ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК № 3 ЭНЕРГЕТИКА 2014
УДК 621.3.078
СТАТИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ АСИНХРОНИЗИРОВАННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
© 2014 г. ПЛОТНИКОВА Т.В., СОКУР П.В., ТУЗОВ П.Ю., ШАКАРЯН Ю.Г.
ОАО "Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы ", г. Москва
e-mail: Sokur_PV@ntc-power.ru
Исследуется статическая устойчивость одиночной и параллельной работы АСГ на линию протяженной длины. Решается вопрос синтеза закона управления возбуждением АСГ, при котором множество устойчивых режимов Gу работы машины будет с достаточным запасом включать в себя множество допустимых режимов Gд.
Ключевые слова: асинхронизированный генератор, закон управления, статическая устойчивость, параллельная работа, регулирование возбуждения.
STATIC STABILITY OF PARALLEL OPERATION DOUBLY-FED GENERATORS IN THE ELECTRICAL SYSTEM
Plotnikova T.V., Sokur P.V., Tuzov P.Y., Shakaryan Y.G.
Open Joint Stock Company "Research and Development Center at Federal Grid Company of Unified Energy System" (OJSC "R&D Center@ FGS UES")
e-mail: Sokur_PV@ntc-power.ru
Single working operating configuration of doubly-fed generator is generally considered in stability studies. This circumstance and increasing interest to this type of generators led to the situation, when knowledge about parallel operation of several doubly-fed generators is becoming necessary.
The static stability of single and parallel operating doubly-fed generators on long-distance power transmission line was investigated in this article. The results of this study showed that the traditional control law does not provide the necessary stability level in all possible operating conditions.
Nes excitation control law to improving static stability of parallel operating doubly-fed generators was proposed.
Expressions given in the article allow determining the coefficients of the proposed control law, depending on values of the machine parameters, the equivalent line inductance, working condition of power system etc.
Key words: doubly-fed generator, control law, static stability, parallel operating, excitation control.
Введение. Постановка задачи
Теории регулирования возбуждения асинхронизированных машин (АСМ) более 50 лет [1, 2]. На базе этой теории были разработаны системы регулирования, реализованные на ряде объектов.
В нашей стране это: гидрогенераторы Иовской ГЭС, генератор-двигатель Кисло-губской ПЭС, асинхронизированные двигатели на Минской ТЭЦ-4 и Конаковской ГРЭС, асинхронизированные турбогенераторы Бурштынской ГРЭС, Каширской ГРЭС и на ряде ТЭЦ ОАО "Мосэнерго", асинхронизированные компенсаторы на подстанции Бескудниково [3—7].
За рубежом японскими и немецкими специалистами были разработаны аналогичные системы регулирования, внедренные на более чем 20 асинхронизированных генераторах-двигателях ряда ГАЭС [8, 9].
В основе системы регулирования возбуждения АСМ лежит фундаментальный принцип векторного регулирования двумя независимыми параметрами режима работы электрической машины, названный в России "асинхронизированным" принципом управления [10]. При таком регулировании обеспечивается раздельное и независимое регулирование электромагнитным моментом (активной мощностью) и напряжением (реактивной мощностью) машины.
Для реализации такого регулирования осуществляется формирование управляющих воздействий по двум каналам в ортогональной системе координат x, y, вращающейся в пространстве с синхронной частотой, и жестко связанной с неким опорным вектором иоп, в качестве которого в теоретических исследованиях, как правило, принимают вектор напряжения шин бесконечной мощности UC.
В регуляторе АСМ эти управляющие воздействия преобразуются в сигналы управления в системе d, q осей ротора машины и посредством возбудителя осуществляют управление токами (напряжениями) ротора машины.
В опубликованных работах исследованы режимы работы одиночного асинхронизи-рованного генератора (АСГ) в системе АСГ — индуктивность линии — шины бесконечной мощности. Параллельная работа нескольких (в общем случае n) АСГ практически не исследована. Это связано с тем, что до сих пор речь шла об одиночном "точечном" применении на практике АС-генераторов. В настоящее время, в связи с тенденцией роста их практического применения, становится актуальной необходимость исследования режимов и устойчивости параллельной работы АСГ в энергосистеме.
На практике при эксплуатации упомянутых АСГ в качестве опорного вектора для системы управления использован так называемый "местный сигнал" Ug — напряжение на шинах генератора или на высокой стороне электростанции (за блочным трансформатором). Такая замена иоп = UC на иоп = Ug практически не оказала влияния на режим работы и условия устойчивости. Это объясняется тем, что во всех практических случаях АСГ работал параллельно со многими синхронными генераторами на одни шины, и для АСГ создавались как бы искусственные "мощные шины". Кроме того, во всех этих случаях эквивалентная реактивная индуктивность линии не превышала 0,1 о.е.
В условиях широкого внедрения АСГ необходимы исследования режимов и условий устойчивости при использовании в качестве опорного вектора "местного сигнала", поскольку информация о векторе шин бесконечной мощности может отсутствовать, или ее получение затруднено.
