автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Исследование демпферных свойств, обеспечиваемых системами автоматического регулирования возбуждения различных типов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

\ <

\

АВАД ЭЛЬ-САЩ ЙВЙД

адк 621.313.322

ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕМПФЕРНЫХ СВОЙСТВ. ОБЕСПЕЧИВАЕМЫХ СИСТЕМАМИ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ■ В03Б91ДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Специальность 05.14.02 - электрические станции '

! электрическая часть / электроэнергетические систеиы и сети и управление ими

Р Г 6 иД

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1994

Работа выполнена на кафедре "Электрические системы и сети" Санкт-Петербургского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор С.В.СМОЛОВИК

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор й. ОРГАНОВ

кандидат технических наук А.Х.ЕСИПОВИЧ

Ведущая организация - НИИ АО "Электросила"

- Защита состоится 1994 г. в '04?-Часов

на заседании специализированного Совета И 063.38.24 при Санкт-Петербургском государственной техническом университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд. 325.

С диссертацией иояно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " ■ _______ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного ' совета'К 063 .'39.

к.т.н.. доцент А.И.ТАДИБйЕЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Автоматическое регулирование возбуждения генераторов зарекомендовало себя эффективным средством повышения уровня статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем (ЗЭС), Электромеханические параметры синхронных генераторов большой единичной мощности, достигаемой на основе повышенного использования активных материалов ухудшены, и обеспечение устойчивости и надежности работы ЭЭС возможно только при широком применении систем автоматического регулирования возбуждения, которые имеют различную структуру, используют равные сигнал« и структуры стабилизации и, соответственно, обеспечивают разные . уровни статической и динамической устойчивости. ■

Высокие демпферные'свойства АРВ-СД или системных стабилизаторов в системах возбуждения, непосредственно управляющих напряжени-яем на зажимах обмотки возбуждения, достигаются применением стабилизирующих сигналов,. содержащих первые и вторые производные режимных параметров. За счет этого удается достигать показателей затухания маловозмущенного движения на уровне 2,5-3 1/с в условиях простейшей электропередачи.и 1,0 - 1,3 1/с в условиях сложной электрической системы.

Однако большое распространение (особенно в ЭЭС, характеризующихся жесткими электрическими связями) имеют система возбуждения с АРВ пропорционального действия, которые обеспечивают показатели затухания на уровне 0,3 - 0,5 1/с. В связи с необходимостью повышения общих показателей затухания колебаний в условиях сложных энергосистем, в диссертации рассмотрены мероприятия по улучшению демпферных свойств таких регуляторов за счет использования дополнительных обратных связёй.

В практике электромашиностроения (особенно для турбогенераторов больших единичных мощностей) широко применяется диодная бесще-гочн'ая система возбуждения (ДБСВ), отличающаяся повышенной надежностью за счет исключения контактно-щеточного аппарата. Однако ДБСВ обладает сниженными показателями устойчивости за счет дополнительной инерционности, вносимой возбудителем. Исследование динамики ДБСВ и влияния различных мероприятий по повышению демпферных свойств турбоагрегата, оборудованного ДБСВ, на переходные процессы

при различных вовмуцениях представляет собой актуальную задачу.

Работа выполнялась в рамках проведения исследований по программе ГК России по высшей шкале и была связана с исследованиями, проводившимися АО "Электросила" и ВНИИЭлектромаш.

Цель и задачи работы. Целью работы являлась разработка и совершенствование методов математического моделирования систем возбуждения различных типов, для комплексного исследования обеспечиваемых ими демпферных свойств и переходных процессов при конечных возмущениях в электроэнергетической системе, а также разработка мероприятий по повышению показателей качества протекания переходных процессов.

Для достижения поставленной цели потребовалось:

- разработать математические модели автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения различных типов, включая широко применяемые в западных странах системы регулирования пропорционального действия (АРВ-ПД) и системы пропорционального действия, дополненные блоком системной стабилизации (Р£5), а также модель диодной бесщеточной системы возбужденна, содержащую подели диодного и тиристорного преобразователей и синхронного возбудителя;

- выполнить исследования колебательной статической устойчивости генератора, оснащенного АРВ-Щ при различной структуре дополнительных стабилизирующих сигналов, главным образом использующей дополнительную гибкую обратную связь по току возбуждения генератор; в различных условиях присоединения генератора к ЭЭС и различны; режимах работы;.

