автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики настройки автоматических регуляторов возбуждения пропорционального действия в концентрированных энергосистемах

Введение и постановка задачи • ••.•«••••*.

Глава I. Оценка эффективности ВЧСВ турбогенераторов ТВВ с точки зрения устойчивости системы

1.1. Введение и постановка задачи

1.2. Оценка эффективности ВЧСВ в процессе пусконаладочных работ и специальных испытаний ••••••

I*3« Обзор случаев нарушения статической устойчивости в эксплуатации турбогенераторов в энергосистемах различной конфигурации ;.«

1.4. Выбор испытательных схем и путей утяжеления режимов для экспериментальной оценки эффективности ВЧСВ и выбора настройки AFB.

1.5. Выводы

Глава 2. Особенности энергосистемы ГДР, включающей мощную АЭС, с точки зрения устойчивости

2.1. Общая характеристика системы

2.2. Эквивалентное сопротивление системы

2.3. Особенности работы генераторов АЭС Норд I в системе.

2.4. Выводы.

Глава 3. Экспериментально-расчетное определение характеристик системы возбуждения и регулирования при вводе в эксплуатацию АЭС

3.1. Постановка задачи

3.2. Общая характеристика системы возбуждения и регулирования . • . •

3.3. Анализ экспериментально полученных результатов с целью определения параметров для исследования статической устойчивости

3.4. Оценка точности параметров системы возбуждения определяемых на основе результатов пусконала-дочных испытаний *.••••*••••••••

3.5. Выводы.

Глава 4. Экспериментальной исследование статической устойчивости генераторов АЭС в режимах недо-возбуждения

4.1* Постановка задачи.

4.2. Характеристика качаний в режимах недовозбуждения генераторов

4.3. Границы статической устойчивости нерегулируемого и регулируемого генераторов в координатах режимных параметров

4.4. Экспериментальное определение причины качаний

4.5. Изменение настройки АРВ генераторов с целью повышения запаса устойчивости

4.6. Выводы .*

- / ■

Глава 5. Методика исследования статической устойчивости сложной системы на ЭВМ

5.1. Постановка задачи

5.2* Методика расчета .•••••••••.•»•

5.3, Анализ периодической границы статической устойчивости генератора в координатах настроечных параметров • «.•••»•••••.

5.4« Выводы. . . •

В ряде энергосистем Советского Союза и за рубежом в последнее десятилетие в некоторых режимах были зарегистрированы длительные синхронные качания, приводившие к развитию аварий. Их появление наблюдалось как на слабых межсистемных связях, так и в концентрированных системах. Колебания в концентрированных системах возникали на генераторах тепловых станций, работающих в базе, например атомных станций, которые вырабатывают максимальную активную мощность во всех режимах.

Широко распространено мнение, что на электростанциях с относительно короткими линиями связи автоматические регуляторы возбуждения пропорционального действия полностью отвечают системным требованиям. Наблюдавшиеся качания в концентрированных системах возникали, как правило, на генераторах с высокочастотной системой возбуждения и автоматическими регуляторами возбуждения пропорционального действия, что с полным правом ставило под сомнение эту общепринятую точку зрения.

Наблюдаемые на практике качания в электрических системах /явления колебательной неустойчивости/ по своему характеру и в зависимости от причин возникновение можно разделить на две основные группы: Первая группа: Колебательная неустойчивость возникает в послеава-рийном режиме, после сильных возмущений, например, отключения сильно нагруженных линий электропередач, отключение мощных источников генерации или потребителей.

Вторая группа: Колебательная неустойчивость возникает без видимых причин, т. е. в результате малых возмущений; это неустойчивость установившегося режима.

Приводимые и описанные в литературе случаи колебательной неустой-* чивости часто с этой точки зрения не классифицируются. Несмотря на внешнее сходство колебательных процессов в обоих случаях, необходимо их различать: природа их возникновения, параметры колебаний, а потому меры их устранения и методы их исследования могут быть различными. Данная работа посвящена исследованию колебательной неустойчивости второй группы.

