Релейно-логический метод управления бесщеточными синхронными генераторами Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 681.51:681.3

РЕЛЕЙНО-ЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ БЕСЩЕТОЧНЫМИ СИНХРОННЫМИ ГЕНЕРАТОРАМИ

Ю.Н. Хижняков, A.A. Южаков

Пермский государственный технический университет E-mail: luda@at.pstu.acru

Рассмотрен релейно-логический метод управления параллельной работой бесщеточных синхронных генераторов в режиме параллельной работы с сетью в полярной системе координат. Разработаны варианты структурных схем и алгоритмы управления. Достоинством метода является применение «сильного» регулирования, которое обеспечивает равномерное распределение реактивной и активной мощности между бесщеточными синхронными генераторами с квазиастатическими внешними характеристиками.

Ключевые слова:

Бесщеточный синхронный генератор, релейно-логический метод, блок динамического приоритета, выявитель, датчики модуля полного тока статора, датчики активного тока статора, блок пороговых элементов, полярная система координат, алгоритм управления.

Key words:

Brushless synchronous generator, relay-logical method, dynamiealpriority unit, detector, full stator current module sensors, active stator current sensors, threshold elements unit, polar coordinate system, scheduling algorithm.

Введение

В настоящее время разными фирмами выпускаются блочно-контейнерные газотурбинные электростанции (ГТЭС). Разработанные ГТЭС мощностью 2,4...63 МВт применяются для электроснабжения потребителей районов, где отсутствуют линии электропередач высокого напряжения, либо там, где их экономически целесообразно устанавливать дополнительно. ГТЭС содержит в себе несколько бесщеточных синхронных генераторов (БЩСГ) с воздушным охлаждением, которые приводятся во вращение газотурбинными установками на базе авиационных двигателей. БЩСГ является преобразователем механической энергии, вырабатываемой авиационным двигателем, в электрическую энергию. Мощность авиационного двигателя примерно равна мощности БЩСГ Общими требованиями к ГТЭС являются параллельная работа нескольких БЩСГ на нагрузку в автономном режиме и с участием сети бесконечной мощности при выполнении всех требований по качеству вырабатываемой электроэнергии согласно ГОСТ 13109-97.

Традиционно управление параллельной работой синхронных генераторов малой и средней мощности выполняется по методу внутреннего статизма [1]. По этому методу статизм внешних характеристик генераторов должен быть не менее 6 %.

С целью повышения точности распределения реактивных и активных составляющих токов нагрузки между БЩСГ предлагается релейно-логический метод (РЛМ) [2].

РЛМ есть метод управления параллельной работой БЩСГ, где релейно сравниваются относительные токи статора параллельно работающих генераторов с последующей логической обработкой сигналов. Рассмотрим варианты реализации структурных схем и алгоритмов управления параллельной работой БЩСГ с сетью в полярной системе координат:

А. Особенностью управления параллельной работой БЩСГ с сетью бесконечной мощности в полярной системе координат (ПСК) является сравнение векторов полного тока статоров БЩСГ через сравнение интервалов времени А/, пропорциональных фазовым сдвигам между токами и напряжением одноименной фазы статоров БЩСГ, и релейнологическое сравнение модулей полного тока.

Известно, что напряжение фазы «а» на шинах генераторов изменяется по закону иа=итср,шШ, а ток, например, в фазе «а» 1а=1ш$,т(Ш-ф). В момент прохождения тока ¡а через нуль, следует

1а (А^ = 1та 8т(етА? -ф) = 0;

(оАt-ф) = 0 или ф = юА t, (1)

т. е. фазовый сдвиг ф между напряжением и током пропорционален временному интервалу А/ между моментами времени перехода кривых напряжения иа и тока 4 через нуль; со - круговая частота. Очевидно также, что активная и реактивная мощности фазы генератора определяются по формулам (2) [3]:

Р = t//cosф; (2)

Q = ЦМиф.