- определить показатели колебательной статической устойчивости, достигаемые за счет применения РЭЭ, использующего в качеств! входных сигналов отклонения; ■ частоты вращения вала . агрегата о синхронной или частоты стато'рного.напряжения;

- оценить возможности дополнительного повышения качества мало возмущенных•переходных процессов за счет применения дополнительны стабилизирующих обратных связей;

• - выполнить исследования демпферных свойств, обеспечиваемы ДБСВ, при применении различных мероприятий - добавочного активног сопротивления в цепи возбуждения возбудителя и дополнительной об ратной связи по напряжению возбуждения; - '

-выполнить исследование динамической устойчивости генераторе 2 '

оснащенного АРВ-ВД при применении в качестве дополнительного мероприятия по повышению устойчивости обратной связи по производной тока возбуждения;

- оценить снижение величины предела динамической устойчивости генератора, оснащенного ДБСВ, и исследовать специфику протекания переходных процессов, вызванных конечными возмущениями.

Методика выполнения исследований. Решение указанных задач выполнялось на основе расчета собственных■значений матриц, соответствующих линеаризованным системам уравнений переходных процессов, построения и анализа областей устойчивости и численного интегрирования нелинейных систем дифференциальных уравнений. Практика показала, что при совместном применении эти методы удачно дополняют друг друга.

Основные научные результаты и их новизна.

1. Разработаны методики математического моделирования автоматических регуляторов возбуждения и систем возбуждения различных типов, включая распространенные в странах СНГ системы возбуждения с АРВ-СД и тиристорным преобразователем и широко применяемые в западных странах системы регулирования пропорционального действия САРВ-ЦЦ) с различными возбудителями и системы пропорционального действия, дополненные блоком РБЭ.

2. Разработана подробная математическая модель широко распространенной в СНГ и на западе диодной бесщеточной системы возбуждения, включающая модели диодного и тиристорного преобразователей и синхронного возбудителя. Модели предназначены для исследования колебательной статической и динамической устойчивости генераторов.

3. Выполнено исследование колебательной статической устойчивости генератора, оснащенного АРВ-1ЗД при различной структуре дополнительных стабилизирующих сигналов. Определены показатели демпфирования при использовании дополнительной гибкой обратной связи по току возбуждения генератора при различных условиях связи генератора с приемной энергосистемой и режимах работы.

4. Зафиксировано значительное повышение уровня колебательной статической устойчивости за счет применения ЕЗЭ. В этом случае может быть достигнут показатель затухания а - 3-3,5 1/с (при использовании в качестве входного сигнала РЭЭ отклонения частоты вращё-

3

ния вала агрегата от синхронной) и о = £,5-2,7' 1/с при использовании в качестве входного сигнала частоты стаюрного напряжения. Установлено, что качество маловозмущенных переходных процессов может быть повышено за счет применения дополнительной обратной свя8и по производной тока возбуждения.

5. Выполнена исследование демпферных свойств, обеспечиваемых ДБСВ, при применении добавочного активного сопротивления в цепи возбуждения возбудителя и при использовании дополнительной обратной связи по напряжению возбуждения. Показано, что при совместном применении указанных мероприятий обеспечиваются показатели затухания, приближающиеся к показателям, обеспечиваемым АРВ-СД с тирис-торным возбудителем.

6. Выполнено исследование динамической устойчивости генератора, оснащенного АРВ-ПД, при конечных возмущениях. Установлено, что переходные процессы отличаются значительной длительностью и характеризуются возможностью нарушения устойчивости на втором колебании угла. Применение в качестве дополнительного мероприятия по повышению устойчивости обратной связи по производной тока возбуждения должно сопровождаться принудительным форсированием возбуждения на первых этапах процесса.

7. Показано, что использование ДБСВ приводит к снижению величины предела динамической устойчивости на 5-7% за счет медленного нарастания тока в обмотке возбуддения.. Переходные процессы, вызванные конечными возмущениями, отличаются большой длительностью даже при сравнительно высоком показателе затухания маловозмущенного процесса.

' 8. Выполнен анализ.допущения о возможности пренебрежения быст-ропереходными процессами статорной цепи генератора и отклонением частоты вращения от синхронной. . Несмотря на достаточную проработанность вопроса, впервые дан анализ источников возникающих погрешностей и приведены их количественные характеристики в условиях применения АРВ-СД. Показано, что исследование колебательной статической устойчивости.электропередач высокого напряжения" с малыми активными сопротивлениями может выполняться на основе классических моделей при пренебрежении быстропереходными процессами статорных цепей и их активными сопротивлениями, в то время как при наличии заметных активных сопротивлений,линии электропередачи влияние указанных факторов может быть весьма существенным и должно принимать-4

ся во внимание при выборе настроек автомагических регуляторов возбуждения.

