СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТЬЮ СИНХРОННОЙ НАГРУЗКИ Российский патент 1997 года по МПК H02J3/24 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам противоаварийной автоматики энергосистемы.

При наличии в энергосистеме большого объема синхронной нагрузки уровень динамической устойчивости при коротком замыкании в энергосистеме в существенной мере определяется изменение скорости вращения (торможением) роторов синхронных двигателей [1] При осуществлении в переходном процессе синхронной связи между эквивалентными энергоузлами "генератор" "двигатель" процесс выпадение "двигателя" сопровождается значительным снижением напряжения в энергосистеме. В энергосистеме в этом случае как бы возникает короткое замыкание с возрастающей тяжестью, в момент опрокидывания синхронной нагрузки аварийный процесс характеризуется трехфазным коротким замыканием. Снижение напряжения в сети, связывающей генераторы с выпадающим синхронным узлом, приводит к снижению запаса устойчивости синхронной нагрузки в неповрежденных частях энергосистемы, примыкающих к аварийному энергорайону; продолжающееся увеличение относительного угла нагрузки аварийной части энергосистемы вызывает нарушение устойчивости двигательной нагрузки других энергорайонов, происходит развитие аварии с расширением объема погашения потребителей.

Из анализа переходных процессов следует, что причиной развития аварии является нарушение устойчивости группы синхронных двигателей, которые провоцируют дальнейшее развитие аварии. Исключение этих двигателей - превентивное отключение, не дожидаясь нарушения их устойчивости, в существенной мере изменяет характер переходных процессов: обеспечивает повышение динамической устойчивости, снижение объема погашения потребителей и снижения общесистемного ущерба от аварии.

Известен способ отключения части нагрузки при аварии в энергосистеме - специальная автоматика отключения нагрузки САОН. Это мероприятие направлено на обеспечение необходимого запаса по активной мощности питающей сети в послеаварийном режиме при аварийном отключении элементов сети [2]
Применение САОН позволяет повысить надежность энергоснабжения оставшейся части потребителей и снизить аварийный ущерб.

Использование САОН основывается на предварительном расчете серии аварийных ситуаций в энергосистеме, в результате расчета определяется место и объем действий САОН, осуществляется выбор режимного контролируемого параметра и определение уставки по этому параметру. Однако, необходимость предварительного расчета уставок срабатывания САОН существенно ограничивает эффективность и селективность этого мероприятия.

Известны способы управления мощностью нагрузки [3 и 4] заключающиеся в фиксации напряжения в узле нагрузки и в отключении нагрузки при снижении напряжения ниже заданного уровня. Для узлов нагрузки, содержащих синхронные двигатели, уровень напряжения на ее шинах недостаточно представителен для прогноза устойчивости нагрузки. Значение напряжения на шинах нагрузки в процессе выпадения нагрузки в существенной мере определяется схемно-режимными условиями. Этот уровень зависит от близости к шинам нагрузки электрического центра качаний и от скорости его перемещения в ходе аварийного процесса. Поскольку реализация асинхронного режима в сложной энергосистеме многовариантна, то значение напряжения, при котором можно достаточно надежно прогнозировать последующую неустойчивость нагрузки, изменяется в достаточно широком диапазоне.

Попытка повысить селективность за счет "загрубления" уставки, т.е. за счет снижения уровня напряжения, при котором отключается нагрузка, приводит к введению запаздывания на действии САОН относительно начала аварийного процесса. Запаздывание в отключении синхронной нагрузки существенно снижает эффективность превентивного отключения синхронных двигателей, обладающих отрицательным запасом устойчивости.

Известны способы прогнозирования выхода из синхронизма синхронных машин (5,6 и 7), основанные на сопоставлении изменений в аварийном режиме ряда режимных параметров синхронной машины (величина и скорость изменения магнитного потока в зазоре, величина наведенного тока в роторе) с заданными значениями. При достижении этих значений осуществляется идентификация последующего выхода из синхронизма синхронной машины. Однако эффективность применения этих способов ограничена в связи с необходимостью предварительного расчета уставок фиксации. Кроме этого возникают определенные трудности определения уставок для широкого диапазона схемно-аварийных ситуаций. Выбор единых уставок широкого круга режимов приводит к неселективности или к запаздыванию в определении неустойчивости синхронных двигателей и, соответственно к запаздыванию действия САОН.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления мощностью синхронной машины по 8, принятый за прототип, и заключающийся в сравнении текущего значения скольжения ротора синхронной машины с допустимым скольжением для заданного угла выбега ротора и в изменении мощности синхронной машины, когда текущее значение скольжения превышает допустимое.

