СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННОЙ МАШИНЫ Российский патент 2000 года по МПК H02P9/14 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регулированию возбуждения синхронных машин (СМ).

Известен способ-аналог автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора путем изменения его тока возбуждения в зависимости от отклонения напряжения на шинах генератора от желаемого уровня (И.И. Соловьев "Автоматические регуляторы синхронных генераторов", М., Энергоиздат, 1981, стр. 20). Там же, на стр. 20-40 приведен ряд устройств, реализующих данный способ с различной точностью. Основным недостатком данного способа является то, что в режимах минимальных нагрузок энергосистем возможно возникновение самораскачивания по вине регулятора.

Известен способ регулирования возбуждения СМ, являющийся ближайшим аналогом предлагаемого, в соответствии с которым контролируют активную и реактивную составляющие тока статора СМ и напряжение в заданной точке сети, преимущественно на зажимах СМ, и регулируют напряжение возбуждения СМ по отклонению напряжения по закону Δ U_B = K_U (U₀-U), при допустимом значении реактивной составляющей тока статора СМ, I_min≤ I≤I_max, соответствующем текущему значению активной составляющей, где Δ U_B - приращение напряжения возбуждения, U₀, U - соответственно задаваемая уставка и текущее значение напряжения в указанной точке сети, К_U - коэффициент усиления по напряжению: I_min, I_max - соответственно минимально и максимально допустимые реактивные составляющие тока статора при данной активной составляющей (А.А. Юрганов, В. А. Кожевников "Регулирование возбуждения синхронных генераторов", Санкт-Петербург, "Наука", 1996, стр. 66, рис. 4.1). Способ обеспечивает стабильное поддержание напряжения с заданным статизмом, что достигается за счет соответствующей стабилизации регулирования по производным режимных параметров. Недостатком способа является недоиспользование диапазона регулирования возбуждения генератора в режимах минимального возбуждения, при общем подъеме напряжения в энергосистеме в режимах минимальных нагрузок, поскольку применяемое в этом способе ограничение минимального возбуждения путем повышения уставки по напряжению в зависимости от реактивной составляющей статорного тока может приводить к качаниям генератора с угрозой нарушения устойчивости. Последнее практически исключает режимы работы генератора с возбуждением, близким к минимально допустимому.

В одной из возможных реализаций известного способа регулирования возбуждения СМ (фиг.1) напряжение U, измеряемое в заданной точке сети, подают на входы блока напряжения (БН) 1, блока частоты (БЧ) 2 и блока ограничения минимального возбуждения (БОМВ) 3. В блоке 1 напряжение U сравнивают с уставкой АРВ U₀ и получают три сигнала: пропорциональный отклонению напряжения от уставки, пропорциональный производной напряжения по времени и форсировочный, при значительных понижениях измеряемого напряжения. В блоке 2 получают два сигнала: первый - пропорциональный отклонению частоты напряжения от своего предшествующего значения и второй - пропорциональный производной частоты напряжения по времени. Сигнал АРВ, пропорциональный отклонению напряжения от уставки, является основным, обеспечивающим поддержание напряжения на заданном уровне, а сигналы по отклонению частоты и по производным измеряемых параметров - стабилизирующие, обеспечивающие эффективное демпфирование колебаний режимных параметров СМ после возмущения ее режима. Форсировочный канал служит для повышения динамической устойчивости СМ при коротких замыканиях. Сигналы с выходов блоков 1, 2, 3 и блока обратной связи (БОС) 4 подают на главный сумматор АРВ 5 и далее - на усилитель (У) 6, на выходе которого получают изменение выходной ЭДС регулятора ΔE_АРВ, соответствующее изменениям регулируемого параметра. Для ограничения минимального возбуждения используют блок 3, на вход которого подают измеряемое напряжение, активную и реактивную составляющие статорного тока СМ. При достижении реактивной составляющей тока статора уставки на выходах блока 3 получают сигналы, которые подают на входы блоков 1 и 5. Посредством сигнала, который без выдержки времени (быстрый канал) подают на вход блока 5, ограничивают сигнал на выходе сумматора, фиксируя ток возбуждения СМ на некотором уровне. Посредством сигнала, который с некоторой постоянной времени (медленный канал) подают на вход блока 1, изменяют уставку АРВ, добиваясь, чтобы с выхода блока 1 по основному каналу регулирования отсутствовал сигнал ΔU, одновременно уменьшая выходной сигнал быстрого канала БОМВ. После достижения этого условия (уставка по напряжению изменена) сигнал быстрого канала БОМВ исчезает, на выходе основного канала регулятора ΔU = 0 и система регулирования находится в новом установившемся режиме. Однако после того, как исчезают сигналы на выходах БОМВ, уставка АРВ с некоторой постоянной времени начинает возвращаться к исходной, создавая тем самым условия для вступления в работу БОМВ для повторного увеличения уставки. Таким образом, работа в режиме ограничения минимального возбуждения по принципу действия может приводить к самораскачиванию генератора с угрозой нарушения устойчивости, поэтому на практике избегают режимов работы СМ с возбуждением, близким к минимально допустимому, изменяя уставку АРВ по напряжению в сторону увеличения вручную еще до достижения режимов минимально возможного возбуждения СМ.