Практическая значимость работы и ее внедрение. Полученные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации, а также разработанное программное обеспечение могут быть использованы в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях при определнии требований к системе возбуждения, допустимости тех или иных эксплуатационных или аварийных режимов и разработке мероприятий и рекомендаций по повышению уровня устойчивости.

Методические и программные разработки использовались в научно-исследовательских работах кафедры "Электрические системы и сети" санкт-петербургского государственного технического университета и выполняемых по договорам с рядом организаций (ЭНИН им.Г.М.Кржижановского, АО "Электросила").

Апробация работы. Отдельные разделы диссертации докладывались на научном семинаре кафедры "Электрические системы и сети" СПбГТУ и на 8-й Международной конференции по электроэнергетическим системам (Иран, Тегеран, 1993 г).

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 2 приложений и содержит 84 страницы основного текста, на 9 страницах таблицы, 53 иллюстраций и 111 .библиографических наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе , работы дан краткий обзор развития систем возбуждения синхронных генераторов и автоматических регуляторов возбуждения. Отмечены основные этапы развития возбудительных агрегатов - от машин постоянного тока до тиристсрных преобразователей.

По мере развития полупроводниковой техники, область применения возбудителей постоянного тока сужалась, однако,.и в настоящее время они продолжают использоваться в СНГ и других странах, прехде всего для гидрогенераторов и турбогенераторов малых мощностей.

Успехи в области развития полупроводниковой техники позволили создать серии синхронных генераторов с системами незаЕиного возбуждения и самовозбуэдения, содержащими управляемые полупроводниковые выпрямители и контактно-щеточный аппарат (мощные гидрогена^

5

раторы, системы возбуждения типа ВТ для турбогенераторов). Достоинство систем возбувдения с управляемыми выпрямителями заключается в том, что эти системы имеют высокие показатели быстродействия, т.е. обладают способностью быстро изменять эначение напряжения возбувдения. Это было особенно важным для гидрогенераторов, работающих через протяженные линии электропередач. Однако по мере возрастания токов возбуждения (из-за роста мощности генераторов), элементом системы, определяющим ее надежность, стал контактно-щеточный аппарат; это заставило обратить внимание на развитие бесщеточных систем возбуждения.

Основное достоинство бесщеточяых систем возбувдения заключается в отсутствии щеток и контактных колец. При этом применение вращающегося выпрямительного блока открывает возможности создания наиболее компактной возбудительной системы.

Важной научной проблемой является повышение быстродействия диодной бесщеточной системы возбуждения и приближение его к быстродействию тиристорной системы, что позволяет применить автоматический регулятор сильного действия (АРВ-СД).Обычная диодная система обладает значительной . инерционностью, ее постоянная времени Тв>0.5с и в основном определяется параметрами обмотки возбувдения возбудителя переменного тока. При таком значении постоянной времени снижается эффективность форсирования возбуждения генератора и применения сильного регулирования с целью повышения пределов устойчивости.

В настоящее время практически на всех мощных электростанциях стран СНГ применяются АРВ сильного действия в унифицированном исполнении, типа АРВ-СД (СДП,СДП1). Они пригодны для работы со всеми типами систем быстродействующего возбуждения (статические тирис-торные и бесщеточные системы). Эти АРВ характеризуются высокими коэффициентами регулирования.и наличием сигналов по производным режимных параметров, что позволяет совместно с системами быстродействующего возбувдения обеспечить высокие пределы статической у динамической устойчивости генераторов и интенсивное демпфирование качаний в знергосисигеые.

Одновременно следует отметить, что во многих странах с развитой электроэнергетикой (США, Канада, страны Западной Европы) широкое применение кавли автоматические регуляторы возбуждения пропорционального действия (с регулированием по отклонению статорногс 5

напряжения). Использование АРВ-ПД позволило (особенно в условиях обладающих сравнительно большой пропускной способностью сетей Западной Европы) решить проблему обеспечения апериодической стати-ческойц устойчивости. В энергосистемах бывшего СССР также накоплен достаточный опыт эксплуатации так называемых высокочастотных систем регулирования, представляющих из себя диодную возбудительную систему с пропорциональным законом регулирования . Однако применение пропорциональных структур регулирования особенно с большими коэффициентами регулирования обострило проблему обеспечения колебательной устойчивости ЭЭС. В ЭЭС многих стран, в том числе и ЕЭС бывшего СССР отмечались случаи нарушения колебательной статической устойчивости (возникновения "самораскачивания") в тяжелых электрических режимах.