При использовании способа существенные трудности возникаютc определением предельной кривой S_доп = f(δ), ограничивающей область устойчивых переходов. В зависимости от аварийной ситуации в энергосистеме характеристика S_доп = f(δ) может быть существенно различна. Неопределенное значение величины электромагнитного момента в аварийном режиме, и соответственно, кривой S_доп. определяется различным описанием в разных переходных процессах реактансов синхронной машины Х_г, внешней схемы примыкания х_вн, величины ЭДС синхронной машины Е_г и величины напряжения приемной системы U_о.

Так при коротких замыканиях на шинах 6 кВ синхронных двигателей величину реактанса х_вн допустимо считать не далее шин 110 кВ питающей энергосети; при КЗ в сети 500 кВ, когда происходит сброс активной мощности у значительно большего числа синхронных двигателей, величина реактанса х_вн должна учитывать уже и сопротивление синхронных генераторов электростанции, питающей синхронную нагрузку.

Ориентирование при определении граничной кривой S_доп = f(δ) на самую тяжелую аварию (в энергосистемах с большей долей синхронной нагрузки, как правило, эта авария КЗ вблизи шин электростанции) приводит к существенно неселективной работе САОН. При близких к шинам синхронных двигателей КЗ будет происходить отключение "здоровых" синхронных двигателей. Таким образом, рассматриваемый способ управления мощностью синхронной машины обладает низкой эффективностью.

Целью изобретения является повышение эффективности при учете реальных характеристик энергосистемы и синхронной нагрузки. Указанная цель достигается тем, что в известном способе управления мощностью синхронной машины, заключающемся в фиксации cкольжения ротора синхронной машины и в снижении ее мощности при превышении скольжением допустимого значения, дополнительно измеряют активную мощность синхронной машины (P_t) и запоминают доаварийное значение мощности (Р_о) в аварийном переходе фиксируют максимальное значение активное мощности синхронной машины Р_м и определяют допустимое значение скольжения ротора синхронной машины с использованием выражения

Т_I инерционная механическая постоянная синхронной машины, измеряют текущее значение скольжения ротора синхронной машины, сопоставляют текущее значение скольжения t с допустимым значением, и, если текущее значение равно или превышает допустимое значение, то идентифицируют аварийный режим синхронной машины как неустойчивый и формируют сигнал на изменение активной мощности синхронной машины.

Новизна и сущность предлагаемого способа, по мнению заявителя, заключается в том, что при использовании способа полностью исключается необходимость в проведении предварительных расчетов для выбора уставок; определение допустимого значения скольжения ротора, при превышении которого прогнозируется последующий выход из синхронизма синхронной машины, осуществляется в темпе процесса по параметрам переходного режима. Изменение аварийной ситуации, режима, загрузки синхронной машины все автоматически отслеживается при формировании допустимого значения скольжения ротора синхронной машины.

Выбег ротора синхронной машины в первой фазе аварийного процесса в энергосистеме любой сложности может быть описан исходя из простейшей двухмашинной системы, где в качестве приемной энергосистемы с параметрами х_вн, V_c принимается некий эквивалент. При изменении аварийной ситуации, режима, в ходе самого переходного процесса этот эквивалент меняется.

Пусть при прохождении максимального значения активной мощности синхронной машины Р_м параметры двухмашинной системы соответствуют следующим величинам х_г, Е_г, х_вн, V_t. Тогда для такого математического описания следует, что максимум характеристики активной мощности Р_м отвечает относительному углу δ между векторами Е_г и V_t, равному
Будем считать, что в течение интервала времени после прохождения Р_м до достижения активной мощности синхронной машины доаварийного значения параметры двухмашинной системы не меняются. Для рассматриваемого случая моментно-угловая характеристика двухмашинной схемы представлена на фиг.1. Уравнение движения ротора для синхронной машины имеет вид
T_Ip²δ = M_т- Pesinδ,
где M_т P_о
P_e P_м.