Указанный недостаток в предлагаемом способе регулирования возбуждения устраняется тем, что по заданным критериям переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора Δ U_B = К₁(I₀ - I), где I₀, I - соответственно, уставка, зависящая от активной составляющей тока статора, и текущее значение реактивной составляющей тока статора, K₁ - коэффициент пропорциональности (усиления по току), и обратно к регулированию по отклонению напряжения с заданной уставкой по напряжению. С равным основанием можно вместо регулирования по отклонению реактивной составляющей статорного тока регулировать по отклонению реактивной мощности СМ по закону Δ U_В = K_Q (Q₀-Q), где Q₀, Q - соответственно уставка, зависящая от активной мощности СМ, и текущее значение реактивной мощности, K_Q - коэффициент пропорциональности (усиления по отклонению реактивной мощности).

В заявленном предложении новый технический эффект, заключающийся в увеличении диапазона регулирования возбуждения генератора в длительных режимах, достигается за счет регулирования непосредственно ограничивающего параметра - реактивной составляющей тока статора (или реактивной мощности) генератора. Здесь необходимо отметить, что значение напряжения в точке сети, в которой его регулируют, определяется не только уровнем возбуждения ближайших СМ, но и режимом всей энергосистемы, уровнем нагрузок, перетоками мощности по линиям и др., поэтому, когда напряжение выше желаемого, речь идет о минимизации этого превышения путем снижения возбуждения СМ до минимально возможного и, наоборот, если напряжение ниже желаемого, то возбуждение СМ увеличивают до максимально допустимого, также минимизируя отклонение напряжения от желаемого уровня.

Предлагаемый способ регулирования возбуждения СМ заключается в том, что контролируют активную и реактивную составляющие тока статора и напряжение в заданной точке сети, преимущественно на зажимах генератора, и регулируют напряжение возбуждения СМ по отклонению напряжения по закону Δ U_B = K_U (U₀ - U), при допустимом значении реактивной составляющей тока статора, I_min≤I≤I_max, соответствующем текущему значению активной составляющей, и переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора по закону Δ U_B = К₁(I₀-I) при U>U_max или I ≤ I_min, задавая I₀ = I_min, a возвращаются к регулированию по отклонению напряжения при U < U₀, или переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора при I≥I_max и задавая I₀ = I_max, а возвращаются к регулированию по отклонению напряжения при U > U₀, где Δ U_B - приращение напряжения возбуждения, U₀, U - соответственно задаваемая уставка и текущее значение напряжения в указанной точке сети, К_U - коэффициент усиления по напряжению, I₀, I - соответственно заданная уставка и текущее значение реактивной составляющей тока статора, К_I - коэффициент усиления по току.

Кроме того, переходят к регулированию по реактивной составляющей тока статора и возвращаются к регулированию по отклонению напряжения, используя дополнительные уставки для указанных переходов, причем переход от одного закона регулирования к другому осуществляют по истечении соответствующих выдержек времени.