Для подавления опасных колебательных режимов в СССР обычно рекомендовался переход к применению АРВ-СД, либо, в случае высокочастотных возбудительных систем, к использованию так называемого блока системной стабилизации (БСС), представлявшего из себя дополнительную гибкую обратную связь по напряжению возбуждения с нелинейным ограничителем.

Для повышения демпферных свойств пропорциональныхх регуляторов западными специалистами были предложены системные стабилизаторы (Power System Stabilizer - PSS), в которых для регулирования также использовались первые и (или) вторые производные частоты соответствующих э.д.с. или напряжений, го есть по существу реализовывался переход к принципам сильного регулирования. В течении 70-х - 80-х годов появилось большое количество работ по исследованию эффективности применения PSS и координации их настроечных параметров. Исследования возможностей повышения демпфирования за счет применения PSS продолжаются до настоящего времени.

Основной научной и методической задачей, поставленной в диссертации, было сравнительное исследование демпферных свойств, обеспечиваемых автоматическими регуляторами возбуждения различных типов (в частности, АРВ-СД и типичной структуры регулирования, прнятой на.Западе - АРВ-ВД с дополнительным каналом системной стабилизации), при демпфировании малых и конечных возмущений, анализ динамики регулирования возбуждения и определение слабых и сильных сторон каждого из' подходов к формированию структуры системы регулирования возбуждения.

Выявление слабых и сильных сторон принятого в России и зарубежных подходов представляет определенный интерес по нескольким причинам. Во-первых, контакты между русскими и зарубежными специалистами расширяются и необходимо достижение определенного взаимопонимания в данной области; во-вторых, участились попытки продажи на Запад разработанного в СНГ весьма высококачественного программного обеспечения для исследования устойчивости ЭЭС; как правило, потенциальные покупатели настаивают на наличии в программах знакомых им моделей систем и регуляторов возбуждения.

Для энергосистемы простейшей структуры, в основном рассматриваемой в диссертации, ' наиболее эффективным является сочетание метода Д-разбиения с расчетом собственных значений матриц, соответствующих линеаризованным уравнениям переходных процессов. В ряде случаев для повышения наглядности анализа динамики регулирования возбуждения и характеристик маловозмущенного движения исследования проводились и на основе численного интегрирования исходных нелинейных систем дифференциальных уравнений, хотя указанная технология применялась в основном для исследования переходных процессов и оценки качества регулирования возбуждения при конечных возмущениях.

Во второй главе диссертации представлены математические модели элементов исследуемой электроэнергетической системы. Современные турбоагоегаты характеризуются значительной сложностью, что обусловливает необходимость разработки комплексных математических моделей, включающих модели собственно синхронного генератора, возбудительного агрегата, автоматического регулятора возбуждения. Поскольку основной целью работы являлось . определение эффективности АРВ при конечных, и малых возмущениях, то соответствующие модели (нелинейные и линеаризованные) были получены на основе единого исходного математического описания объектов. .

В диссертационной работе выполнена разработка комплексной математической модели, . включающей 'модель синхронного генератора, описываемую уравнениями Парка-Горева, модель синхронного возбудителя, питающего гиристорный иди диодный преобразователь, выполнен-.ную также на основе упрощенных, уравнений Парка-Горева, модель ти-ристорного преобразователя, управляемого АРВ-СД,'' и модель АРВ-СД.

, Исходя иэ сверхпереходных-.э.д.с. • синхронного возбудителя, егс

.8 . ' . - , л:'..'" '

статорные токи рассчитываются на основе выражений 1<*в = Ь(«Д)*Есш+ Ч(с(,Т)*Ес1в ,

1сда = Ч(«,г)*Ес1в- Ь(а,Г)*Ес1в .

где эквивалентные активная и реактивная проводимости управляемого преобразователя определяются выражениями: ■

з

Ь(«,г) » - * (з1п(«+т)*соз(«+г)-з1п(а)*соз(а+г)) ,

2*п»Х

з (2)

д(а,у) = - * (з1п2(«+г)-з1п2(о<)) ,

2 «п»Х

где г - угол коммутации,

о( - угол регулирования, задаваемый выходным сигналом АРВ.

