Формула выходного сигнала ПИД-регулятора имеет вид
7(0 = Р +1 + Б = К • Е + Т-^Е^Ж + (1)
' о
Ж
где 7(0 - выходной сигнал регулятора; Р - пропорциональная часть; I - интегральная часть; Б - дифференциальная часть; К - коэффициент усиления; Т -постоянная интегрирования; Та - время дифференцирования.
Как видно из формулы, дифференциальная часть с коэффициентом Та -временем дифференцирования - существенно уменьшает время регулирования и улучшает динамическое качество регулирования.
Рис. 2. Структурная схема ПИД-регулятора
По результатам проведенных исследований на модели, представленной на рис. 3, и выполнения базовых экспериментов были изучены характеристики, описывающие протекание переходных процессов при изменении нагрузки и при трехфазном коротком замыкании (КЗ) на линии электропередачи, соответственно. Осуществлялось регулирование напряжения изменением возбуждения синхронного генератора, а также автоматическое предотвращение нарушения динамической устойчивости форсированием возбуждения синхронного генератора [4].
Рис. 3. Электрическая схема соединения работы генератора на сеть
Параметры исследуемой модели приведены в таблице.
Параметры модели
Обозначение Наименование Параметры
G1 Трехфазный источник питания 400 В ~; 16 А
Q1, Q2 Трехполюсный выключатель 400 В ~; 10 А
T Трехфазный трансформатор 3 х 80 В-А; 242, 235, 230, 126, 220, 133, 127 /230 В (треугольник)
L1, L2 Модель линии электропередачи 400 В ~; 3 х 0,5 А
G2 Источник питания переменного тока 100 Вт / ~ 230 В / 1500 мин - 1
При проведении эксперимента в нормальном режиме во время ступенчатого увеличения реактивной составляющей нагрузки до трехкратной величины не наблюдалось изменения частоты вращения ротора генератора и сниже-
ния напряжения у потребителей. Это происходило вследствие действия ПИД-регулятора, формировавшего управляющие сигналы, являющиеся суммой трёх слагаемых: первое слагаемое пропорционально разности входного сигнала и сигнала обратной связи (сигнал рассогласования); второе слагаемое представляет собой интеграл сигнала рассогласования, третье - производную сигнала рассогласования. ПИД-регулятор действовал на возбудитель с целью поддержания напряжения. Понижение напряжения наблюдалось только при увеличении реактивной составляющей нагрузки в три раза. В данном случае недостаток реактивной мощности в системе влечет за собой снижение напряжения в узлах электрических сетей и у потребителей согласно формуле
(Р
■ Гуд + • Худ )Ь
ли = -
(2)
На рис. 4 приведена опытная характеристика генератора, работающего без АРВ при трехфазном КЗ.
яю 1
480 0?5
440 0.9
420 0£5
400 0.8
з»и 0.75
V
з4и
320 0{5
300 0,6
280 0,55
™
240 < «*
220 | 0,45
200 Н 0,4
180 ода
1»|
140 0.3
120 055
100 0.2
«и 0,15
40 0.1
20 0р5
■20 ■40 ■005
Времй.с
Рис. 4. Переходные процессы синхронного генератора при КЗ без АРВ: 1 - значение угла нагрузки; 2 - значение напряжения генератора; 3 - значение токов защиты (в зависимости от времени)
При отключении КЗ и отсутствии АРВ генератор выпадал из синхронизма, что сопровождалось значительными колебаниями напряжения (позиция 2) и угла нагрузки (позиция 1). О выпадении из синхронизма генератора можно было судить и по данным амперметров, показывавших значительные толчки тока, и вольтметров, фиксировавших сильные колебания напряжения. В этом случае генератор терял устойчивость при возмущении.
При выпадении генератора из синхронизма необходимо было попытаться восстановить и обеспечить его синхронную работу, максимально увеличивая возбуждение и уменьшая активную нагрузку.
и
На рис. 5 приведены результаты исследования генератора с ПИД-регу-лятором.
Рис. 5. Переходные процессы синхронного генератора при трехфазном КЗ с АРВ (законом ПИД-регулирования): 1 - значение угла нагрузки;
2 - значение тока возбуждения; 3 - значение напряжения генератора;
4 - значение токов защиты (в зависимости от времени)
При наличии у синхронного генератора АРВ после отключения КЗ происходил один асинхронный поворот ротора, после чего генератор втягивался в синхронизм. Процесс происходил следующим образом: при трехфазном КЗ на линии электропередачи не наблюдалось резкого падения напряжения согласно характеристике (позиция 3), что обусловлено действием форсировки возбуждения. Ток в цепи возбудителя возрастает до максимального значения (позиция 2), следовательно, увеличиваются ЭДС генератора и напряжение на выводах генератора (позиция 3). Поддержание напряжения на выводах генератора позволяет сохранить нормальный режим работы потребителей электроэнергии. После отключения поврежденного участка релейной защитой восстанавливается нормальный режим работы. Угол нагрузки (позиция 1) тоже колеблется, но с малыми отклонениями.
