СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОТЫ ТУРБОГЕНЕРАТОРА В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ Российский патент 1994 года по МПК H02J3/24 H02P9/04 

Изобретение относится к энергетике и может быть использовано для предупреждения развития аварийных ситуаций на энергоблоке и в энергосистеме. Изобретение обеспечивает стабилизацию режима работы турбогенератора при возникновении возмущений в энергосистеме (короткое замыкание) или на энергоблоке (отключение генератора от сети), сохраняя динамическую устойчивость генератора и предупреждая повышение частоты вращения вала.

Известны способы автоматического управления мощностью. Эти способы не обеспечивают рациональное изменение алгоритма управления при изменении режима работы турбогенератора и не позволяют во всех случаях оптимизировать переходный процесс на всех его участках. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления переменной структурой, где изменение алгоритма производится по заранее установленной программе по квадрантам чаще полуплоскостям) фазовой плоскости с целью улучшения качества, либо переходного процесса по быстродействию, либо по колебательности.

Предлагаемый способ обеспечивает не только оптимальный алгоритм в каждом квадранте, но обеспечивает и изменение алгоритма по прогнозу качества переходного процесса, используя для управления непосредственно возмещение (разность мощностей), а не отклонение контролируемой величины от равновеcного состояния, как это предполагается в системах с переменной структурой. При этом используется только информация, получаемая на станции вместо обширной информации по всем основным элементам энергосистемы, которая необходима при использовании централизованных систем управления.

Целью изобретения является обеспечение оптимального переходного процесса при произвольном изменении условий работы генератора.

Второй целью является исключение неоправданных воздействий на турбину и возбуждение генератора.

Третьей целью является оптимизация воздействия на регулирование турбины и возбуждение генератора при повторном входе процесса в первый квадрант плоскости для колебательного процесса.

Указанная первая цель достигается тем, что для формирования сигнала воздействия измеряют скольжение генератора относительно шин станции, чем определяют и положение фазовой плоскости в координатах: возмущение - скольжение, где возмущение по оси абсцисс, скольжение по оси ординат, фиксируют синхронный переходный процесс по периодичности чередования квадрантов по часовой стрелке (1,2,3,4) для избыточных энергоузлов и против часовой стрелки (4,3,2,1) для дефицитных, а асинхронный режим по чередованию первого и второго квадрантов для положительного и третьего и четвертого для отрицательного скольжения, формируют сигналы воздействия на форсированную разгрузку турбины в первом квадранте, на восстановление мощности с максимальной скоростью - в других квадрантах, на форсировку возбуждения генератора - во втором и четвертом квадрантах и на расфорсировку возбуждения - в первом и третьем квадрантах.

Вторая указанная цель достигается тем, что формирование сигналов воздействия выполняют с постоянной зоной отстройки от малых возмущений и запретом, управляемым от внешней системы, на срабатывание, при слабой загрузке линий связи генератора с энергосистемой при работе генератора в приемном узле энергосистемы, а при возникновении асинхронного режима генератора с положительным скольжением запрет на формирование сигналов воздействия снимают.

Третья указанная цель достигается тем, что воздействие начинают после превышения интегралом энергии, полученного на данном интервале, соответствующем времени нахождения процесса в первом квадранте, интеграла энергии, полученного на интервале, соответствующим времени нахождения процесса в третьем квадранте с приведением значения интегралов к уровню напряжения, отвечающего процессу во втором квадранте.

Причинно-следственная связь между отличительными признаками и целью изобретения заключается в том, что исходя из известных уравнений, определяющих активную и реактивную мощность генератора, работающего в энергосистеме из n+1 генераторов можно установить, что активная мощность Рi определяется уравнением
P_i = P_cбi˙sin α i_i + P_взi˙sin δ im, где Pвaim, δ im - переменные параметры связи генератора i с уcловным центром энергосистемы m только для конкретного момента времени τ , а P_сбi, sin α i_i - значения, определяемые режимами работы. Так как уравнение по форме для момента τ отвечает условиям работы генератора в мощную энергосистему, то можно определить, что скольжение по связи генератор - условный центр sim определяется как sim = A * sif, где sif - скольжение агрегата по отношению к шинам станции, А - знакопостоянный в широких пределах изменения углов коэффициент. Это позволяет определить верхнюю и нижнюю полуплоскости фазового портрета.