Определим предельное по устойчивости значение скольжения ротора в момент времени t, соответствующее состоянию ротора с относительным углом δ_t Из фиг. 1 следует, что движение ротора вне зависимости от предыстории будет устойчивым, если к моменту достижения вылетом относительного угла величины δ_o ротор не будет обладать кинетической энергией, т.е. если к этому моменту времени скольжения ротора S_o 0.

Следовательно, предельное допустимое значение скольженияS_допt определяется из условия перехода из состояния δ_t, S_t в состояние δ_o, S_o cо скольжением S_о 0
Из (1), интегрируя по частям, левую часть уравнения по S (от S_t до S_o), правую часть по δ (от δ_t до δ_o) получаем

учитывая, что




имеем

Выражение (2) позволяет, начиная от момента времени достижения максимума активной мощности, определять в течение дальнейшего переходного процесса в каждый момент времени допустимое значение скольжения ротора машины; при этом в качестве независимого аргумента выступает текущее значение активной мощности. Каждому значению P_t соответствует вполне определенное для рассматриваемой схемно-аварийной ситуации предельное значение cкольжения ротора. Превышение в какой-либо момент времени значения скольжения ротора допустимого для этого момента времени предельного скольжения свидетельствует, что параметры, характеризующие движение синхронной машины, вышли из области параметров устойчивых переходов, и аварийный режим синхронной машины закончится выходом ее из синхронизма.

Анализ выражения (2) показывает, что предельное значение скольжения определяется только величиной активных мощностей: Р_о доаварийное значение. Р_м максимальное значение активной мощности в переходном процессе и Р_t текущее значение активной мощности синхронной машины в течение переходного процесса после прохождения максимума активной мощности.

В таком представлении выражения для S_доп. отсутствуют параметры двухмашинного эквивалента. Следовательно, принятое при вводе (2) допущение о неизменности параметров эквивалента на интервале времени от δ_t до δ_o оказывается несущественным. При полученной записи S_доп. только как функции от активной мощности параметры двухмашинного эквивалента не оказывают влияния (параметры эквивалента имеют значение при определении характеристики вида S_доп = f(δ) Таким образом, полученное соотношение является справедливым при определении предельного значения скольжения в первой фазе переходного процесса.

На фиг.2 для иллюстрации приведены результаты использования формулы (2) для прогноза выхода из синхронизма синхронной нагрузки одного из энергоузлов крупного энергообъединения. Приведены данные расчета динамической устойчивости при коротких замыканиях различной интенсивности: случаи а) и б) cоответствуют неустойчивым динамическим переходам, в) динамическая устойчивость синхронной машины сохраняется. Согласно расчетным данным полный проворот ротора синхронного двигателя наступил в случае а) через 0,32 с, в случае б) через 0,52 с. Использование же предлагаемого подхода, как и следует из фиг. 2, позволяет зафиксировать последующий выход из синхронизма синхронного двигателя: в случае а)- через 0,14 с. в случае б) через 0,3 с. от начала аварии. В устойчивом же переходном процессе (в случае в)) на всем рассматриваемом интервале времени текущее значение скольжения ротора не превышает предельно допустимое значение.

На фиг.3 представлена принципиальная блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ управления мощностью синхронной машины.

Устройство содержит датчик активной мощности синхронной машины 1, вычислительный блок производной активной мощности 2, компаратора 3,4 и 5, два блока запоминания 6 и 7, вычислительный блок определения допустимого скольжения 8, сумматор 9.