Тогда угол сдвига между вектором напряжения и вектором тока одноименной фазы первого генератора определяется по формуле (3)

Iai • Iai

w, = arccos -ÍL = arcsin -ÍL.

I I

1i 1\

(3)

где 1Л, 1р1 - активная и реактивная составляющие тока первого генератора. 11 - модуль полного тока первого генератора.

Подставив (3) в (1), получим временной интервал А/1

i

i

-arccos — = ■

arcsin

pi

о

О

(4)

Согласно (4) следует, что чем больше активная мощность генератора, тем меньше At и наоборот, а также, чем больше реактивная мощность генератора, тем больше At и наоборот.

Если ввести в рассмотрение параллельно работающий второй генератор, то для него, аналогично, можно записать:

At2 — —arccos -— — —arcsin ——. (5)

а>2

Сравнивая интервалы времени А/1 и А/2 при равных модулях полных токах 11 и 12, можно выявить генератор с большим или меньшим значением реактивной/активной мощности. В выражениях (4), (5) обратная функция косинуса берется от относительных активных составляющих токов БЩСГ, а обратная функция синуса - от относительных реактивных составляющих токов БЩСГ, базисными значениями которых являются модули полных токов одноименной фазы. В выражениях (4), (5) принимается

где о, о2, о - круговая частота, соответственно, первого и второго генераторов и сети бесконечной мощности.

Таким образом, в качестве входных параметров для управления параллельной работы БЩСГ в ПСК с релейной настройкой обосновано применение временного интервала А/ и модуля полного тока БЩСГ.

При параллельной работе БЩСГ на нагрузку, имеющей активно-индуктивный характер, очевидно, что БЩСГ, имеющий меньший временной интервал, имеет минимальный реактивный ток и максимальный активный ток, а БЩСГ, имеющий больший временной интервал, имеет максимальный реактивный ток и минимальный активный ток.

Распределение реактивной/активной составляющих полной мощности между генераторами осуществляется ранжированием генераторов по временному интервалу (фазовому сдвигу между векторами тока и напряжения одноименной фазы) с помощью блока динамического приоритета (БДП) [4], реализующего обработку входных сигналов с относительным приоритетом типа «первый пришел - первый обслужен».

Логическое описание БДП:

• у БЩСГ, занимающего первое место в очереди, ток статора первым проходит через нуль после начала положительного полупериода напряжения на шинах.

• у БЩСГ, занимающего последнее место в очереди, ток статора последним проходит через нуль после начала положительного полуперио-да напряжения на шинах.

Ранжирование параллельно работающих

БЩСГ с релейно-логическим управлением с помо-

щью БДП в каждый положительный полупериод фазного напряжения на шинах с частотой 50 Гц требует блок фиксации первого места в очереди, т. к. частота регулирования много меньше частоты питающего напряжения. Выход блока фиксации первого места в очереди является выходом выявителя В1, который включает в себя нуль-орган по напряжению (НОи), нуль-органы тока (НО) по числу БЩСГ, ЯЗ-триггеры по числу БЩСГ и БДП.

Для определения БЩСГ с максимальным модулем полного тока нагрузки через релейное сравнение введен выявитель В2 с настройкой на максимум, построенный на основании полного графа. Выявитель В2 включает в себя блок пороговых элементов (БПЭ), дешифратор (ДШ) и датчики модулей полного тока (ДМПТ) по числу БЩСГ

Выявитель В2 имеет математическое описание в виде системы логических уравнений:

V P-2 А р-з А •••А P1-i А •••А P1- j А •••А Pn;

V2 — Р2-1 А P2-3 А ••• А P2-i А ••• А P2- j А ••• А P2-n;

V = pi-i аpi-2 а ••• а pi(i-1} а ••• а pi-j а ••• а р-n;

Vj — Pj-1 А Pj-2 А ••• А Pj-i А ••• А Pj- (j-1) А ••• А Pj;

Vn — Pn—1 А Pn-2 А ••• А Pn-i А ••• А Pn- j А ••• А Pn(n-1)

(6)

где ~1,~2,...,~„ - выходы выявителя В2с настройкой на максимум; п - число генераторов ГТЭС; Р1-2,...,Р;_;,...Р„-(„-1) - прямые пороговые функции сравнения _ модулей полного тока; Р 1-ъ...,Рч,...Рп_(П_Г) - инверсные пороговые функции сравнения модулей полного тока. Число 2 релейных элементов БПЭ определяется по формуле

г = 0,5«(« -1). (7)

Выходы выявителей В1 и В2 управляют распределением активной и реактивной мощностями БЩСГ в ГТЭС согласно следующих алгоритмов.