Выводы. При коротких замыканиях и других аварийных режимах, связанных со значительным понижением напряжения, предложенный вариант регулирования быстро и значительно форсирует ток возбуждения и тем самым изменяет ЭДС генератора. В режимах, связанных с повышением напряжения на шинах электрической станции, АРВ быстро снижает ЭДС генератора, выполняя тем самым процесс расфорсировки.
Применение АРВ позволит повысить динамическую устойчивость за счет снижение периода длительности КЗ.
ПИД-закон регулирования напряжения обеспечивает более высокий уровень колебательной устойчивости системы при меньших величинах коэффициентов усиления каналов стабилизации и одновременно позволяет повысить точность регулирования. Предлагается применение данного ПИД-регулятора в системе регулирование возбуждения генераторов Нурекской гидроэлектростанции Республики Таджикистан.
Литература
1. Борзов А.Б., Бумагин А.В., Гондарь А.В., Лихоеденко К.П. Вариант построения регулятора возбуждения синхронных электрических генераторов, обеспечивающий оптимизацию параметров переходных процессов в сопряженной энергосистеме // Наука и образование. 2012. № 6. С. 329-350.
2. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высш. шк., 1985. 536 с.
3. Денисенко В.В. ПИД-регуляторы: принципы построения и модификации // Современные технологии автоматизации. 2006. № 4. С. 66-74.
4. Карпеш М.А., Сенигов П.Н. Автоматика электроэнергетических систем. Руководство по выполнению базовых экспериментов. АЭ.001 РБЭ (922). Челябинск: Иженерно-производ-ственный центр «Учебная техника», 2006. 217 с.
5. Щедрин В.А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. 416 с.
РАСУЛЗОДА ХУСРАВ НАЗИР - аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (khusrav313233@mail.ru).
Kh. RASULZODA STUDIES OF EXCITATION SYSTEM OF THE SYNCHRONOUS GENERATORS WITH PID-CONTPOLLER
Key words: automatic excitation control, transition processes, short circuit, PIDcontroller.
At present there is instability of electric power systems, arising from frequency decrease, at load rise, as well as at voltage reduction in subsystems due to damage. Effective means of stability of electric power plants generators is automatic control of excitation of the synchronous generators. On the basis of the research, it is advisable to apply a PIDcontroller in Nurek hydroelectric power plant excitation regulation system of the synchronous generators of the Republic of Tajikistan. According to the results of the research, this type of regulation allows ensuring stability of the generators. It also ensures that the characteristics of the transition process meet quality requirements. The present article considers the results of PID-controller application in synchronous generators excitation system as the regulator in normal and emergency situations.
References
1. Borzov A.B., Bumagin A.V., Gondar' A.V., Likhoedenko K.P. Variantpostroeniya regulya-tora vozbuzhdeniya sinkhronnykh elektricheskikh generatorov, obespechivayushchii optimizatsiyu parametrov perekhodnykh protsessov v sopryazhennoi energosisteme [Variant of construction of the regulator of excitation of synchronous electric generators, providing optimization of parameters of transients in the conjugated power system]. Zhurnal Nauka i obrazovanie: nauchnoe izdanie MGTU im. N.E. Baumana [Journal of Science and Education], 2012, no. 6, pp. 329-350.
2. Venikov V.A. Perekhodnye elektromekhanicheskie protsessy v elektricheskikh sistemakh [Transient electromechanical processes in electrical systems]. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1985, 536 p.
3. Denisenko V.V. PID-regulyatory: printsipypostroeniya i modifikatsii [PID controllers: principles of construction and modification]. Sovremennye tekhnologii avtomatizatsii [Modern automation technologies], 2006, no. 4, pp. 66-74.
4. Karpesh M.A., Senigov P.N. Avtomatika elektroenergeticheskikh system [Automation of electric power systems]. Rukovodstvo po vypolneniyu bazovykh eksperimentov. AE.001 RBE (922) [Guide to basic experiments. AE.001 RBE (922)]. Chelyabinsk, 2006, 217 p.
5. Shchedrin V.A. Elektromagnitnye perekhodnye protsessy v elektricheskikh sistemakh [Electromagnetic transients in electrical systems]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2007, 416 p.
RASULZODA KHUSRAV - Post-Graduate Student, Department of Power Supply of Industrial Enterprises, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.
Ссылка на статью: Расулзода Х.Н. Исследования системы возбуждения синхронных генераторов с ПИД-регулятором // Вестник Чувашского университета. - 2017. - № 3. - С. 123-129.
