CC BY
34
© Х.Н. Расулзода, Д.Б. Рахимов, МХ. Сафаралиев УДК 621.311
ВЛИЯНИЕ ТОКА КЗ В ЛЭП НА ЗНАЧЕНИЕ ТОКА В ОБМОТКАХ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГИДРОГЕНЕРАТОРА
Х.Н. Расулзода1, Д.Б. Рахимов2, М.Х. Сафаралиев3
^Чувашский государственный университет, г.Чебоксары, Россия 2Таджикский технический Университет имени академика М.С. Осими, г. Душанбе, Таджикистан 3Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н.
Ельцина, г. Екатеринбург, Россия [email protected], [email protected], [email protected]
Резюме: В настоящее время задаче исследования режимов работы синхронных генераторов, работающих параллельно с энергосистемой, с учетом ввода новых мощностей в системе и повышение их устойчивости вызывает интерес для исследования. Эффективным средством устойчивости работы электрических станций, как части энергосистемы, является автоматическое регулирование возбуждения. Среда моделирования MATLAB/Simulink широко применяется при расчете и анализе нормальных установившихся и переходных режимов электрических систем. Благодаря своим возможностям на базе существующих блоков и моделей программы, а также элементов управления, описанные в отечественной литературе алгоритмы, дают возможность произвести анализ режима работы синхронного генератора, работающего параллельно с энергосистемой, в условиях трехфазного КЗ с учетом действия АРВ. В статье приведены результаты исследования и сравнение режимных параметров на примере Нурекской ГЭС мощностью 3000 МВт. Полученные результаты будут полезны при изучении применения современных типов АРВ в системе возбуждения генераторов Нурекской ГЭС.
Ключевые слова: моделирование, синхронный генератор, автоматическое регулирование возбуждения сильного действия (АРВ-СД), переходные процессы, короткое замыкание, Matlab/Simulink.
INFLUENCE OF SHORT-CIRCUIT CURRENT IN TRANSMISSION LINE ON VALUE ON THE CURRENT IN THE EXCITATION WINDINGS OF A HYDROGENERATOR
Kh. N. Rasulzoda1, J. B. Rahimov2, M. Kh. Safaraliev3
1Chuvash State University, Cheboksary, Russia 2Tajik Technical University named after academic M.S.Osimi, Dushanbe, Tajikistan 3Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia
Abstract: At present, the task of studying the operating modes of synchronous generators in parallel with the power system, taking into account the introduction of new capacities in the system and increasing their stability, is of interest to the study. An effective means of sustaining power plants, as part of the power system, is automatic excitation control. The MATLAB / Simulink simulation environment is widely used in the calculation and analysis of normal steady-state and transient modes of electrical systems. Owing to the possibilities on the basis of existing
blocks and models of the program, as well as control elements described in the domestic literature provide the way to make the analysis operating mode of the synchronous generator, working in parallel with a power supply system in conditions three-phase short-circuit in consideration with AEC. The article presents the results of the study and comparison of mode parameters on the example of the Nurek HPP with a capacity of3000 MW. The results will be useful in the study of application of modern types of AEC in generator excitation system Nurek HPP.
Key words: simulation, synchronous generator, strong actuated automatic excitation control, transient phenomena, short circuit, Matlab/Simulink
В Республике Таджикистан (РТ) в целях повышения уровня благосостояния населения, осуществляется рост экономики, сопровождающийся увеличением генерирующих мощностей за счет строительства новых мощных электростанций, таких как Рогунская ГЭС мощностью 3600 МВт. При этом переток мощности по линиям электропередачи увеличивается, а также уровни токов коротких замыканий в высоковольтных узлах электроэнергетической системы (ЭЭС) РТ возрастают. Эти факторы влияют на сохранение устойчивости ЭЭС. Изменение параметров режима до определенных пределов - определяют устойчивость ЭЭС, которые, в свою очередь, зависят от системы автоматики.
