CC BY
140
УДК 621.313.322-81
И. М. Валеев, П. С. Кудашов
МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТУРБОГЕНЕРАТОРА ТВФ-120-2
Ключевые слова: турбогенератор, модернизация, регулирование возбуждения, форсировка, зона нечувствительности.
Проведен анализ существующих схем возбуждения генераторов, выявлены недостатки этих схем, существующую систему возбуждения по схеме высокочастотный генератор - полупроводниковый выпрямитель, полностью заменили на систему тиристорного возбуждения с регулятором сильного действия. Тиристорная система обеспечит: повышение устойчивости параллельной работы генераторов в аварийных режимах, повышение КПД системы возбуждения. Улучшение этих технических характеристик позволит повысить качество отпускаемой электроэнергии и повысить загрузку турбогенератора по мощности.
Keywords: turbogenerator, modernization, excitation control, forcing, deadband.
The analysis of the existing generator excitation schemes identified disadvantages of these schemes, the existing excitation system for the high-frequency generator circuit - a semiconductor rectifier, fully replaced by a system of thyristor excitation regulator of strong action. Thyristor system will provide: increasing the stability ofparallel operation of generators in emergency conditions, increasing the efficiency of the excitation system. Improving these specifications will improve the quality of supplied electricity and increase the load on the turbine generator power.
Введение
Автоматическое управление процессом производства и распределения электроэнергии предполагает прежде всего автоматическое регулирование напряжения и частоты и связанных с ними реактивной и активной мощности синхронных генераторов.
Система автоматического регулирования возбуждения является основной системой, поддерживающей устойчивость работы энергосистемы и регулирующей уровень напряжения потребителей, который является одним из основополагающих факторов оценки качества электрической энергии.
К системам возбуждения синхронных генераторов предъявляются следующие требования:
1) надежное питание обмотки возбуждения в нормальных и аварийных режимах;
2) регулирование напряжения возбуждения в достаточных пределах;
3) быстродействующее регулирование возбуждения с высокими кратностями форсирования в аварийных режимах;
4) быстрое развозбуждение и в случае необходимости - гашение поля в аварийных режимах.
Переход к системам возбуждения, построенным на основе тиристорных преобразователей и осуществляющих сильное регулирование возбуждения, привёл к повышению качества электроэнергии, надёжности электроснабжения потребителей, более полному использованию мощности электрических станций, повышению пропускной способностью линии электропередач, что в настоящем времени является немаловажным фактором.
Применение тиристорных систем возбуждения на генераторах серии ТВФ-120-2, мощностью 120 МВт, на которых сейчас используются высокочастотные системы, построенные по схеме высокочастотный генератор - неуправляемый выпрямитель позволит наряду с вышеперечисленным повысить коэффициент полезного действия системы возбуждения, снизить эксплуатационные расходы.
Обзор существующих систем возбуждения генераторов
Основное назначение генераторов, выработка электрической энергии, имеющей заданные параметры по величине напряжения и частоты.
Поддержание напряжения на выводах генератора или в заданной точке электрической системы обеспечивает система автоматического регулирования возбуждения (АРВ).
Регулирование частоты в электрической системе осуществляется системой автоматического регулирования частоты вращения турбины.
Кроме основной функции, генератор может работать в режиме компенсатора реактивной мощности. Автоматическое регулирование напряжения и реактивной мощности осуществляется воздействием на возбудитель синхронного генератора [1]. Среди систем возбуждения можно выделить две основные схемы: схема самовозбуждения и схема независимого возбуждения. Данные схемы предусматривают только ручное регулирование, которое может выполняться только в нормальных условиях работы и ток возбуждения при этом не выходит за пределы номинальных значений. Наиболее простым способом повышения устойчивости параллельной работы генераторов в аварийных режимах является форси-ровка возбуждения генераторов сверх номинальных значений, что наиболее просто осуществляется закорачиванием всех внешних сопротивлений в цепь обмотки возбуждения при помощи устройств релейной форсировки возбуждения.
Дальнейшее развитие системы АРВ получили по пути пропорционального автоматического регулирования, которые различаются по отклонению напряжения от заданного значения и по возмущающим воздействиям на синхронных генераторах.
При первом способе регулирования, ток регулятора пропорционален разности заданного и действительного напряжений.
При втором способе регулирования возбуждения осуществляется в соответствии с возмущающим воздействием.
На синхронных генераторах с электромашинными возбудителями постоянного тока обычно устанавливают следующие устройства АРВ:
1) автоматическое регулирование возбуждения по возмущению (компаундированное возбуждение) - корректор напряжения (АРВ по отклонению напряжения);
2) устройство релейной форсировки возбуждения.
