CC BY
697
УДК 621.311
УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТЬЮ ГЕНЕРАТОРОВ
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Канд. техн. наук, доц. КАЛЕНТИОНОК Е. В., асп. ФИЛИПЧИК Ю. Д.
Белорусский национальный технический университет
Регулирование напряжения в энергосистемах связано с необходимостью воздействовать на автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) генераторов. Для того чтобы единым управляющим сигналом воздействовать на регуляторы возбуждения генераторов электростанций, используется групповое управление возбуждением [1].
Одним из основных вопросов, встающих при разработке систем группового управления возбуждением, является вопрос об условиях, которым должно удовлетворять распределение реактивной нагрузки между генераторами станции, и о средствах его осуществления. Показано, что соблюдение условий распределения, приводящего к минимуму потерь активной мощности в схеме электростанции, не является обязательным, поскольку возможные при отступлении от этого условия дополнительные потери имеют незначительную величину, составляющую несколько десятых долей процента номинальной мощности станции [1]. Отсюда следует, что требования к распределению реактивной нагрузки внутри станции не должны исходить из условий достижения теоретического минимума потерь и что усложнение систем автоматического группового управления для соблюдения этих условий нецелесообразно. Поэтому практически используются только условия технической целесообразности распределения реактивной нагрузки между генераторами. В настоящее время известно несколько подходов к распределению реактивной нагрузки между генераторами электростанции:
1) метод мнимого статизма реактивной мощности по напряжению [1];
2) выравнивание реактивных мощностей при всех режимах работы [1]
0г1 = вг2 = ... = в = .. = вгп,
где вп - реактивная мощность 7-го синхронного генератора; 1, 2, ..., п -порядковый номер генератора на электростанции;
3) выравнивание отношений текущего и предельно допустимого значений реактивной мощности, приводящее к выравниванию тепловых режимов работы генераторов [2]:
= = ... = _вг7_
вгп1 вгп2 вгп7
где 0гш - предельная реактивная мощность 7-го синхронного генератора, зависящая от текущей активной мощности.
Однако ни один из них не учитывает условия устойчивости генератора.
Вместе с тем значение реактивной мощности является весьма важным с точки зрения обеспечения устойчивости синхронной машины. Так, для повышения устойчивости отдельной синхронной машины следует создавать режимы с максимально возможным значением генерации реактивной мощности [3]. Однако значение реактивной мощности генераторов определяется требуемым уровнем напряжения на шинах электростанции. Для обеспечения данного уровня напряжения генераторы могут работать в режиме перевозбуждения, когда в электрическую сеть поступают как активная, так и реактивная мощности, или в режиме недовозбуждения - когда генератор потребляет реактивную мощность из электрической сети. Генератор может также работать в режиме и непотребления и невыдачи реактивной мощности, т. е. с нулевым значением реактивной мощности. Режим недовозбуждения обычно используется во время минимальных нагрузок. Поэтому на электростанции при работе разнотипных синхронных генераторов или однотипных, но с различными значениями активной мощности возникает задача распределения реактивной мощности между ними таким образом, чтобы обеспечить максимальный уровень устойчивости электростанции. Решение такой задачи будет достигнуто в случае обеспечения равенства коэффициентов запаса статической устойчивости по активной мощности всех синхронных генераторов
КР1 = КР2 = — = КРг = — = КРп, (1)
где КР1 - коэффициент запаса 1-го генератора; КР2 - коэффициент запаса 2-го генератора; КРп - коэффициент запаса п-го генератора.
Коэффициент запаса по активной мощности синхронного генератора находится по формуле
Р - Р Р - Р 81П5
к = рш_р = Рм Рм 51110, (2)
Р Р Р
м м
р Еи
где Рм =--предельное значение мощности генератора по условию статической устойчивости; Р - действительная передаваемая мощность генератора в энергосистему; Е - электродвижущая сила (ЭДС) генератора; и -напряжение на шинах приемной энергосистемы; 5 - угол сдвига вектора электродвижущей силы генератора Е относительно вектора напряжения системы и, Хе - результирующее индуктивное сопротивление генератора
и сети энергосистемы.
Находя коэффициенты запаса по активной мощности каждого генератора согласно (2) и подставляя в равенство (1), получаем
Рм1 - Рм1 эт = Рм2 - Рм2 511 02 = = Рмп - Рмп 511 0п (3)
Р Р ' Р
м1 м2 мп
После несложных преобразований равенства (3) получим, что оно будет выполняться при соблюдении условия
51 = 52 = — = 5п = 5о (4)
где 50 - общее значение угла 5 для всех генераторов.
Таким образом, для обеспечения максимального уровня статической устойчивости электростанции необходимо, чтобы все генераторы работали с одинаковым углом 50 независимо от их типа и загрузки по активной мощности. Этого можно достичь путем изменения значения тока возбуждения на генераторах, т. е. распределять реактивную нагрузку между параллельно работающими синхронными генераторами, добиваясь выравнивания угла 5 на всех генераторах электростанции.