Левая и правая полуплоскости могут быть определены непосредственно по возмущению разности мощностей турбины Ni и генератора Pi, считаясь с тем, что возникающие периодические колебания близким к синусоидальным. Отсюда следует возможность замены угла на его вторую производную. Так как современные турбины допускают только сбросы и последующие набросы мощности, это позволяет заменить вторую производную агрегат - центр на производную скольжения агрегат - шины станции. (Детальные теоретические доказательства преобразования приведены в статье: Мурганов Б.П. "Стабилизация режима работы турбогенераторов и энергосистемы по станционной информации "Электрические станции, 8, 1991, с.54).

Установленные квадранты фазовой плоскости позволяют определить для каждого рациональный алгоритм управления, обеспечивая в момент возникновения возмущения интенсивную разгрузку турбины, если нет ограничений по режиму (слабая загрузка линий, работа генератора в приемном энергоузле) или принудительного запрета на разгрузку. При этом, для нормального режима в зоне отстройки сигнал управления компенсируется быстродействующей обратной связью, постоянная времени которой возрастает при повышении сигналом зоны отстройки которая снижается в этом случае.

Синхронный режим работы с положительным скольжением устанавливается по периодическому чередованию квадрантов (1,2,3,4), асинхронный режим с положительным скольжением по чередованию (1,2,1,2), а с отрицательным (3,4, 3,4) вне зависимости от характера переходного процесса до наступления асинхронного режима. (Синхронный режим с отрицательным скольжением - чередование 4,3,2,1 - не используется).

Для обеспечения высокого быстродействия, при одновременном сохранении зависимости воздействия от возмущения, на выходе достаточно применение реального дифференцирующего звена. Восстановление же мощности с максимальной скоростью, обеспечиваемой сервоприводами, достигается фиксацией перехода процесса из первого квадранта в другие квадранты фазовой плоскости.

Для максимального демпфирования периодических колебаний осуществляется форсировка возбуждения при отрицательном возмущении и положительном скольжении (второй квадрант), а также положительном возмущении и отрицательном скольжении (четвертый квадрант). Если же возмущение и скольжение положительны (первый квадрант) или то и другое - отрицательны (третий квадрант), то используется расфорсировка, уменьшающая возмущение. При этом при начальном возникновении возмущения - аварийная ситуация - на этом интервале это мало эффективно и не используется.

Для оптимизации управления при колебаниях в первом квадранте срабатывание системы допускается только в случае, если энергия полученная в этом квадранте начинает превышать возможный интеграл энергии для второго квадранта (возмущение отрицательное, скольжение положительное). Величину энергии второго квадранта определяют в третьем квадранте (возмущение и скольжение отрицательные) при приведении напряжения генератора к значению во втором квадранте. При этом этот интервал энергии определяют по половинному интервалу начиная от Pmax для устранения погрешности, вызванной подъемом напряжения, а мощность турбины принимают равной значению в доаварийном или послеаварийном состоянии, если производится ограничение мощности. Если же этот интервал равен нулю (начальное возмущение, первый квадрант), то действие системы начинается в момент возникновения возмущения.

Форсированный способ управления сервоприводами на значительной части интервала возмущения и инерционность турбины создают опасность перегрузок по мощности, если возмущения малой интенсивности. Последействие изменения мощности турбины может быть скомпенсировано за счет принудительного окончания воздействия на мощность до выхода из первого квадранта. Для этого на интервале возмущения из сигнала скольжения вычитают величину пропорциональную возмущению, а во втором квадранте осуществляют запуск системы, если интеграл энергии первого и второго квадрантов превысил заданную величину обеспечивающую возможность осуществления разгрузки на 20-30% (устанавливается испытаниями на турбине).