Повышение мощности синхронных генераторов
привело к отказу от электромашинных возбудителей постоянного тока, коллектор которых имеет ограничения по максимальному напряжению и току из-за больших трудностей создания коллекторов большого диаметра, а применение редукторов в приводе возбудителей снижает надёжность системы возбуждения.
В настоящее время находятся в эксплуатации генераторы большой мощности 100 МВт серии ТВФ с безредукторным электромашинным возбудителем постоянного тока. Они имеют системы АРВ с электромашинными возбудителями переменного тока повышенной частоты и неуправляемыми выпрямителями и возбудители с управляемыми вентилями. Примеры схем указанных систем приведены на рис. 1, 2.
Рис. 1 - Структурная схема высокочастотного возбуждения
Рис. 2 - Система тиристорного самовозбуждения
Системы АРВ с электромашинными возбудителями реализуют закон пропорционального регулирования (по отклонению контролируемой величины и ее производной). Необходимость в сильном регулировании возникла в связи с увеличением индуктивных сопротивлений и уменьшения постоянных инерций у генераторов большой мощности, т.е. из-за ухудшения обеспечения устойчивости параллельной работы в энергосистеме.
В связи с дальнейшим возрастанием мощности генераторов (800 МВт, 1000 МВт, 1200 МВт) и
сложностями создания щеточного аппарата на большие токи создаются, исследуются и эксплуатируются генераторы с бесщеточной системой возбуждения не имеющей ограничений по току ротора, проходящего через кольца ротора в щеточных системах [2].
Обоснование и выбор системы АРВ
Согласно ПУЭ для генераторов мощностью более 100 МВт следует устанавливать быстродействующие системы с АРВ сильного действия, обеспечивающие нарастание напряжения до 95 % потолочного за время не более 0,08 с.
Генераторы ТВФ-120-2 имеют машинно-полупроводниковый возбудитель с выпрямителем переменного тока повышенной частоты на основе неуправляемых вентилей. Система АРВ пропорционального действия обеспечивает точность регулирования ± 1,0 % ином. Данная система характеризуется более длительным временем переходного процесса по сравнению с системой АРВ с тиристорным пред-возбудителем. Применив на синхронном генераторе тиристорный предвозбудитель с автоматическим регулятором возбуждения сильного действия (АРВСД), который вырабатывает регулирующее воздействие не только по отклонению регулируемого напряжения, но и по скорости его изменения и изменением других режимных параметров и возмущающих воздействий будет иметь более быстрое протекание процесса восстановления напряжения и более качественное регулирование (менее выраженное перерегулирование и более интенсивное затухание колебательного переходного процесса).
Следовательно АРВСД имеет следующие преимущества:
1) более качественное поддержание заданного уровня напряжения в нормальных условиях;
2) повышенная устойчивость параллельной работы генераторов при коротких замыканиях (КЗ) в сети и при аварийных изменениях мощности;
3) более высокая четкость действия устройств релейной защиты при КЗ в сети за счёт увеличения токов короткого замыкания
На рис 3 представлена структурная схема системы регулирования возбуждения. Регулятор осуществляет формирование регулирующего воздействия
по отклонению напряжения Диг и производной иг и стабилизацию по изменению частоты Дf и производной частоты f [3].
Кроме осуществления закона регулирования возбуждения АРВ осуществляет форсировку возбуждения, ограничение тока ротора на двукратном уровне. Схема тиристорного самовозбуждения включает в себя два соединённых параллельно управляемых выпрямителя: рабочего УВр и форсировочного УВф, которые через выпрямительный трансформатор (ВТ) подключены к выводам генератора и питают выпрямленным током обмотку ротора. Рабочий выпрямитель подключен к ответвлениям вторичной обмотки трансформатора ВТ, а форсировочный - на геометрическую сумму полного вторичного напря-
жения трансформатора ВТ и ЭДС во вторичной обмотке последовательного трансформатора (ПТ).
Такое включение обеспечивает необходимый уровень форсировки при всех режимах. Система самовозбуждения с последовательным трансформатором по своим свойствам в переходных процессах примерно одинакова с системой независимого возбуждения [4]. Трансформаторы собственных нужд выпрямителей 1ТСНр и 2ТСНф питают схемы управления тиристорами рабочего СУТр и форсиро-вочного СУТф выпрямителей автоматического регулятора возбуждения. Канал регулирования по на-
пряжению формирует сигналы по отклонению Диг
и производной иг напряжения синхронного генератора воздействия на форсировку возбуждения (ФВ). В него входят блок напряжения (БН), дифференциатор Du и блок компаундирования по току (БКТ). Данный блок представляет собой устройство токовой стабилизации и компенсации, которое предназначено для создания увеличенного положительного или отрицательного статизма внешней характеристики регулируемого синхронного генератора.