При исключении из выражений (1),(2) угла управления « выполняется моделирование неуправляемого преобразователя.

Согласование напряжений и токов возбудителя с напряжением и током возбуждения основного генератора выполняется исходя из известных соотношений для соответствующих относительных величин.

Во второй главе приведены математические описания рассмотренных- автоматических регуляторов возбуждения - АРВ-СД, АРВ-ПД и дополнительного канала, стабилизации РБЭ. Структурные схемы этих регуляторов приведены на рис. 1,2а,б.

В. третьей главе приведены результаты исследования колебательной статической устойчивости турбогенератора, оснащенного различными системами регулирования возбуждения. Первый раздел главы посвящен анализу допущения о возможности исключения из статорных уравнений членов,, соответствующих трансформаторным э.д.о. и э.д.с. скольжения. Это допущение базируется на идее о взаимной компенсации соответствующих составляющих линеаризованных уравнений статор-ной цепи. При этом следует отметить три момента, обуславливающие их приближенность, то есть возможность отличия полученных на базе упрощенной модели численных оценок от "точной модели":

ùV

о-

Kov

aultr

о--

l+PTsi

P . К ter

1-гРТн/

P Коы

HpTou

P К/и

1+рГш

Рис.1. Блок-схема модели АРВ-СД.

) i+pTc

) ' ырТа

II

ЛА-1+pTA

zr

Vmin

pKf

ftfiTr

i+pTe

л Er

Рис.2.a.Структурная схема

APB пропорционального действия.

Ч + pTt. PK PIS

/*ртг UfiTf i+pTs .

Vpsf

Рис

.2.6. Блок-схема Power System Stabilizer (KS).

1. Отсутствие учета активных сопротивлений статорной цепи (для синхронной машины, особенно большой мощности, это допущение справедливо; для внешней сети, даже для высоких классов напряжения, данное предположение является несправедливым).

2. Допущение о постоянстве напряжения в точке подключения синхронной машины к системе. При доказательстве "компенсации" полагают Us = const, что в общем случае не имеет места.

3. Компенсация состовляющих имеет место только на границе об- . ласти устойчивости. При наличии АРВ закон изменения переменных отличается от гармонического.

Результаты, характеризующие влияние отмеченных допущений иллюстрируются рис.3, из которого следует, что при использовании "точной" модели изменение положения области устойчивости и, соответственно, сдвиг точки, отвечающей максимальной степени демпфирования оказывается существенно большим, чем при обычно принимаемом подходе. Следует отметить, что это имеет место лишь при весьма значительных активных сопротивлениях.

В качестве эталона при сопоставлении показателей затухания, обеспечиваемых различными регуляторами возбуждения, принимался АРВ-СД с тиристорным возбудителем. В рассматриваемых условиях указанная система регулирования возбуждения обеспечивает «=3,2 1/с.

В таких же условиях АРВ-ПД обеспечивает на порядок меньший показатель демпфирования практически вне зависимости от постоянной времени возбудителя. Применение гибкой обратной связи по напряжению возбуждения незначительно увеличичвет показатель затухания (табл.1). Несколько более эффективным оказывается использование гибкой обратной связи по току возбуждения генератора (табл.2). В условиях более жесткой связи генератора с приемной системой показатели затухания (особенно в случае применения гибкой обратной связи по току возбуждения) возрастают до «=1-1,1 1/с. Таким образом данная дополнительная обратная связь может быть рекомендована для улучшения демпферных свойств АРВ-ПД.'

Основной проблемой при создании ДБСВ является повышение ее быстродействия, поскольку она является весьма .инерционной (несмотря на использование номинальной частоты якоря- 150 Гц, величина постоянной времени ДБСВ составляет 0,5 -1,0 с). . При таком значении постоянной времени снижается эффективность ■ форсирования возбуждения генератора и существенно ослабляются возможности АРВ-СД

11

Таблица 1.

Характеристические числа, при использовании ГОС по ДЕГ. Хв'0,3, Тс=0,02, Тг-0.05, КГ=-0,06, Ка-БО, Те=0,04

N вещ. часть мнимая часть N вещ.часть мнимая часть

1 -67,61 0,0 6 -0,42 -6,09

2 -33,35 0,0 7 -0,46 3,71

' 3 -9,26 1,99 8 -0,46 • -3,71

4 -9,26 -1,99 9 -0,34 0,0

5 -0,42 6,09 10 -3,89 0,0

Таблица 2.