Система автоматики обеспечивает автоматическое управление или регулирование в основном, в аварийных случаях. Следовательно, к ней относится устройство автоматического регулирования возбуждения, обеспечивающие повышение устойчивости параллельной работы генераторов на общую сеть [1]. Основным назначением АРВ является быстрое и значительное увеличение (форсировка) возбуждения генераторов до наибольшего значения, которое обеспечивают и допускают системы возбуждения при нарушениях нормального режима, сопровождающихся понижением напряжения и увеличением тока [2].
Целью настоящего исследования является определение влияния АРВ на значения токов в обмотке возбуждения ротора гидрогенератора при трехфазном КЗ на линии электропередачи.
В связи с этим была разработана расчетная модель для определения влияния АРВ на значения токов в обмотке возбуждения ротора гидрогенератора. Для разработки расчетной модели был выбран программный комплекс Matlab. Библиотека Matlab/Simulink представляет собой набор визуальных блоков, с помощью которых возможно провести исследование практически любых по сложности электрических цепей. Для всех блоков существует возможность настройки параметров, отражающихся в полях окна настройки выбранного блока.
Расчетная модель электрической сети в среде Matlab/Simulink показана на рис. 1.
На рис. 1 синхронный генератор моделировался трехфазным элементом «Synchronous Machine pu Standart», позволяющим провести глубокий анализ переходных процессов с учетом влияния демпферных обмоток, получаемых путем предварительных преобразований общеизвестной системой уравнений Парка - Горева, дополненной уравнением движения ротора. На вход данного элемента подаются переменные Pm (мощность на валу ротора) и Uf (напряжение возбуждения) регулируемой турбиной и системой возбуждении в зависимости от режима работы синхронного генератора. Собственные нужды генератора «СН» моделируются элементом «Three - Phase Parallel RLC Load» представляющим собой активную нагрузку мощностью 3 МВт. В качестве модели повышающего двухобмоточного трансформатора был выбран элемент «Three - Phase Transformer», расчет параметров которого выполнен в соответствии с рассматриваемой [3] со схемой соединения обмоток рис.1. Воздушная двухцепная линия электропередачи (ЛЭП 1 и ЛЭП 2) приведена с
помощью параллельно соединенных элементов «Three - Phase PI Section Line». В качестве энергосистемы применен элемент «Three - Phase Sourse», представляющий трехфазный источник питания с неизменной ЭДС. В модели также имеются элементы «Hydraulic Turbine and Governor»- гидротурбина и регулятор, «Three - Phase Breaker» трехфазный выключатель и «Three - Phase Fault» производящий искусственное КЗ. Измерение режимных параметров выводится подсистемой «Измерительные приборы».
Рис. 1. Расчетная модель электрической сети в средеMatlab / Simulink
Имитация в Matlab/Simulink проводилось с помощью блока «powergui» (подразделы Load Flow and Machine Initialization), который рассчитывает установившийся режим сети и определяет начальные режимные параметры синхронного генератора.
В соответствии с [2] при исследовании электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах допускается пренебрегать насыщением магнитных систем электрических машин, током намагничивания трансформаторов, поперечной емкостью воздушных линий электропередач, в том числе линий 330 - 500 кВ.
В данной работе на примере блока Нурекской ГЭС, поставлена задача по определению значений токов в обмотке ротора при трехфазном КЗ на линии электропередачи с его дальнейшим отключением. На Нурекской ГЭС установлено три объединенных энергоблока (на напряжение 500 кВ) и три энергоблока (на напряжение 220 кВ) синхронноых генераторов серии ВГСВФ 940/235-30 мощностью 335 МВт (394 МВА) каждый. В связи с этим, для начала были рассмотрены значения токов при трехфазном КЗ одного синхронного генератора, работающего на сеть через повышающий трансформатор ТЦ-400000/500-73 У1 и двухцепную линию 500 кВ на эквивалентную энергосистему.