Алгоритм распределения активной мощности между БЩСГ следующий:

• уменьшить частоту вращения привода БЩСГ с максимальным активным током статора БЩСГ при частоте на шинах ет>етс.

• увеличить одновременно частоту вращения приводов БЩСГ при частоте на шинах а)<юс. Алгоритм распределения реактивной мощности

между БЩСГ:

• увеличить ток возбуждения /-БЩСГ с минимальным реактивным током статора при напряжении на шинах и<ис.

• уменьшить одновременно токи возбуждения БЩСГ при напряжении на шинах и>ис.

На рис. 1 приведена структурная схема управления параллельной работой БЩСГ по РЛМ в ПСК,

где собственные регуляторы напряжения генераторов не указаны.

Возможен и обратный вариант подключения выходов блока логики к управляющим органам БЩСГ и их приводов.

шины сети

СГ,

но,

н

в,

»НО,

ТР!

Тр„

Блок .

динамического . приоритета _•

ДМПТ!

Дмпт„

• 1п

БПЭ

дш

В,

сг„

ПР1<

Пр„

Рис. 1. Структурная схема управления параллельной работой БЩСГ по РЛМ в ПСК: НОи - нуль-орган по напряжению; (НО1 - НО) - нуль-органы тока; (Тр1 - Трп) -НБ-триггеры; (ДМПТ1 - ДМПТ) - датчики модулей полного тока; БПЭ - блок пороговых элементов; ДШ - дешифратор; СГ, - ¡-БЩСГ; ПР, - ¡-привод

Б. Особенностью управления параллельной работой БЩСГ в ПСК по данному варианту в отличие от варианта А является сравнение относительных токов статоров БЩСГ через сравнение временных интервалов А/, пропорциональных фазовым сдвигам между векторами тока и напряжения одноименной фазы статоров БЩСГ в ПСК, и релейно-логического сравнения активных составляющих токов БЩСГ. Очевидно также, что активная и реактивная составляющие мощности одноименной фазы первого генератора равны, соответственно (2):

ф, = аг^

(8)

Из выражения активной Р1 и реактивной Q1 мощностей (1) следует, что изменение их зависит от изменения угла сдвига фаз ф между векторами напряжения и тока одноименной фазы первого генератора.

Подставив (8) в (1), получим:

А^ = — аг^ —

со.

(9)

Согласно (9) следует, чем больше реактивная мощность генератора, тем больше А/ и наоборот. Если ввести в рассмотрение параллельно работающий второй генератор, то для него, аналогично, можно записать:

1 ,р 2

Аt2 = — агС^ ——.

с2 ,а 2

Сравнивая интервалы времени А/1 и А/2 при равных активных составляющих токах 1а1 и 1а2, можно выявить генератор с большим или меньшим значением реактивной мощности. В выражениях (8), (9) обратная функция тангенс берется от относительной реактивной составляющей токов БЩСГ, где базисными значениями являются активные составляющие токов одноименной фазы. В выражениях (8), (9) принимается (о= (о2=,..., (о= ош=а)зая.

Таким образом, в качестве входных параметров для управления параллельной работы БЩСГ в ПСК с релейной настройкой обосновано применение временного интервала А/ и активной составляющей тока БЩСГ. Распределение реактивной/ активной составляющих мощности между БЩСГ осуществляется ранжированием БЩСГ по временному интервалу (фазовому сдвигу между векторами тока и напряжения одноименной фазы) с помощью БДП, реализующего обработку входных сигналов с относительным приоритетом типа «первый пришел - первый обслужен», функционирующему аналогично вышеизложенному.