Незатухающие качания постоянной частоты и амплитуды носят название автоколебаний. Возникшие на отдельных генераторах, автоколебания являются периодическим возмущением для всей системы. Если частота нарушаемой границы значительно больше, чем диапазон собственных частот электромеханических колебаний системы, то автоколебания локализуются внутри станции и практически "не выходят" в электрическую систему. В этом случае можно говорить о практически безопасной границе. Частота безопасного участка периодической границы области устойчивости определяется всеми параметрами системы возбуждения генераторов и электрической системы. Распространение колебаний на все режимные параметры электрической системы /напряжение, активная и реактивная мощность, ток и т. д./ становится возможным при близости частот нарушаемой границы и собственных частот электромеханических колебаний многомашинной системы. В случае их совпадения в какой-либо части системы может возникнуть электромеханический резонанс. Тогда малые возмущения, обусловившие автоколебания, могут вызвать большие колебания на этом участке вплоть до нарушения синхронной динамической устойчивости. В этом смысле теоретически безопасная граница области устойчивости может стать практически опасной границей.

Целью настоящей работы является анализ свойств высокочастотной, системы возбуждения /ВЧСВ/ турбогенераторов типа ТВВ и разработка методики настройки АРВ пропорционального действия с целью повышения эффективности работы атомной электростанции в концентрированной энергосистеме. Эта задача решается на примере атомной электростанции Норд, работающей в концентрированной энергосистеме ГДР.

Результаты диссертационной работы отражены в отчете по договору с ГДУ ОЭС ГДР. Предлагаемая методика экспериментальной проверки статической устойчивости была успешно опробована на первых генераторах ТВВ - 200 (ТЭС Тирбах) при внедрении режимов недовозбужде-ния и реализована на АЭС Норд I для выяснения причин и устранения автоколебаний. Программа расчета статической устойчивости многомашинной системы с учетом самораскачивания, созданная на кафедре "Электрические системы" и преимущественно использованная в данной работе, передана Институту энергетики, Лейпциг. Разработанная методика исследования и упрощенные модели системы положены в основу исследований статической устойчивости, проводимых в Институте энергетики, Лейпциг.

Результаты диссертационной работы докладывались на заседании кафедры "Электрические системы" МЭИ и на семинаре в ПО "Союзтех-энерго" (Москва, 1983 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы две печатные работы и отчеты.

Объем работы

Диссертационная работа общим объемом в IS& страницы состоит из введения, пяти глав и заключения (1*й- страницы машинного текста), списка литературы (50 наименований) и II приложений. Она содержит 51 рисунок и б таблиц.

3.5. Выводы

3.5.1. В период цуско-наладочных работ на АЭС Норд I с участием автора проведен комплекс экспериментальных исследований переходных процессов в системе возбуждения во всех возможных режимах работы генераторов; сняты статические и динамические характеристики системы возбуждения и ре1улирования. Сформулированы требования к объему и точности измерений во время испытаний, необходимые для успешной эксплуатации генераторов АЭС во всех режимах.

3.5.2. Сформулированы требования и изготовлены испытательные устройства, позволяющие существенно сократить затраты энергии и рабочего времени при испытаниях на вращающемся турбоагрегата. Обобщен опыт организации пусковых электрических испытаний генераторов с учетом специфических требований АЭС.

3.5.3. Результаты пуско-наладочных испытаний показали, что ВЧСВ в заводском исполнении обеспечивает автоматическое регулирование возбуждения генератора во всех нормальных и аварийных режимах, включая совместный выбег турбогенераторов с ответственными потребителями собственных нужд при полном обесточивании АЭС. В опытах выбега получены важные зависимости напряжения генератора от частоты, а также определена частота, при которой происходит полная потеря напряжения генератора.

3.5.4. Анализ упрощённой функциональной модели ВЧСВ и ее параметров может послужить основой для дальнейшего развития методики испытаний ВЧСВ. Существующая методика, используемая на электростанциях ГДР, не предусматривает определения основных параметров системы возбуждения, важных с точки зрения устойчивости генераторов. Их расчетное определение на основе имеющихся экспериментальных результатов позволяет выявить только вероятные диапазоны искомого параметра.

3.5.5. Дано обоснование переменному характеру основного настроечного параметра - общего коэффициента усиления системы возбуждения, величина которого меняется в большом диапазоне (в 2 - 3 раза) в зависимости от теплового состояния обмотки ротора. Поскольку экспериментальное определение коэффициента компаундирования в существующей методике испытаний ВЧСВ не предусмотрено, уточнить реальный диапазон изменения коэффициента усиления можно только в специально поставленных опытах.