Таким образом, задачей настоящей статьи является исследование условий статической устойчивости электрической системы, содержащей параллельно работающие АСГ в условиях, когда в качестве опорного вектора выбирается UC или Ug.
Для любой электрической машины существуют понятия множества допустимых, рабочих и устойчивых режимов:
E1 Л, O! Xl
ACM
U„
xL
U„
E 2 P2, O
ACM 2
2> 2 X2
Рис. 1. Расчетная схема
l. + l
l 1 n
2
— множество допустимых режимов работы машины Од определяется ограничениями по номинальным значениям токов ротора и статора, напряжений статора и ротора; режим считается допустимым тогда, когда все параметры находятся в пределах своих ограничений;
— множество рабочих режимов Ор задается на этапе выбора машины для работы в конкретных условиях; множество рабочих режимов должно полностью входить в множество допустимых режимов;
— множеством устойчивых режимов Gy является совокупность всех режимов машины, в которых ее регулирование обеспечивает статическую устойчивость [2].
В рамках поставленной задачи решается вопрос синтеза такого закона управления возбуждением АСГ, при котором множество устойчивых режимов Gy работы машины будет приближаться к множеству допустимых GM режимов или превышать его. Соотношение этих множеств определяет запас устойчивости.
Исходные положения. Принятые допущения
На рис. 1 приведена схема, в которой проводятся исследования статической устойчивости параллельной работы АСГ.
В исследованиях принято упрощенное представление линии электропередачи, уравнения которой согласно [11] выглядят следующим образом:
U = (rL + jxL)(h + Í2) - Ug,
X + sin X cos X /14
'L = ^ 2,2 ■ 2,» (1)
cos X + p X sin X
2
_ sin X cos X - p X
L c 2 л . 2л 2 • 2 л »
cos X + p X sin X
где zC — волновое сопротивление линии; X = 2п —l— — волновая длина линии электропередачи; l — ее длина, км; р = r0/2x0; r0 и x0 — сопротивления участка линии длиной 1 км, Ом/км; Ux — напряжение мощных шин.
Для современных высоковольтных линий при исследовании статической устойчивости допустимо [2] использование приближенных формул:
rL = О»
Xl = Zctgx» (2)
Uc = Ux / cos X.
Тогда линию электропередачи можно представить в виде реактивного сопротивления xL; при этом UC — эквивалентное напряжение мощных шин.
Векторная диаграмма при параллельной работе двух АСГ представлена на рис. 2, где Ei, E2 — изображающие вектора ЭДС за полным реактансом статора в сумме с ре-
Рис. 2. Векторная диаграмма параллельной работы двух АСГ
актансом блочного трансформатора соответствующей машины; — изображающие вектора токов статоров; и&, ис — изображающие вектора напряжений на шинах станции и эквивалентного напряжения мощных шин; 6Ь 62, 6^ — углы между векторами ЭДС (£1, Е2) и напряжения на шинах станции (и&) и напряжением эквивалентных мощных шин ис соответственно.
На рис. 2 показаны координатные оси х, у, связанные с опорным вектором (на рисунке иоп = ия) и оси йе, да, связанные с вектором эквивалентных мощных шин ис.
Далее для любого вектора V принято:
V, Ул — проекции изображающего вектора V на координатные оси йс, да;
Уу, Ух — проекции изображающего вектора V на координатные оси х, у.
Например,
Е1д = Е1оо&В1, Е1й = Е^тВь
Е1у = Е1008(В1 - В£), Е1Х = Е^т(В1 - Вь).
Как принято в теории асинхронизированных машин, в настоящей статье под законом управления будем понимать закон изменения заданий на проекции тока ротора АСГ на опорный вектор иоп в функции отклонений контролируемых параметров режима. При этом принимается допущение о полной компенсации инерционности в цепях ротора, и эти задания будут также фактическими значениями проекций токов ротора АСГ на выбранные координатные оси [1, 2].
С учетом принятых допущений уравнения, описывающие работу АСГ в расчетной схеме рис. 1, приведены в Приложении 1.
Введем понятие "традиционный" закон управления [10]. Этот закон управления подразумевает формирование заданий на проекции тока ротора на опорный вектор по двум независимым каналам: каналу регулирования электромагнитного момента и каналу регулирования напряжения. Для случая иоп = ис математическое описание "традиционного" закона управления имеет следующий вид:
еЦ = е1?0 + - ^1уст), (3)
еы = ешо + кти(иg - иуст^
АЕ1 Е,
&
I
3 2
с
-4 -3 -2 -1 0
Рис. 3. Векторная диаграмма. = 120°: а — одиночная работа АСГ; б — параллельная работа двух АСГ
1 -4 -3 -2 -1 0 1
ис х
где е — изображающий вектор, пропорциональный току ротора; if — е = ¡/Хаа 1; при
этом, как известно, ЭДС Е = -¡в ; в1с[, ви — задание регулирующего воздействия в каналах электромагнитного момента и напряжения соответственно; е1<?0, еш — текущая величина регулирующих воздействий; 5 — скольжение АСК; 5уст — уставка скольжения; ие — значение напряжения статора АСК; иуст — уставка
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.