В качестве критериев перехода от одного закона регулирования к другому можно использовать следующие.

К регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора переходят при достижении ею минимально допустимого значения (I≤I_min) и задают в качестве уставки в канале регулирования по отклонению реактивной составляющей тока статора I₀=I_min. После этого перехода контролируют текущее значение напряжения в заданной точке сети и при условии, что напряжение стало меньше заданной уставки U₀, возвращаются к исходному закону регулирования по отклонению напряжения, восстанавливая заданную уставку по напряжению. Поскольку чувствительность изменений напряжения в узле к изменениям инъекции реактивной мощности в том же узле слабая, после перехода к исходному закону регулирования немедленный обратный переход к закону регулирования по отклонению реактивной составляющей тока статора, опасный из-за возбуждения автоколебательного процесса переключения законов регулирования, будет невозможен, следовательно, невозможным будет и возбуждение колебаний режимных параметров по вине регулятора.

К регулированию по реактивной составляющей тока статора могут переходить при достижении реактивной составляющей статорного тока максимально допустимого значения (I≥I_max), задавая в качестве уставки I₀ = I_max, и возвращаться при условии, что напряжение стало больше заданной уставки U₀, к исходному закону регулирования по отклонению напряжения.

Вместо реактивной составляющей тока статора для выявления условий замены закона регулирования могут использовать величину напряжения в заданной точке сети, сравнивая текущее значение напряжения с максимально допустимым уровнем U_max. Переходить к закону регулирования по отклонению реактивной составляющей тока статора могут при U > U_max, задавая при этом I₀=I_min, а при условии, что напряжение стало меньше заданной уставки U₀, возвращаться к исходному закону регулирования по отклонению напряжения, восстанавливая исходную уставку по напряжению. Для повышения адаптивности системы регулирования возбуждения к режимным условиям, складывающимся в энергосистеме, могут задавать более одной уставки для перехода от одного закона регулирования к другому с соответствующими выдержками времени. В этом случае переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора или по отклонению напряжения при выполнении двух условий: достигнута одна из уставок и с момента ее достижения прошло время равное заданной выдержке времени. Такой способ будет обладать еще большей устойчивостью к возбуждению автоколебательного процесса переключения законов регулирования, чем способ с одной уставкой.

Следует отметить, что предлагаемый способ регулирования возбуждения СМ позволяет эффективно регулировать возбуждение генераторов электростанции, не используя систем группового регулирования возбуждения. Последнее связано с тем, что предлагаемый способ регулирования возбуждения позволяет полностью использовать весь регулировочный диапазон каждого генератора электростанции вне зависимости от режимов работы других генераторов электростанции.

Возможная реализация изобретения поясняется рисунком (фиг.2).