В качестве примера рассмотрим электростанцию с тремя генераторами, работающими с разными активными мощностями Р1, Р2 и Р3 (рис. 1). Для того чтобы эти генераторы работали с одинаковым углом 50, необходимо изменить их угловые характеристики мощности (кривая 1 - для первого, кривая 2 - для второго, кривая 3 - для третьего генератора). Поскольку угловая характеристика определяется выражением
FU
P = — sin 5, (5)
количественно ее амплитуда может увеличиваться или уменьшаться путем изменения ЭДС, значение которой пропорционально току возбуждения генератора if и реактивной мощности Q. Поскольку Pi > Р2 > Р3, для выполнения равенства (4) необходимо, чтобы if1 > if2 > if3 и соответственно Q1 > Q2 > Q3. Таким образом, для максимального обеспечения условия устойчивости электростанции необходимо, чтобы ее наиболее загруженные генераторы имели наибольшую реактивную мощность, а наименее загруженные - наименьшую. В этом случае коэффициенты запаса статической устойчивости по активной мощности всех параллельно работающих генераторов выравниваются. Если этот принцип не соблюдается, то при аварийном возмущении нарушение устойчивости происходит на генераторе с меньшим коэффициентом запаса. Это вызывает большие колебания напряжения, тока, мощности на электростанции и приводит к нарушению устойчивости других генераторов и развитию аварии.
Рис. 1. Угловые характеристики генераторов, обеспечивающие максимальную статическую устойчивость электростанции: 1 - выдача в сеть активной мощности Р! и реактивной мощности Q1; 2 - то же мощности Р2 и реактивной мощности Q2; 3 - то же мощности Р3 и реактивной мощности Q3
Условие (4) может не соблюдаться при достижении генераторами предельных допустимых значений реактивной мощности. Реактивная мощность, генерируемая в режиме перевозбуждения, ограничена токами ротора или статора по условиям допустимого нагрева. В режиме недовозбуждения потребление реактивной мощности ограничивается условиями устойчивости генератора или дополнительным нагревом крайних пакетов обмотки статора из-за увеличения магнитных потоков рассеяния (рис. 2). Эти обстоятельства необходимо учитывать при разработке устройств распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами. Практически это несложно реализовать, если учесть, что как в режиме перевозбуждения, так и недовозбуждения допустимая реактивная мощность зависит от его активной мощности (рис. 2).
/2
111II11 /х
4 У 3 >/ - :: у
( | - 04 \
1 \ Г- 1 02 \ II \ А
д. -0,8 -0,6 -0,4 - 0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 д.
-0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 д
Рис. 2. Характеристики допустимой реактивной мощности генераторов от их активной мощности: а - турбогенератор ТВВ-320-2У3; б - типовые характеристики турбогенераторов; 1 - ограничения по условиям нагрева токов статора и ротора; 2 - ограничения номинальной мощности турбины; 3 - ограничения по условиям нагрева крайних пакетов статора;
4 - то же устойчивости
б
а
Р
Р
Как видно из рис. 2, факторами, ограничивающими значение выдачи реактивной мощности, являются токи статора или ротора, номинальная мощность генератора. В режиме потребления - условия устойчивости (рис. 2а) или нагрев крайних пакетов статора. На практике в качестве зависимостей 1-3 можно использовать заводские данные. Зависимость 4 устанавливается расчетами статической и динамической устойчивости для конкретного генератора, работающего в реальной энергосистеме.
В большинстве случаев ограничивающим фактором потребления реактивной мощности генератора является нагрев крайних пакетов статора [4].
Для оценки эффективности предложенного подхода к групповому управлению режимами реактивной мощности генераторов рассмотрена одна из типовых ТЭЦ, на которой установлены три турбогенератора типа ТВФ-60-2, которые через два трансформатора присоединены к сети 110 кВ. Шины 110 кВ ТЭЦ двумя линиями электропередачи связаны с подстанцией 330/220/110 кВ. Расчетная схема представлена на рис. 3.
Параметры синхронных генераторов представлены в табл. 1. Поскольку генераторы имеют регуляторы возбуждения пропорционального типа, они в расчетах представляются постоянной ЭДС Е' за переходным сопротивлением Х'й.
60 + /27
^.60 +/30
т
105 +/44
6,0
I
30 + /16,8
1,03 + /17,04 /0,139
ТЭЦ-22 0,91 + /16,09
/0,139
пЭ-ЕпЭ
6,0
0Г1 0Г2 0Г3
Г
15 + /8,4
Рис. 3. Диспетчерская схема исследуемого энергорайона
Таблица 1
Параметры генератора ТВФ-60-2
РН, МВт созф Д о. е. М/, МВт-с К, Ом Х, ОМ х"а, Ом Тd0, с
60 0,8 10 396 0,17 1,01 0,12 4,9
Реактивную нагрузку между генераторами распределяем таким образом, чтобы обеспечить требуемое напряжение на шинах 110 кВ (принято и0 = 110,5 кВ). По условию нагрева лобовых частей обмотки статора генератора максимальная допустимая величина потребления и выдачи реактивной мощности турбогенератора ограничена в соответствии с заводскими данными, которые приведены в табл. 2.