Выход датчика активной мощности подключен к входу блока запоминания 6, к 2-му входу вычислительного блока определения допустимого скольжения 8, к входу вычислительного блока в производной активной мощности 2, к входу блока запоминания 7. Выход блока запоминания 6 и выход блока запоминания 7 подключены соответственно к I-му и к 3-му входу блока 8. Выход вычислительного блока 2 подключен к входу компаратора 3, выход которого включен на управляющий вход блока запоминания 7. Выход компаратора 4 подключен на управляющий вход блока запоминания 6. Выход вычислительного блока определения допустимого скольжения 8 подключен на один из входов сумматора 9, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный текущему, скольжения ротора в переходном процессе. Выход сумматора 9 подключен на вход компаратора 5. Сигнал о начале аварии поступает на вход компаратора 4.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

При возникновении аварии в энергосистеме сигнал о начале аварии поступает на управляющий вход компаратора 4 и вызывает его срабатывание. Сигнал выхода компаратора, поступая на управляющий вход блока запоминания 6, обеспечивает запоминание предаварийной загрузки синхронной машины Р_о на весь рассматриваемый интервал времени переходного процесса. С выхода блока 6 в течение всего времени переходного процесса на вход вычислителя 8 поступает сигнал, пропорциональный предаварийной загрузке синхронной машины.

При достижении в ходе переходного процесса максимума активной мощности Р_м сигнал выхода блока производной активной мощности 2 проходит через нулевое значение. При прохождении производной мощности через нуль происходит срабатывание компаратора 3. Сигнал компаратора, поступая на управляющий вход блока запоминания 7, обеспечивает запоминание входного сигнала этого блока, соответствующего рассматриваемому моменту времени запоминание максимума активной мощности Р_м.

В течение всего времени рассматриваемого переходного процесса на третий вход вычислителя блока 8 поступает с выхода блока 7 сигнал, пропорциональный максимальному значению активной мощности синхронной машины в переходном аварийном режиме Р_м (На 2-й вход вычислителя 8 поступает текущее значение активной мощности Р_t. По входным сигналам Р_о, P_м, P_t и с учетом уставки Y, соответствующей значению механической инерционной постоянной синхронной машины, в вычислителе 8 реализуется соотношение

Cигнал на выходе блока 8 пропорционален допустимому значению скольжения ротора для рассматриваемого момента времени. В сумматоре 9 осуществляется сравнение с допустимым значением скольжения S_доп. текущего значения S_t скольжения ротора синхронной машины. При равенстве или превышении текущим значением допустимого значения скольжения на выходе блока 9 появляется сигнал отрицательной полярности. Появление на входе компаратора 5 сигнала отрицательной полярности приводит к его срабатыванию. Сигнал на выходе блока 5 свидетельствует о выходе параметров движения ротора синхронной машины из области устойчивых переходов и о необходимости экстренного изменения мощности синхронной машины.

Рассматриваемый способ управления мощностью синхронной машины был использован для оценки эффективности САОН в энергосистеме с большой долей синхронной нагрузки при осуществлении превентивного отключения синхронных двигателей с отрицательным запасом динамической устойчивости.

Проведенные расчеты без использования САОН показали, что при тяжелом КЗ на шинах электростанции происходит нарушение устойчивости синхронной и асинхронной нагрузки во всех энергоузлах энергосистемы суммарной мощностью погашения потребителя более 2500 МВт. В соответствии с рассматриваемым способом для каждого энергоузла по расчетным данным значения доаварийной загрузки Р_о узла и максимального значения активной мощности в переходном процессе (Р_н) были определены зависимости S_t и S_доп.
В таблице представлены значения S_доп. для всех энергоузлов рассматриваемой энергосистемы в момент времени достижения максимума характеристики активной мощности каждым энергоузлом. Из таблицы следует, что в 11 энергоузлах при достижении максимума активной мощности текущее значение скольжения превышает допустимое значение, S_t > S_доп., в остальных узлах в момент времени достижения Р_м S_t < S_доп.
Расчет переходного процесса был повторен, но в узлах, характеризующихся соотношением S_t > S_доп. в момент времени достижения максимума характеристики активной мощности было проведено отключение половины мощности синхронной нагрузки в каждом из этих узлов.

Результаты проведенного расчета следующего. Использование превентивного отключения части выпадающих синхронных двигателей обеспечивает устойчивость нагрузки остальных энергоузлов системы и устойчивость оставшейся половины нагрузки в аварийных энергоузлах. При этом объем погашенных потребителей составил всего ≈ 600 МВт. Из них отключено под действием превентивного САОН ≈ 520 MВт. а остальная часть выпавшая асинхронная нагрузка.