Напряжение U, измеряемое в заданной точке сети, подают на входы блока напряжения (БН) 7, блока частоты (БЧ) 8 и блока реактивной мощности (БРМ) 9. В блоке 7 напряжение U сравнивают с уставкой АРВ U₀ и получают три сигнала: пропорциональный отклонению напряжения от уставки, пропорциональный производной напряжения по времени и форсировочный, при значительных понижениях измеряемого напряжения. В блоке 8 получают два сигнала: первый - пропорциональный отклонению частоты напряжения от своего предшествующего значения и второй - пропорциональный производной частоты напряжения по времени. Сигнал АРВ, пропорциональный отклонению напряжения от уставки, является основным при работе АРВ в режиме регулирования по отклонению напряжения, а сигналы по отклонению частоты и по производным измеряемых параметров - стабилизирующие, обеспечивающие эффективное демпфирование колебаний режимных параметров СМ после возмущения ее режима. Форсировочный канал служит для повышения динамической устойчивости СМ при коротких замыканиях. Сигналы с выходов блоков 7, 8, 9 и блока обратной связи (БОС) 10 подают на главный сумматор АРВ 11 и далее - на усилитель (У) 12, на выходе которого получают изменение выходной ЭДС регулятора Δ E_АРВ, соответствующее изменениям регулируемого параметра. С помощью вводимого в регулятор вместо БОМВ (или дополнительно к нему) блока реактивной мощности (БРМ) 9 вычисляют уставку реактивной составляющей статорного тока (или несколько уставок с разными временами срабатывания для повышения устойчивости к неконтролируемым переключениям АРВ из одного режима регулирования в другой), контролируют величину отклонения реактивной составляющей тока статора от вычисленной уставки и управляют блоком 7. При достижении реактивной составляющей статорного тока вычисленной уставки на вход блока 7 подают управляющий сигнал, посредством которого с помощью, например, электронного ключа блокируют основной канал АРВ по отклонению напряжения, а на вход сумматора 11 подают сигнал регулирования, пропорциональный отклонению реактивной составляющей тока статора от своей уставки. Таким образом, происходит переход от регулирования напряжения к регулированию заданной реактивной мощности СМ. При этом сохраняются все стабилизирующие и форсировочный каналы регулятора. После перехода к регулированию реактивной мощности для выявления условий обратного перехода (к регулированию напряжения) в блоке 9 сравнивают измеряемое напряжение с заданной уставкой, например, U₃≤U₀<U_max, где U₀, U_max - соответственно, уставка АРВ по напряжению и максимально допустимое рабочее напряжение. При U<U₃ снимают с входа блока 7 управляющий сигнал, вследствие чего деблокируют основной канал АРВ по отклонению напряжения и снимают сигнал по отклонению реактивной составляющей статорного тока с входа главного сумматора 11. В силу разнесенности уставок БРМ на срабатывание и на возврат устраняется угроза возбуждения качаний СМ в режиме минимального возбуждения и появляется возможность максимального использования регулировочного диапазона СМ по реактивной мощности без ухудшения устойчивости СМ, поскольку сохраняются все стабилизирующие каналы АРВ.

Изобретение относится к регулированию возбуждения синхронных машин (СМ). Способ позволяет увеличить диапазон загрузки по реактивной мощности за счет регулирования непосредственно ограничивающего параметр реактивной составляющей тока статора (или реактивной мощности) СМ. Способ заключается в том, что по одним заданным критериям переходят от закона регулирования по отклонению напряжения к закону регулирования по отклонению реактивной составляющей тока статора и по другим заданным критериям переходят к регулированию по отклонению напряжения. Переходить от одного закона регулирования к другому предлагается при достижении реактивной составляющей тока статора своего минимума (максимума) или при превышении напряжением в контролируемой точке заданного максимально допустимого значения, или при снижении напряжения ниже заданной уставки. Технически результат заключается в расширении диапазона регулирования возбуждения генератора в длительных режимах. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ регулирования возбуждения синхронной машины, заключающийся в том, что контролируют активную и реактивную составляющие тока статора и напряжение в заданной точке сети, преимущественно на зажимах генератора, и регулируют напряжение возбуждения синхронной машины по отклонению напряжения по закону ΔU_B = K_U(U₀ - U) при допустимом значении реактивной составляющей тока статора I_min ≤ I ≤ I_max, соответствующем текущему значению активной составляющей, отличающийся тем, что переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора по закону ΔU_B = K_I(I₀ - I) при U > U_max или I ≤ I_min, задавая I₀ = I_min, а возвращаются к регулированию по отклонению напряжения при U < U₀, или переходят к регулированию по отклонению реактивной составляющей тока статора при I ≥ I_max и задавая I₀ = I_max, а возвращаются к регулированию по отклонению напряжения при U > U₀, где ΔU_B - приращение напряжения возбуждения; U₀, U - соответственно задаваемая уставка и текущее значение напряжения в указанной точке сети; K_U - коэффициент усиления по напряжению; I₀, I - соответственно заданная уставка и текущее значение реактивной составляющей тока статора; K_I - коэффициент усиления по току. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переходят к регулированию по реактивной составляющей тока статора и возвращаются к регулированию по отклонению напряжения, используя дополнительные уставки для указанных переходов, причем переход от одного закона регулирования к другому осуществляют по истечении соответствующих выдержек времени.