3.5.6. В отличие от других систем возбуждения, работающих с АРВ п. д., ВЧСВ обеспечивает постоянство напряжения генератора во всем диапазоне изменений активной и реактивной нагрузок с точностью до I - 2 %. Наличие перекомпаундированного возбудителя обуславливает такую статическую зависимость напряжения генератора от нагрузки, в соответствии с которой напряжение возрастает с ростом активной и реактивной составляющих тока статора и слабо понижается в режиме потребления реактивной мощности. При увеличении коэффициента усиления системы возбуждения точность поддержания напряжения генератора возрастает.

Глава 4. Экспериментальное исследование статической устойчивости генераторов АЭС в режимах недовозбуждения. 4.1. Постановка задачи.

При работе первой очереди АЭС Норд с проектной мощностью 880 МВт в режимах минимальных нагрузок .ЭС, когда все генераторы переводились в режим недовозбуждения, в ЭС регулярно возникали электромеханические качания. Они носили характер автоколебаний, амплитуда которых с удалением от АЭС уменьшалась. На щите управления ОДУ были зарегистрированы слабые колебания частоты ЭС. Перед персоналом АЭС встала задача выяснить и устранить причину автоколебаний в кратчайший срок. С помощью оперативных мер, в частности за счет снижения на 20 - 30 МВт мощности АЭС, удавалось стабилизировать работу ЭС.

Отсутствие опробированных промышленных программ расчета статической периодической устойчивости и достоверных данных о параметрах элементов ЭС, необходимых для расчета, исключали возможность решить стоящую задачу путем исследования на ЭВМ. В таких условиях единственно возможным путем была постановка натурных экспериментов, методика и результаты которых анализируются в данной главе. В основе методики испытаний лежит известное положение о том, что периодическая граница области статической устойчивости определяется параметрами устройств автоматического регулирования агрегата, в первую очередь - автоматического регулятора возбуждения генератора. Методика экспериментального выбора настроечных параметров АРВ успешно и широко применяется в работах ПО "Союзтехэнерго" на турбогенераторах тепловых электростанций СССР с середины шестидесятых годов. До сих пор она не получила должного теоретического обоснования и не опубликована в литературе. Ее особенность заключается в исключительной простоте и наглядности; результаты опытов, проводимых на электростанциях в системах концентрированной структуры, могут без каких-либо последующих расчетов дать ответ на вопрос о пригодности выбранной настройки АРВ. Для проведения опытов не требуется создания специальной испытательной схемы в ЭС; достаточно реализовать на станции несколько испытательных режимов, влияние которых на работу ЭС сводится к минимуму. Поскольку все эксперименты ограничиваются электрической частью станции, измерения режимных параметров можно обеспечить с максимальной точностью и минимумом измерительных средств и персонала. При проведении экспериментов ставилась цель получить результаты, представляющие интерес с теоретической и практической точек зрения: зарегистрировать процесс автоколебаний, определить режимы их возникновения и оперативные меры их успокоения и усиления с максимальным приближением к критическим амплитудам колебаний, превышение которых приводит к нарушению синхронной динамической устойчивости C1J» Ставилась цель экспериментально проверить ряд известных теоретических положений о том, что высокий коэффициент усиления АРВ пропорционального действия генератора может стать причиной недопустимого сокращения области статически устойчивых режимов. Возможным путем расширения этой области является в таком случае уменьшение коэффициента усиления. Натурные эксперименты должны были полнее раскрыть потенциальные возможности ВЧСВ и способствовать повышению ее эффективности. Кроме того эта работа должна служить для обогащения и дальнейшего развития экспериментальных методов исследования статической устойчивости в концентрированных системах. Специально поставленные эксперименты с тщательными замерами всех режимных параметров служат эталоном для проверки результатов расчета, правильности выбора математических моделей и значений исходных параметров элементов электрической системы. Экспериментальные работы для выяснения причин автоколебаний и их устранения выполнены персоналом электролаборатории АЭС Норд под руководством и при непосредственном участии автора диссертации.