Характеристические числа, при использовании ГОС по Д11Г. Тв=0,07, Тс-0.1, Тг=0,02, Кг—0,75, Ка-50, Те=0,8

N вещ. часть мнимая часть N вещ.часть мнимая часть

1 -52.03 .00 7 1 - .511 6.32

2 -33.35 .00 8 -.504 -0.96

3 -14.94 26.94 9 -.504 0.96

4 -14.94 -26.94 10 г.341 .00

5 -14.28 .00 11 -3.90 .00

б -0.511 -6.32

по обеспечению приемлемых показателей демпфирования.

На рис.4 приведены зависимости показателя демпфирования в функции коэффициента усиления канала •отклонения напряжения при разных значениях Хл. Из этих зависимостей следует, что при Хл=0,5 и отсутствии добавочного сопротивления и. дополнительной .обратной связи по напряжению возбуждения генератора приемлемые показатели демпфирования обеспечиваются только при Ки» изменяющемся в диапазоне от Ки=-Ю до Кис-Б0. При меньших значениях Ки (-50 ...-100) 12

Коы

РИС.3. Область усойчивости и положение точки, соответствующей максимальной степени устойчивости (ХЛ=0,5).

1-2-3-4 - упрощенная модель: 5-6-7-8-9 подробная модели; 1,5-г=0; 2,6-г=0.12; 3,7-г=0.22; 8-г=0.32; 4,9-г=0.52.

6 >

Ч 3

г <

о

---е началом а и г

----Лу канал а а и?

КГ — е канала п л иг — Лу канал* а цр

" \ Чч

'V..

50 т К и

Рис.4. Изменение степени устойчивости в фунх-

-6

•1 •з--г-ч о

„ „ . /— с кчивлвм А и*

--4*3 /г а нал с> а и?

Jt.sO.sl--е ""молом А и/

Л----Л/ канала л ¿У

-50

•т К и

Рис.5. Изменение степени ' устойчивости в функции

показатель демпфирования без указанной обратной связи уменьшается до «= 0,52 1/с при Хл =0,5 до с£— 2 1 /с при Хл=0,1 то есть приближается к показателям, обеспечиваемым АРВ-ВД с электромашинным возбудителем.

Рис. 5 и табл.3 иллюстрируют зависимости показателя демпфирования от коэффициента усиления канала отклонения напряжения при наличии и отсутствии гибкой обратной связи по иг при использовании Кдоб=1.65 В этих условиях степень устойчивости а = 2 достигается даже при отсутствии обратной связи, а показатели устойчивости

Таблица 3.

Зависимость показателя демпфирования от коэффициента усиления канала отклонения напряжения при наличии и отсутствии ГОС по &Uf (Кдоб=1.65*{?гв).

с обратными связями по ДUf, Alf

Ku Ki к2 Ku' Kif Kyf Alfa

D-разб Корни

0 -6,418 1.37 -15.0 -0.75 -50 5.2 . 5.21

-50 -2.75 1.25 -15.0 -0.75 -40 4.2 4.23

-100 -0.473 1.12 -15.0 -0.75 -40 2.98 2.98

без обратных связей по AUf, ülf

0 -3.0 1.15 ' -7.2 - ' - 3.2 3.28

-50 -0.75 0.85 -7.2 - - 2.3 2.38

-100 2.17 0.85' -7.2 - - ' 2.2 2.25

в малой степени зависят от индуктивного сопротивления внешней сети. При увеличении (по абсолютной величине) коэффициента Ки необходимо одновременное увеличение коэффициента Кои» при практически неизменном К? у».

Таким образом, при использовании добавочного активного сопротивления в цепи возбуждения возбудителя ДБСВ могут быть обеспечены показатели демпфирования малых колебаний, близкие к показателям, достигаемым при использования тиристорных систем возбуждения.

Использование АРВ-ПД с каналом РБЭ позволяет достичь степени' устойчивости порядка «=2,5 -3,0 1/с как при величине постоянной времени Те, равной 0,8 с, так и при использовании тиристорного возбудителя (Тв=0,04 с), при соответствующим изменении настроек регулятора.