Рис. 3 - ^руктурная схема системы регулирования возбуждения
В блок напряжения входит измерительный орган напряжения (ИОН), формирующий сигнал по отклонению напряжения.
Сигнал по производной напряжения формируется дифференциатором Du. Так же в блок входит реле форсировки (РФ) напряжения и элементы изменения уставки регулятора, а именно: потенциал -регулятор (ПР) с двигателем изменения уставки (ДИУ).
Канал стабилизации по изменению частоты формирует сигналы по частоте Дf и её производной f . Для этого служит блок частоты и защиты (БЧЗ), состоящий из измерительного органа частоты с усилителем, цепи йД преобразования отклонения частоты в изменение частоты Дf и дифференциатора йГ Защита выполняет операции запрещающие действия сигналов по изменению и производной частоты в некоторых аварийных режимах.
Канал управления по току ротора подключается к измерительным трансформаторам тока ТТВр и
ТТВф в цепях выпрямителей возбудителя и состоит из блока ограничения тока ротора при форсировке БОР21 и реле ограничения форсировки (РОФ). Сигналы измерительных органов суммируются магнитным усилителем МУ1. В усилительно-исполнительную часть входят два реверсивных магнитных усилителя МУ2р и МУ2ф, выходные напряжения которых воздействуют на схемы СУТр и СУТф. В нормальных режимах в работе находится рабочий выпрямитель УВр, а форсировочный УВф имеет лишь небольшую загрузку для контроля исправности выпрямителя и включается в работу лишь при форсировке. Такой режим обеспечивается зоной нечувствительности [5].
Выводы
Основная цель модернизации - повышение надёжности электроснабжения потребителей электроэнергии. Для этого существующую систему возбуждения по схеме высокочастотный генератор - полу-
проводниковый выпрямитель, полностью заменили на систему тиристорного возбуждения с регулятором сильного действия. Тиристорная система обеспечит повышение устойчивости параллельной работы генераторов в аварийных режимах и повышение КПД системы возбуждения.
Улучшение этих технических характеристик позволит повысить качество отпускаемой электроэнергии и повысить загрузку турбогенератора по мощности.
Опыт эксплуатации энергетических систем показывает, что с точки зрения устойчивой работы энергосистемы быстродействующее регулирование частоты вращения и особенно напряжения имеет исключительно важное значение. Экономический эффект от внедрения автоматического регулирования энергосистем не поддаётся простому подсчёту, но он чрезвычайно велик. Аварии с нарушением устойчивости энергетических систем в современных условиях приносят колоссальный материальный ущерб. При оснащении энергосистем устройствами автоматического регулирования такие аварии стано-ваятся маловероятными.
Модернизированная система полностью удовлетворяет всем требованиям и способна обеспечить потребителя более качественным поддержанием заданного уровня напряжения в нормальных условиях, повысить устойчивость параллельной работы генераторов при КЗ в сети и при аварийных изменениях мощности, повысить чёткость действия устройств релейной защиты при КЗ в сети за счёт увеличения токов короткого замыкания.
Литература
1. Ю. А. Морозова, Параметры и характеристики вентильных систем возбуждения мощных синхронных генераторов. Энергия, Москва, 1986. 153 с.
2. В. Г. Доргунцев, Н. И. Овчаренко, Элементы автоматических устройств энергосистем. Энергия, Москва, 1979. 241 с.
3. В. Л. Бунаков, Р. Г. Гаспаров, Полупроводниковые регуляторы напряжения и частоты электрическизх машин. Энергия, Ленинград, 1986. 120 с.
4. О. Г. Чебовский, Силовые полупроводниковые приборы. Энергоиздат, Ленинград, 1985. 398 с.
5. Б. Н. Абрамович, А. А. Круглый Возбуждение, регулирование и устойчивость синхронных машин. Энерго-атомиздат, Ленинград, 1983. 70 с.
© И. М. Валеев - доктор технических наук, профессор кафедры электропривода и электротехники КНИТУ, [email protected]; П. С. Кудашов - магистр той же кафедры, [email protected].
© I. M. Valeev - Doctor of Technical Sciences, Professor, Kazan National Research Technological University, Electric drive and Electrotechnics, [email protected]; Р. S. Kudashov - undergraduate student of Electric drive and Electrotechnics department KNRTU, [email protected].