4.2. Характеристика качаний в режимах недовозбуждения генераторов. На основе данных опроса сменного персонала было установлено, что качания возникали систематически, как правило, в период ночного минимума нагрузок с 22 до 4 часов и по выходным дням. Для фиксации режимных параметров во время качаний на всех четырех генераторах были подключены контрольные измерительные приборы и осциллографы. Поочередно переводились в режим недовозбуждения то один из четырех, то одновременно все четыре генератора. Мощности и напряжения на соседних подстанциях контролировались по щитовым приборам и записывались. Режим в примыкающей части сети 220 кВ во время испытаний был близок к режиму минимальных нагрузок, представленному на рис. 8. Режимы возникновения качаний при недовозбуждении одного и четырех генераторов отличались друг от друга, но основной параметр качаний - частота - был одинаков в обоих случаях. Для дополнения характеристики режимов возникновения качаний надо отметить ремонтный режим сети при отключении одной отходящей двухцепной линии 220 кВ при работе первого реакторного блока с генераторами № I и 2. В тот период явлению автоколебаний не было придано большого значения, т. к. ремонтная схема сети сохранялась всего лишь несколько дней.

Независимо от способа перевода генераторов в режим недовозбуждения - за счет снижения уставки АРВ, или при изменении коэффициента трансформации блочного трансформатора - предельный по устойчивости режим при одновременном недовозбуждении всех генераторов находился в индуктивном квадранте, т. е. до перехода к потреблению реактивной мощности.

Параметры предельного режима генераторов представлены в таблице 4.1.

Заключение.

1. На основе анализа опыта эксплуатации энергосистем Советского Союза и за рубежом дана оценка эффективности высокочастотной системы возбуждения генераторов с АРВ пропорционального действия с точки зрения статической устойчивости в зависимости от конфигурации системы. Модификации ВЧСВ генераторов электростанций, удаленных от центров потребления и генерации, предложенные и реализованные в СССР, целесообразны для обеспечения пропускной способности дальних электропередач. В концентрированных энергосистемах ВЧСВ в заводском исполнении может обеспечить статическую устойчивость только при правильной настройке АРВ п. д. Завышение коэффициента усиления АРВ может привести к ограничению режима недовозбуждения генераторов и снижению эффективности функционирования концентрированной энергосистемы.

2. Вследствие таких особенностей энергосистемы ГДР, как концентрированная конфигурация, большой процент мощных тепловых и атомной электростанций, отсутствие устройств компенсации реактивной мощности, резкопеременный суточный график нагрузки, большинство генераторов в периоды минимума нагрузки системы должны работать в режимах недовозбуждения. Экспериментальный метод оценки сопротивления связей показал, что АЭС Норд является наиболее электрически удаленной электростанцией и в режимах недовозбуждения может иметь недостаточный запас устойчивости, в первую очередь по условию самораскачивания в связи с оснащением всех крупных генераторов энергосистемы АРВ пропорционального действия.

3. На основании проведенных испытаний ВЧСВ во время пуска и ввода в эксплуатацию генераторов АЭС с помощью специальной аппаратуры и методики расчета получены параметры функциональной модели ВЧСВ, необходимые для расчетных исследований статической устойчивости. Выявлен приближенный диапазон изменения коэффициента компаундирования в связи с изменением теплового режима ротора и показано решающее влияние этого фактора на общий коэффициент усиления системы возбуждения и условия периодической статической устойчивости.

4. Опыт эксплуатации энергосистемы ГДР подтвердил наличие ограничений режима недовозбуждения АЭС Норд условиями статической устойчивости. Эти ограничения были сняты путем изменения настройки и снижения коэффициентов усиления АРВ. Основная причина ограничений заключается в том, что выбранная настройка АРВ не была проверена в специальных испытаниях.

5. Анализ условий возникновения и характера переходных процессов при установлении и устранении колебаний показал, что имеет место мягкое возбуждение автоколебаний при нарушении безопасной периодической границы статической устойчивости. Автоколебания имеют частоту порядка I Гц и амплитуду режимных параметров электрической системы, увеличивающуюся при удалении от границы устойчивости. Автоколебания при частотах, близких к собственным частотам электромеханических колебаний системы, не локализуются внутри станции, а охватывают всю систему, что делает нарушение теоретически безопасной границы статической устойчивости практически опасной с точки зрения нормальной работы всей энергосистемы.

6. Обоснован и реализован на действующей АЭС Норд экспериментальный метод перенастройки АРВ п. д., обеспечивающий достаточный запас статической устойчивости и исключающий возможность возникновения автоколебаний во всем диапазоне режимов электрической энергосистемы ГДР. Метод прост, нагляден и не требует вмешательства в работу энергосистемы. Полученные опытным путем результаты без дополнительных расчетов дают ответ на вопрос о правильности выбранной настройки АРВ.