Предлагаемый способ создает теоретические и практические основы для принципиально нового метода решения задач динамической устойчивости в сложной нелинейной системе. Реализация данного способа с несущественными упрощениями алгоритма была осуществлена на аппаратуре СУПС Киевского завода "Точэлектроприбор" и испытана на физической модели единой энергосистемы СССР в НИИПТ и на агрегате 300 МВт Троицкой ГРЭС. При отключении генератора от энергосистемы заброс частоты вращения вала не превосходит статического значения в 5% (при обычном управлении заброс 10-11%). Система обеспечивала решение всего комплекса задач без сбоев и ложных срабатываний при энергосистемных возмущениях.

Использование: в энергетике, для предупреждения развития аварийных ситуаций на энергоблоке и в энергосистеме. Сущность: измеряют возмущение, равное разности мощностей турбины и генератора, и скольжение. В координатах возмущение-скольжение, где по оси абсцисс возмущение, по оси ординат - скольжение, фиксируют нахождение переходного процесса или возникновение асинхронного режима в определенном квадранте, формируют сигналы воздействия: на разгрузку турбины - в первом квадранте, на восстановление мощности с максимальной скоростью в других квадрантах, на форсировку возбуждения генератора - во втором и четвертом квадрантах, на расфорсировку возбуждения - в первом и третьем квадрантах. Формирование сигналов воздействия выполняют с запретом при слабой загрузке линии связи генератора и при работе генератора в приемном узле энергосистемы, а при возникновении асинхронного режима с положительным скольжением запрет снимают.

1. СПОСОБ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОТЫ ТУРБОГЕНЕРАТОРА В АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЯХ путем воздействия на регулирование турбины и возбуждение генератора пропорционально разности мощностей турбины и генератора, что составляет возмущение, при превышении возмущением заранее установленной величины запрета на срабатывание, при отсутствии возмущения - с компенсацией сигнала воздействия интегрирующей обратной связью и форсирования воздействия - при наличии возмущения, отличающийся тем, что, с целью обеспечения оптимального переходного процесса при произвольном изменении условий работы генератора, измеряют скольжение генератора относительно шин станции, чем определяют положение фазовой плоскости в координатах: возмущение - скольжение, где возмущение - по оси абсцисс, скольжение - по оси ординат, фиксируют переходный процесс или возникновение асинхронного режима по нахождению их в определенном квадранте фазовой плоскости, возникновение синхронных колебаний фиксируют по периодичности чередования первого, второго, третьего и четвертого квадрантов, асинхронного режима - по периодичности чередования первого и второго квадрантов - для положительного и третьего и четвертого квадрантов - для отрицательного скольжения, формируют сигналы воздействия: на форсированную разгрузку турбины - в первом квадранте, на восстановление мощности с максимальной скоростью - в других квадрантах, на форсировку возбуждения генератора - во втором и четвертом квадрантах и на расфорсировку возбуждения - в первом и третьем квадрантах. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью исключения неоправданных воздействий на турбину и возбуждение генератора, формирование сигналов воздействия выполняют с постоянной зоной отстройки от малых возмущений с запретом на срабатывание, управляемым от внешней системы, при слабой загрузке линии связи генератора с энергосистемой и при работе генератора в приемном узле энергосистемы, а при возникновении асинхронного режима генератора с положительным скольжением запрет на формирование сигналов снимают. 3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью оптимизации воздействия на регулирование турбины и возбуждение генератора в первом квадранте фазовой плоскости в переходном колебательном процессе, воздействия начинают после превышения интегралом энергии, полученном на интервале, соответствующем времени нахождения процесса в первом квадранте, интеграла энергии, полученного на интервале, соответствующем времени нахождения процесса в третьем квадранте, и приведенного к уровню напряжения генератора, соответствующего процессу во втором квадранте.