Регулирование возбуждения оказывает существенное влияние на режим работы генераторов при переходных процессах, в связи с этим был создана математическая модель системы возбуждения с АРВ-СД в соответствии с моделью и рекомендациями [3-4]. Система возбуждения гидрогенераторов Нурекской ГЭС выполнена по схеме самовозбуждения с сервисным вольтодобавочным трансформатором и АРВ - СД. Регулятор сильного действия имеет для данного закона регулирования, кроме величины отклонения напряжения и реактивного тока статора, следующие параметры: производную напряжения генератора; производную тока ротора; отклонение частоты; производную частоты. Модель системы возбуждения приведена на рис.2.
Параметры переходного процесса при КЗ ,приращения, которых зависят от степени удаленности точки КЗ от шины генератора, сопровождаются скачкообразным изменением и вследствие этого резким увеличением токов. Для облегчения исследования все расчеты КЗ выполнены в относительных единицах.
При КЗ ток в обмотке возбуждения увеличивается вследствие действия АРВ - СД, соответственно, любое изменение в роторе сопровождается изменениями в статоре.
На рис. 3 приведены осциллограммы тока ротора при внезапном трехфазном КЗ длительность которого составляет 0,2 с. Одновременно с отключением КЗ производится отключение одной цепи поврежденного участка.
Рис. 3. Кривые изменения тока в обмотке возбуждения
Из рис. 3 видно, что процесс нарастания и затухания токов при переходном процессе по мере увеличения удаленности точки КЗ от шины генератора, происходит медленно. В начальной стадии переходного процесса при КЗ действие АРВ - СД не заметно, такой процесс имеет место в обмотке возбуждения, где действие АРВ - СД постепенно увеличивает значение тока возбуждения, т.е изменение отстает от изменения Ц из - за большой индуктивности обмотки возбуждения. Затем, в течение некоторого времени, оно проявляется все интенсивнее, стремясь к нормальному поддержанию напряжения на шине генератора, вследствие увеличения напряжении возбуждения.
На рис.4 приведено изменение напряжения возбуждения при вышеуказанных условиях.
- -
-^
1 1
10 10.02 10.04 10.06 10.08 10.1 10.12 10.14 10.16 10.18 10.2
С
Рис.4. Кривая изменения напряжения возбуждения в момент КЗ
В соответствии с рис. 5 снижение ПГ при КЗ вызывает увеличение разности П0 - ПГ и, следовательно, увеличение напряжения возбуждения Ц (рис.4).
На рис. 5 приведены амплитудные значения напряжения на шине генератора.
Ю4 без АРВ - СД
10 10.02 10.04 10.06 10.08 10.1 10.12 10.14 10.16 10.18 10.2
I, с
10 10.02 10.04 10.06 10.08 10.1 10.12 10.14 10.16 10.18 10.2
1, с
Рис.5. Амплитудные значения напряжения на шине генератора.
Анализируя значение напряжения на шине генератора во время КЗ, можно заметить, что при АРВ - СД оно остаётся почти неизменным для определенного значения, а без АРВ - СД начинает уменьшаться. Поддержание нормального уровня напряжения на шинах генератора приводит к уменьшению сброса электрической мощности.
Проведенные исследования показали, что при наличии АРВ - СД затухание свободных токов в обмотке возбуждения при трехфазном КЗ, компенсируется увеличением напряжения от действия АРВ - СД. Результаты исследования будут полезны при применении других законов регулирования в системе возбуждения Нурекской ГЭС, с целью компенсации колебаний токов при КЗ, поддержание напряжения на шине генератора согласно заданным параметрам, и, соответственно, повышение устойчивости работы данного объекта с учетом роста генерирующих мощностей и увеличения токов КЗ в энергосистеме. В связи с вышеизложенным необходимо продолжить исследование в этом направлении.
Выводы:
1. В зависимости от удаленности места КЗ от шин станции процесс нарастания и затухания токов возбуждения при переходном процессе происходит медленно.
2. При наличии АРВ - СД затухание свободных токов, возникающих в обмотке возбуждения, при трехфазном КЗ, компенсируются увеличением напряжения от действия АРВ - СД.