7. Для проведения расчетных исследований статической устойчивости с учетом самораскачивания предложена методика, предусматривающая

- ш использование расчетной схемы генератор - шины бесконечной мощности, соответствующей испытательной схеме, и простейших математических моделей элементов системы. Приближенное совпадение экспериментально зафиксированной и рассчитанной границ периодической статической устойчивости в режиме автоколебаний подтверждает правомерность упрощенных расчетных схем, математических моделей и достаточную точность исходных данных параметров системы.

8. Расчетные исследования полностью подтвердили правильность принципиальных положений, заложенных в экспериментальной методике на основе инженерного опыта и интуиции. Расчетные значения коэффициента усиления ВЧСВ приближенно совпадают с диапазоном коэффициента усиления АРВ п. д., равным 20 - 50 еД« возб. х.х. ^ ИзвестНым из ед. напр. литературы. Это свидетельствует о структурной общности ВЧСВ с другими системами возбуждения с АРВ п. д. и позволяет рекомендовать этот диапазон для коэффициента усиления высокочастотной системы возбуждения.

9. Для определения коэффициента усиления АРВ на основе расчетных результатов, необходимо знать коэффициент компаундирования возбудителя. Технико-экономические трудности его экспериментального определения и, как следствие, недостаточная достоверность этого параметра ограничивают возможность использования расчетного метода для решения практических задач. Для окончательного контроля правильности выбранного значения коэффициента усиления магнитных усилителей АРВ необходимо проводить специальные эксперименты.

1. T2lJ Лирин В. Н. Некоторые вопросы наладки, испытаний и исследования полупроводниковой системы возбуждения турбогенераторов серии ТВВ. В сборнике "Наладочные и экспериментальные работы ОРГРЭС", М. Вып. 35, 1968, стр. 255-262.

2. Герценберг Г. Р. и др. Использование сильного регулирования возбуждения на тепловых электростанциях. "Электрические станции" 1977, Л I, стр. 35-38.

3. И47 Методические указания по определению устойчивости энергосистем Часть 2 Союзтехэнерго, М. 1980.15J Портной М. Г., Хачатуров А. А. Экспериментальное определение устойчивости электрических систем "Энергия" М. 1968, стр. 5-9

4. Методические указания по наладке и испытаниям полупровод, никовых систем возбуждения турбогенераторов серии ТВВ. ОРГРЭС, М. 1974.

5. Панель автоматического регулирования возбуждения турбогенераторов типа ЭПА-325В. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ОБО. 466.309 ТО, 1973.

6. QJ Безруких П. П., Покровский С. Н. Проверка и испытание вентильных систем возбуждения синхронных машин. "Энергия" М. 1975, стр. 24 - 30, 103 - 109.

7. CZSJ Шустерман М. Н. О частотных характеристиках индукторных возбудителей. "Электричество" 1977, fe 5, стр. 72 - 74.

8. Морозова Ю. А. Параметры и характеристики вентильных систем возбуждения мощных синхронных генераторов. -"Энергия", М. 1976, стр. 15 87.

9. Филиппов Ю. А. Исследование частотных характеристик мощных турбогенераторов с вентильными системами возбуждения. Диссертация на соискание ученой степени к. т. н. М, МЭИ 1978, 271 стр.

10. Веников В. А., Карасев Е. Д., Строев В. А. Об упрощенном анализе переходных процессов в электрических системах при малых возмущениях. Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт 1977 И» 6.

11. Гамазин С. И, Применение ЦВМ для исследования статической устойчивости сложных автоматически регулируемых электрических систем. Диссерт. на соискание ученой степени к.т.н., М. 1966.

12. Bahgat A., Pietzsch Н, Die Stabilitat des geregelten Turbogenerators "Elektrie" 33, 1979» 6 S, 4-35-4-39.

13. Лоханин E. К. и др. Общая характеристика комплексной программы расчета устойчивости сложных энергосистем. Труды ВНИИЭ, вып. 51, М. 1976 стр. 28-34

14. Работы по совершенствованию ВЧСВ за счет конструктивных изменений

15. Повышение эксплуатационной надежности.

16. Повышение быстродействия системы возбуждения при больших возмущениях.

17. Реализация режимов генератора^ переменной реактивной нагрузкой

18. Первый случай это поддержание неизменной реактивной мощности.3* л. Vt^ffA.^ -«л4-'