Таблица 2
Максимальная допустимая величина реактивной мощности турбогенератора ТВФ-60-2
Активная нагрузка генератора Рг, МВт Реактивная нагрузка генератора Qг, Мвар
Режим недовозбуждения Режим перевозбуждения
0 -37,0 60,0
10 -37,0 59,0
20 -37,0 58,2
25 -37,0 57,8
30 -35,0 57,3
40 -32,0 56,1
45 -27,0 55,1
50 -22,0 52,6
55 -17,5 49,3
57 -16,0 47,0
60 -13,0 45,0
Активные мощности генераторов в исходном установившемся режиме имеют следующие значения: Рг1 = 60 МВт; Рг2 = 45 МВт; Рг3 = 30 МВт.
Режим реактивной мощности в исходном режиме рассмотрим для двух подходов:
1) выравнивание реактивных мощностей. В этом случае Qгl = Qг2 = = Qгз = 17,1 Мвар;
2) предложенный подход путем выравнивания углов. В этом случае: Qг1 = 45 Мвар; Qг2 = 51 Мвар; Qг3 = -35 Мвар.
Следует отметить, что из-за ограничений на выдачу и потребление реактивной мощности генераторов полного выравнивания углов последних достигнуто не было и они в исходном установившемся режиме составили следующие значения: = 8,8°; 8^ = 6,7°; = 5,9°.
Для определения предельных значений мощностей генераторов по условиям статической устойчивости построены угловые характеристики мощности. Для первого подхода они представлены на рис. 4, для второго -на рис. 5. Для корректности сопоставления результатов расчета коэффициентов запаса статической устойчивости генераторов по активной мощности предельные значения мощностей определены при углах 5г = 40°. Поэтому для первого подхода коэффициенты запаса статической устойчивости составили следующие значения:
114 - 60 90 - 45 83 - 30
КРг1 = 114 60 = 0,9; КРг2 = = 1; КРг3 = ^^ = 1,77,
Рг1 60 45 30
для предложенного подхода:
= 135-60 = 1,25; К„ = = 1,44; К„ = ^ = 1,4.
Рг1 60 45 рг3 30
Таким образом, при выравнивании реактивной мощности между генераторами коэффициенты их запаса статической устойчивости по активной мощности существенно отличаются, например первого и третьего генераторов почти в три раза.
При использовании предложенного подхода выравнивания углов такие отличия незначительны и, что самое важное, коэффициент запаса первого генератора, имеющего наихудшие условия сохранения статической устойчивости, увеличивается более чем на 50 %.
Рг, МВт
40 5', град.
Рис. 4. Угловые характеристики мощности генераторов ТЭЦ при выравнивании реактивной мощности: 1 - Рг1; 2 - Рг2; 3 - Рг3
Рг, МВт
-10 0 10 20 30 40 5', град.
Рис. 5. Угловые характеристики мощности генераторов ТЭЦ при выравнивании углов 5: 1 - Рг1; 2 - Рг2; 3 - Рг3
-10
0
10
20
30
Выполнена также оценка влияния рассмотренных подходов распределения реактивной мощности между генераторами на динамическую устойчивость электростанции.
В качестве расчетного возмущения принято трехфазное короткое замыкание на линии электропередачи 110 кВ вблизи шин 110 кВ ТЭЦ с ее последующим отключением. На основе расчетов электромеханических переходных процессов установлено, что при выравнивании реактивных мощностей предельное время отключения короткого замыкания составляет 7отк1 = = 0,275 с, при выравнивании углов генераторов 7отк2 = 0,295 с.
Таким образом, применение предлагаемого подхода распределения реактивной мощности на рассматриваемой ТЭЦ увеличивает предельное время отключения короткого замыкания на 7 %.
В Ы В О Д Ы
Для повышения устойчивости электростанций энергосистем необходимо распределять реактивную мощность между ее генераторами путем выравнивания углов сдвига векторов ЭДС генераторов относительно вектора напряжения электроэнергетической системы.
На основе расчетов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов одной из типовых ТЭЦ, подключенной к сети электроэнергетической системы, установлено, что применение данного подхода распределения реактивной мощности приводит к повышению коэффициента запаса статической устойчивости по активной мощности генератора ТЭЦ, имеющего наиболее неблагоприятные условия сохранения устойчивости, более чем на 50 %, а предельное время отключения трехфазного короткого замыкания возрастает на 7 %.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Р о с м а н, Л. В. Групповое управление возбуждением синхронных генераторов гидроэлектростанций / Л. В. Росман. - М.; Л.: Госэнергоиздат, 1962. - 168 с.
2. С п о с о б распределения реактивной нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами: а. с. 583508 СССР, МК Н0213/46/ Е. С. Ковальчук; опубл. 24.12.1977 // Бюл. изобрет. - 1977. - № 45.
3. К а л е н т и о н о к, Е. В. Устойчивость электроэнергетических систем / Е. В. Кален-тионок. - Минск: Техноперспектива, 2008. - 375 с.
4. Ф а й б и с о в и ч, В. А. Повышение устойчивости и надежности недовозбуждения синхронных генераторов / В. А. Файбисович. - М.: Энергия, 1973. - 87 с.
Представлена кафедрой
электрических систем Поступила 06.06.2009