Влияние обратных связей по напряжению возбуждения и по току возбуждения, установленное при анализе работы АРВ пропорционального типа, остается справедливым и в АРВ-ПД с каналом РБЗ. Так же как и в АРВ-ПД более существенную добавку в суммарный сигнал регулирования привносит гибкая обратная связь по напряжению возбуждения, чем соответствующая жесткая. Что касается обратных связей, использующих ток возбуждения, то, как показывают табл.4 и 5, включение канала производной тока возбуждения в закон регулирования РБЭ является исключительно эффективным.

Показано, что в качестве входного сигнала РБЭ может использоваться не частота э.д.с. регулируемой синхронной машины, а частота статорного напряжения (как это принято в АРВ-СД). В последнем случае показатель демпфирования снижается до с<=2,5 1/с.

Повысить в этом случае степень устойчивости до «=3,4 1/с можно использовав дополнительное звено, выход которого представляет из себя производную выходного сигнала РЗБ. Можно высказать предположение, что использование в качестве входного сигнала канала РБЗ отклонения частоты напряжения статора является более предпочтительным, чем отклонение частоты вращения ротора.

В четвертой главе приведены результаты анализа динамической устойчивости генератора, оснащенного различными системами возбуждения. ■ -

На рис.6 приведены зависимости пределов динамической .устойчивости турбогенератора ТВВ-200 в функции кратности форсирования возбуждения. Кривая 1 соответствует АРВ-СД с релейной форсировкой

15

Таблица 4.

Характеристические числа, без использования ГОС по ДГг. ' Тв=0,05, Тс*0,07, Гв=0,8, Ке2=-0,75, К12=0 .

N вещ. часть мнимая часть N вещ. часть мнимая часть

1 -50,00 0,0 8 -3,07 -6,79

2 -95,06 0,0 9 -0,32 0,0

3 -33,35 0,0 10 -4,31 2,71

4 -19,99 0,0 11 -4,31 -2,71

5 -4,51 6,79 12 -3,87 0,0

6 -4,51 -6,79 13 -49,99 0,0

7 -3,07 6,79 14 -50,00 0,0

Таблица 5.

Характеристические числа, при использовании ГОС по Alf и AEf. Тв=0,05, Тс-0,07, Тв-0.8, Ks2-0,75, Kig—5,0

N вещ.часть мнимая часть N вещ.часть мнимая часть

1 -50,00 0,0 8 -5,48 -5,29

2 -95,07 0,0 9 -0,32 0,0

3 -33.35 0.0 10 -3,42 3,48

4 -19,99 0,0 11 -3,42 -3,48

5 -3,52 6,89 12 -3,88 0.0

6 -3,52 -6,89 13 -50,00 , 0,0

7 -5,48 ' 5,29 14 -50,00 ' 0,0

возбуждения, кривая 2 получена в предположении, что на интервале времени, соответствующем короткому замыканию действует развозбуж-дение до -0,7* ЕГ!ЮМ (как это имеет место при использовании АРВ-Щ с дополнительной обратной связью по производной тока возбуждения). Кривая 3 соответсвуег учету инерционности, вносимой возбудителе» 16 .

ДБСВ, при условии релейной форсировки возбуждения возбудителя и использования добавочного активного сопротивления. Из приведенного рисунка видно, что отсутствие релейной форсировки возбуждения существенно сказывается на уровне динамической устойчивости параллельной работы генератора и в необходимых случаях она должна быть введена в закон регулирования возбуждения.

Показано, что системы регулирования пропорционального типа обеспечивают очень низкие показатели демпфирования процессов при конечных возмущениях, особенно в случае применения инерционного возбудителя с ограничением развозбуждения на нулевом уровне. Наиболее общей рекомендацией может быть применение гибкой оьратной связи по току возбуждения в сочитании с релейной форсировкой возбуждения.

Предел динамической.устойчивости генератора, оснащенного ДБСВ, снижен на 5-7% из-за дополнительной инерционности,- вносимой возбудителем. Из-за указанного фактора, а также из-за ограничения напряжения возбуждения генератора на нулевом уровне, переходные процессы, вызванные конечными возмущениями, носят достаточно затяжной характер (рис.7 и 8). После завершения нелинейных колебаний (из,5с) процесс достаточно хорошо демпфируется. Процессы рис.? и 8 различаются уровнем ограничений форсирования и развозбуждения возбудителя.