Для определения БЩСГ с максимальным активным током нагрузки через релейное сравнение введен выявитель В3 с настройкой на максимум, построенный на основании полного графа. Выявитель В3 состоит из датчиков активного тока (ДАТ) по числу БЩСГ, блока пороговых элементов (БПЭ) и дешифратора (ДШ). Выявитель В3 имеет математическое описанием в виде системы логических уравнений.

р-2 Л р-з л •••л Р1-; л •••л Р1-] л •••л Рп;

V, = Р2-1 лР2-3 л ••• л Р2-. л ••• л р л ••• л Р2_п;

^ = Р;-1 л Л-2 л •••л Ра-у л •••л Р-, л •••л Р-п;

V, = Р1-1 л РI-2 л ••• л РI-; л ••• л РI-(-1) л ••• л Р,

Уп — Рп-1 л Рп-2 л ••• л Рп-1 л ••• л Рп-1 л ••• л Рп (п-1)

где ~1,~2,..., ~п - выходы выявителя В3 с настройкой на максимум; п - число генераторов ГТЭС; Р1-2,...,Р;_/,...Рп-(П-1) - прямые -орого-ые функции сравнения активных токов; Р1-2,...,Р-/,...Рп-(п-1) -инверсные пороговые функции сравнения активных токов. Число Ъ релейных элементов БПЭ определяется по формуле (7).

и

На рис. 2 приведена структурная схема управления параллельной работой БЩСГ по РЛМ в ПСК по варианту Б, где собственные регуляторы напряжения генераторов не указаны. Моделирование подтвердило возможность управления БЩСГ в ГТЭС по РЛМ.

шины сети

Рис. 2. Структурная схема управления параллельной работой БЩСГ по РЛМ в ПСК: НОи - нуль-орган по напряжению; (НО-НО) - нуль-органы тока; БПЭ - блок пороговых элементов; ДШ - дешифратор; СГ -¡-БЩСГ; ПР, - ¡-привод; (Тр-Трп) - НБ-триггеры; (ДАТ-ДАТ) - датчики активного тока

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Москалев А.Г. Автоматическое регулирование режима энергетической системы по частоте и активной мощности. - М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. - 240 с.

2. Хижняков Ю.Н. Комбинированный метод управления параллельной работой генераторов переменного тока. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 1999. - 114 с.

Для проверки работоспособности системы управления параллельной работы БЩСГ с сетью бесконечной мощности по варианту А разработана цифровая модель «РЛМ» [2]. Два БщСГ представлены в виде дифференциальных уравнений Пар-ка-Горева в модификации Л.П. Веретенникова, т. е. записаны через внутреннюю ЭДС в анормальной системе относительных единиц. На шины бесконечной мощности включена пассивная и асинхронная нагрузки. Результаты моделирования подтверждают распределение нагрузки между генераторами с заданной точностью.

Выводы

1. Показано, что релейно-логический метод распределения активной и реактивной мощности при параллельной работой синхронных генераторов, работающих на шины бесконечной мощности, обеспечивает мгновенную реакцию при включении асинхронной нагрузки, что повышает статическую и динамическую устойчивость в работе, исключает уравнительные провода для выравнивания напряжения возбудителей генераторов и является альтернативным решением по отношению к методу внутреннего статизма, широко применяемого на современных электростанциях.

2. Разработаны варианты структурных схем управления параллельной работой генераторов с сетью бесконечной мощности по релейно-логическому методу в полярной системе координат.

3. Созданы алгоритмы управления параллельной работой генераторов с сетью бесконечной мощности по релейно-логическому методу в полярной системе координат.

3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Изд. 6-е, перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1973. - 752 с.

4. Устройство динамического приоритета: а. с. 1670687 СССР; опубл. в Б.И. 1991. - № 30.

Поступила после переработки 12.03.2010г.