3. Поддержание уровня напряжения на шине генератора с помощью АРВ-СД при КЗ в определенном значении приводит к уменьшению сброса электрической мощности.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-38-90204
Литература
1. Тащилин В.А П.В. Чусовитин, Г.С. Шабалин, А.В. Паздерин . Кординированная настройка регуляторов возбуждения в многомашинной системе. // Труды 6 международной. научно-технической конференции. . «Электроэнергетика глазами молодежи». 2015. С. 381-384.
2. Расулзода Х.Н., Щедрин В.А. Исследование переходных процессов в обмотке ротора гидрогенератора при коротких замыканиях в системе с учетом действия автоматического регулирования возбуждения // Вестник Чувашского университета. 2019.№ 1. С. 112-118.
3. Tashchilin V., Chusovitin P., Shabalin G., Pazderin A. Pss tuning method based on power system model identification using pmu // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe Сер. "2014 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe, ISGT-Europe 2014" . - ISGT-EUROPE 2014 Istanbul: IEEE Computer Society, 2015. pp 7028817.
4. Расулзода Х.Н. Исследование динамических характеристик синхронного генератора (на примере гидрогенератора Нурекской ГЭС) / М.Х. Сафаралиев, Р.М. Юнусов // Труды 3 научно-технической конференции молодых ученых Уральского энергетического института. Екатеринбург: ФГАОУ ВО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».-Екатеринбург: 2018. С.189-192.
5. Кокин С.Е., Сафаралиев М.Х., Султонов Ш.М. Особенности управления гидроэлектростанциями в энергосистеме Республики Таджикистан // Известия НТЦ Единой энергетической системы. Научно-технический центр Единой энергетической системы. 2017. . T. 2.C. 109-118
6. S.M.Sultonov, B.Asadullo, K.I. Usmonov, Stator Winding Partial Discharge Rise Due to Surface Humidity. 2018 14 th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2-6 Oct. 2018. Novosibirsk, Russia. pp 449-452..doi: 10.1109/APEIE.2018.8546171
7. Гусев Ю.П., Насыр уулу Канат, Рахимов Д.Б. Анализ возможных причин задержки прохождения тока через нуль в линии "Датка - Кемин" при отключении коротких замыканий. // Вестник Кыргызско-Росийского славянского университета. 2017. №5(17). С.54-60.
8. O.Malozemova, P.Chusovitin, A.Pazderin, A. Power boosting algorithm for combined cycle power plant control during frequency excursion. 2018 IEEE 59th Annual International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, RTUCON 2018 .Proceedings. 12-13 Nov. 2018. Riga, Latvia. doi: 10.1109/RTUCON.2018.8659819.
9. Гусев Ю.П., Насыр У.К., Рахимов Д.Б., Скурихина К.А. Расчет переходных восстанавливающихся напряжений при выборе выключателей для электроустановок напряжением 110 кВ и выше. // Вестник Московского энергетического иниститута. 2017.№3.С.28-32.
10. Chusovitin P.V., Pazderin A.V., Shabalin G.S., Tashchilin V.A. Low-frequency oscillations identification in interconnected power system using pmu // Advanced Materials Research . - 2014. №860863. с. 2117-2121. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.860-863.2112
11. Киргизов А.К., Султонов Ш.М., Кокин С.Е., Сафаралиев М.Х. Алгоритм выбора компенсирующих устройств // Политехнический вестник..№4 (44). 2018.С.10-13.
Авторы публикации
Расулзода Хусрави Назир - аспирант Чувашского государственного университета, Email: [email protected].
Рахимов Джамшед Бобомуродович - канд. техн. наук, старший преподаватель кафедры «Электрические станции» Таджикского технического Университета имени академика М. С. Осими. Email: [email protected].
Сафаралиев Муродбек Холназарович - аспирант Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина. Email: [email protected].
References
1. Tashchilin, V. A.., P. V. Сhusovitin Kordinirovannaya nastrojka regulyatorov vozbuzhdeniya v mnogomashinnoj sistem. In: G. S. Shabalin, A.V. Pazderin. 6 mezhdunarodnaya. nauchno-tekhnicheskaya konferencya. . «Elektroenergetika glazami molodezhi». 2015. p. 381-384.(In Russ).