Рис.7 соответствует пределам форсирования- /развозбуждение +4/-1,5; рис.8 - соответственно +3/-1.25. Как следует из сравнения этих рисунков, расширение диапазона изменения напряжения на обмотке возбуждения возбудителя не приводит к изменению характера протекания процесса, а указанные величины должны определяться допустимым уровнем напряжения на зажимах обмотки возбуждения , генератора. Так, на рис.7 указанная величина достигает 2,9 при 1>1с, что должно учитываться на стадии проектирования генертора и системы возбуждения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

1. Разработаны методики математического моделирования автоматических регуляторов возбуждения, и систем возбуждения различных типов, включая широко применяемые на западе системы регулирования пропорционального"действия: (АРВ-ПД) и 'системы пропорционального

Рпр ол

■

0.5 ■

АРВ ТСВ АБСВ АРЬ ПА

£

< I 3 Кф

Рис.6. Зависимости пределов динамической устойчивости от кратности форсирования возбуждения;

Рис.7. Переходный процесс генератора при двухфазном КЗ С АРВ СД И ДБСВ. (Е ( =-1.5, Е ^4.0).

Г1П1П рщ«к

»и \ / V ____ино'3 и/ Ее 40 1

} 'г у *Т ♦ * *.е

• Рис.8. Переходный процесс генератора при двухфазном КЗ С АРВ СД И ДБСВ. (Е , =-1.25, Е =3.0).

действия, дополненные блоком РЗЭ.

2. Разработана подробная математическая модель широко распространенной в СНГ и на западе диодной бесщеточной системы возбуждения, включающая модели диодного и тиристорного преобразователей и синхронного возбудителя. Модели предназначены для исследования колебательной статической и динамической устойчивости генераторов.

3. Выполнено исследование, колебательной статической устойчивости генератора, оснащенного АРВ-ВД при различной структуре до- . полнительных стабилизирующих сигналов. Наиболее высокие показатели демпфирования обеспечиваются при использовании дополнительной гибкой обратной свяви по току возбуждения генератора. В этом случае достигается показатель затухания маловозмущенных процессов на уровне 0,6 г 0,55 1/с при внешнем индуктивном сопротивлении Хл=0,5 и показатель затухания 1 - 1,1 при Хд » 0,1.

4. Значительное повышение уровня колебательной статической устойчивости достигается за счет применения РЗБ. В этом случае может быть достигнут показатель затухания «=3-3,5 1/с (при использовании в качестве входного сигнала РББ отклонения частоты вращения вала агрегата от синхронной) и «=2,5-2,7 1/с при использовании в качестве входного сигнала частоты статорного напряжения. Качество маловозмущенных переходных процессов может быть повышено за счет применения дополнительной обратной связи по производной тока возбуждения.

' 5. Исследование демпферных свойств, обеспечиваемых ДБСВ, показало, что при применении добавочного активного сопротивления в цепи возбуждения возбудителя и при использовании дополнительной обратной связи по напряжению возбуждения обеспечиваются показатели затухания, приближающиеся к АРВ-СД с тиристорным возбудителем.

6. Исследование динамической устойчивости генератора, оснащен- . ного АРВ-ЦД, показало, что процессы при конечных возмущениях отличаются значительной длительностью и характеризуются возможностью, нарушения устойчивости на втором колебании угла. Применение как дополнительного мероприятия по повышению устойчивости обратной связи по производной тока возбуждения должно сопровождаться принудительным форсированием возбуждения на первых этапах процесса.

7. Использование ДБСВ приводит к снижению величины предела ди-намичесгай устойчивости на 5-72, Переходные процессы, вызванные конечными возмущениями, отличаются большей'длительностью.

8. Анализ допущения о возможности пренебрежения быстропереход-, ными процессами статорной цепи генератора и Отклонением частоты вращения от синхронной показал, что исследования устойчивости электропередач высокого напряжения с малыш активными сопротивлениями может выполняться яа основе классических моделей при пренебрежении быстропереходными процессами статорных цепей и их активными сопротивлениями.

9. При наличии заметных активных сопротивлений линии электропередачи влияние указанных факторов может быть весьма существенным и должно приниматься во внимание при выборе настроек автоматических регуляторов возбуждения.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. 'Авад Эдь-Сайед Авад, Окон Л.И., Окороков Р.В., Смоловик C.B. Исследование эффективности применения перспективной модели АРВ-СДПМ.• Материалы научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. СПб.: 1992. С.23-28.

2. A.El-Sayed Awad, A.F.Muhsen, G.A.Pershikov, S.V.Smolovik. Investigation of Stator Influence on the Simplest Electrical Transmission Dynamic Stability. 8th International Power System Conference, Tehran 6-8 Nov. 1993, pp.261-262.

SO