При коротком замыкании меньшей интенсивности нарушение устойчивости нагрузки происходит только в узлах 1011, 1012, 1051, 1063, 1777, 1780, 1799 (суммарной мощностью ≈ 700 MВт). При этом в момент достижения Р_м во всех аварийных энергоузлах S_t < S_доп. Проведенный анализ показал, что условие S_t ≥ S_доп. выполняется для всех узлов через различное время, с:
1011 0,52
1012 0,3
1051 0,52
1063 0,25
1778 0,25
1780 0,23
1799 0,26
Расчет был повторен с отключением половины синхронной нагрузки в момент времени выполнения соотношения S_t S_доп. в узлах, в которых раньше выполняется это соотношение: 1012, 1063, 1778, 1780, 1799.

Результаты расчета следующие. Превентивное отключение части синхронной нагрузки из "выпадающих" узлов позволило сохранить устойчивость оставшейся части нагрузки в этих узлах и предотвратить нарушение устойчивости в других узлах энергосистемы (узлы 1011 и 1051).

Использование рассматриваемого способа управления мощностью синхронной машины позволяет с абсолютной селективностью и надежностью выявить в начальной фазе аварийного процесса синхронные двигатели, провоцирующие развитие аварии в энергосистеме. Отключение этих двигателей позволяет существенно уменьшить ущерб от аварии за счет локализации. Реализация рассматриваемого способа обеспечивает повышение надежности энергоснабжения в энергосистеме с большой долей синхронной нагрузки.

О конструктивном выполнении ряда блоков схемы фиг.3
1. Блок производной активной мощности 2 выполняет функции дифференциометра и может быть выполнен в виде простейшей дифференцирующей RC-цепи, либо дифференцирующей RC-цепи с усилителем (см. например, Керного В.В. Бабушкин Ю.М. Математические машины непрерывного действия. Минск. Высшая школа, 1968, с. 140 145).

2. Принципиальная схема блока запоминания 6 и 7 может быть выполнена, например, в виде дифференцирующей RC-цепи с постоянной времени 1 3 с. Напряжение на конденсаторе V_c пропорционально текущему значению входного сигнала на входе блока. К управляющему входу блока запоминания подключено реле, контакты которого при срабатывании реле разрывают цепь заряда емкости и подключают обкладку конденсатора к выходу блока запоминания. Следовательно, при подаче сигнала на управляющий вход блока запоминания на его выходе появляется постоянный сигнал, величина которого соответствует сигналу на входе блока запоминания в момент подачи управляющего сигнала.

3. Вычислительный блок определения допустимого значения скольжения может быть реализован как на основе вычислительной техники дискретного действия, с привлечением микрокомпьютеров, так и с использованием аналоговой вычислительной техники. Набором нелинейных элементов, блоков деления, умножения, квадраторов, корней квадратных можно достаточно просто в соответствии с условием (2) реализовать вычислительный блок 8.

Использование: в электротехнике, в частности в противоаварийной автоматике энергосистем. Сущность изобретения: измеряют активную мощность синхронной нагрузки, запоминают доаварийное значение активной мощности, фиксируют а аварийном процессе максимальное значение активной мощности, определяют допустимое значение скольжения ротора синхронной машины по текущим параметрам, измеряют текущее значение скольжения, сопоставляют его с допустимым значением и, если текущее значение равно или превышает допустимое значение, то фиксируют аварийный режим синхронной нагрузки как неустойчивый и формируют сигнал на снижение мощности синхронной нагрузки. 3 ил., 1 табл.

Способ управления мощностью синхронной нагрузки, заключающийся в фиксации текущего скольжения ротора синхронной машины и снижении мощности синхронной нагрузки при равенстве или превышении текущим скольжением допустимого значения, отличающийся тем, что измеряют активную мощность синхронной нагрузки, запоминают доаварийное значение активной мощности, фиксируют в аварийном процессе максимальное значение активной мощности, допустимое значение скольжения ротора синхронной машины определяют по выражению

где P₀ доаварийное значение активной мощности;
P_м значение максимума активной мощности в аварийном процессе;
P_t текущее значение мощности в аварийном процессе;
T_y инерционная механическая постоянная ротора синхронной машины.