2. Rasulzoda H.N., Shchedrin V.A. Issledovanie perekhodnyh processov v obmotke rotora gidrogeneratora pri korotkih zamykaniyah v sisteme s uchetom dejstviya avtomaticheskogo regulirovaniya vozbuzhdeniya. Vestnik Chuvashskogo universiteta 2019; 1:112-118. (In Russ).
3. Tashchilin V., Chusovitin P., Shabalin G., Pazderin A. Pss tuning method based on power system model identification using pmu // IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe Сер. "2014 IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference Europe, ISGT-Europe 2014" . - ISGT-EUROPE 2014 Istanbul: IEEE Computer Society, 2015. pp 7028817.
4. Rasulzoda H.N. Issledovanie dinamicheskih harakteristik sinhronnogo generatora (na primere gidrogeneratora Nurekskoj GES) In: M.H. Safaraliev, R.M. Yunusov. 3 nauchno-tekhnicheskaya konferenciya molodyh uchenyh Ural'skogo energeticheskogo instituta. Ekaterinburg: FGAOU VO «UrFU imeni pervogo Prezidenta Rossii B.N.El'cina».-Ekaterinburg: 2018.-p.189-192.
5. Kokin S.E., Safaraliev M.H., Sultonov Sh.M. Osobennosti upravleniya gidroelektrostanciyami v energosisteme Respubliki Tadzhikistan. Izvestiya NTC Edinoj energeticheskoj sistemy. Nauchno-tekhnicheskij centr Edinoj energeticheskoj sistemy .2017 T. 2. C.109-118.
6. S.M.Sultonov, B.Asadullo, K.I. Usmonov, Stator Winding Partial Discharge Rise Due to Surface Humidity. 2018 14 th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE). 2-6 Oct. 2018. Novosibirsk, Russia. Pp. 449 - 452. doi: 10.1109/APEIE.2018.8546171
7. Gusev Yu.P., Nasyr uulu Kanat, Rahimov D.B. Analiz vozmozhnyh prichin zaderzhki prohozhdeniya toka cherez nul' v linii "Datka - Kemin" pri otklyuchenii korotkih zamykanij. Vestnik Kyrgyzsko-Rosijskogo slavyanskogo universiteta. -2017. 17(5:54-60. (In Russ).
8. O.Malozemova, P.Chusovitin, A.Pazderin, A. Power boosting algorithm for combined cycle power plant control during frequency excursion. 2018 IEEE 59th Annual International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University, RTUCON 2018. Proceedings. 12-13 Nov. 2018. Riga, Latvia. DOI: 10.1109/RTUCON.2018.8659819.
9. Gusev Yu.P., Nasyr U.K., Rahimov D.B., Skurihina K.A. Raschet perekhodnyh vosstanavlivayushchihsya napryazhenij pri vybore vyklyuchatelej dlya elektroustanovok napryazheniem 110 kV i vyshe. VestnikMoskovskogo energeticheskogo inistituta -2017; 3.:28-32.(In Russ).
10. Chusovitin P.V., Pazderin A.V., Shabalin G.S., Tashchilin V.A. Low-frequency oscillations identification in interconnected power system using pmu // Advanced Materials Research . - 2014. - №860863. - с. 2117-2121. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.860-863.2112
11. Kirgizov A.K., Sultonov Sh.M., Kokin S.E., Safaraliev M.H. Algoritm vybora kompensiruyushchih ustrojstv Politekhnicheskij vestnik. 2018; 4(44):10-13. (In Russ).
Authors of the publication Khusrav N. Rasulzoda — Chuvash State University, Cheboksary, Russia.
JamshedB. Rahimov - Tajik Technical University named after academic M.S.Osimi, Dushanbe, Tajikistan. Murodbek Kh. Safaraliev - Ural Federal University, Ekaterinburg, Russia.
Поступила в редакцию 07 мая 2019 г
