СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГЕНЕРИРУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКОЙ Российский патент 2007 года по МПК H02P9/04 H02P9/42 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике, и в частности к управлению генерирующими электроэнергетическими установками, содержащими первичный двигатель, генератор и выходной преобразователь частоты.

Уровень техники

Наличие преобразователя частоты на выходе генерирующей установки дает возможность получать переменное напряжение или ток, модуль и фаза которых непосредственно не связаны со скоростью вращения генератора. Это, с одной стороны, позволяет использовать первичный двигатель на фиксированной скорости вращения, оптимальной по экономическим показателям (например, расходу топлива, кпд), или изменять ее, добиваясь экономии топлива при переменной нагрузке. С другой стороны, в случае применения такой установки в системе автономного энергоснабжения (САЭС) наличие преобразователя дает возможность, не изменяя скорость вращения первичного двигателя, регулировать частоту так, чтобы оптимизировать режим работы потребителя.

Однако в отличие от электроэнергетических установок, в которых генераторы непосредственно (без преобразования частоты) работают на сеть или изолированную нагрузку (т.е. от обычных электрогенераторов), критерии управления установкой с преобразователем частоты существенно меняются в зависимости от того, в каких возможных условиях она работает:

- в мощной энергосистеме, где частота и напряжение не определяются данной установкой;

- в САЭС параллельно с обычными генераторами соизмеримой мощности;

- в САЭС с одной или несколькими аналогичными установками, питающими изолированную нагрузку.

Известен способ управления генерирующей электроэнергетической установкой, содержащей первичный двигатель, генератор и выходной преобразователь частоты, путем воздействия на регулятор скорости вращения первичного двигателя в соответствии с величиной тока, потребляемого от выходного преобразователя частоты [опубл. заявка РСТ WO 01/86802, 2001 г.]. Однако такой способ управления может быть эффективно применен, если установка работает на изолированную нагрузку (т.е. только в последнем из перечисленных выше случаев).

Известен выбранный в качестве прототипа способ управления генерирующей электроэнергетической установкой, содержащей снабженные блоками управления источник электроэнергии (например, генератор с турбиной) и выходной преобразователь частоты [пат. РФ №2216847, опубл. 20.11.2003 г., БИ №32]. Согласно прототипу измеряют ток и напряжение на выходе установки и вырабатывают в соответствии с заданными значениями этих параметров управляющие сигналы, воздействующие на блоки управления преобразователем и источником электроэнергии.

Недостаток способа-прототипа состоит в том, что при работе в электрической сети параллельно с обычными генераторами отсутствует возможность управлять мощностью, выдаваемой установкой, в соответствии с быстрыми изменениями нагрузки, и все изменения нагрузки в сети воспринимаются обычными генераторами. Это снижает эффективность использования таких установок в сетях, где их суммарная номинальная мощность соизмерима с суммарной мощностью других источников, и, кроме того, требует вмешательства персонала для перенастройки управления при изменениях конфигурации сети.

Сущность изобретения

Задача изобретения - обеспечить универсальное управление установкой, при котором ее активная и реактивная мощности во всех возможных условиях ее использования, перечисленных выше, а также при изменениях конфигурации сети (например, при подключении к сети или отключении от нее синхронных генераторов, работающих параллельно с установкой) автоматически изменялись бы при изменениях электрической нагрузки подобно тому, как это происходит в обычных синхронных генераторах - без вмешательства персонала, без необходимости перенастроим системы управления или переключений в ней.

Предметом изобретения является способ управления генерирующей электроэнергетической установкой, содержащей первичный двигатель с регулятором скорости вращения, источник переменного тока и преобразователь частоты, который заключается в том, что измеряют значения выходного напряжения и выходного тока установки, регулируют модуль выходного векторного параметра преобразователя в соответствии с заданными значениями выходного напряжения и максимально допустимого тока установки, определяют активную мощность, вырабатываемую установкой, моделируют нагруженный этой мощностью генератор с турбиной, снабженной регулятором скорости вращения, определяют изменение угла поворота ротора моделируемого генератора, вызванное текущими отклонениями его скорости вращения от номинальной, и корректируют в соответствии с этим изменением фазу выходного векторного параметра преобразователя.

Эта совокупность признаков позволяет решить задачу изобретения.

Способ имеет развития и уточнения, которые состоят в следующем:

- в частных случаях выполнения преобразователя частоты в виде источника напряжения или источника тока в качестве выходного векторного параметра используют ЭДС, формируемую в преобразователе, или его выходной ток соответственно,

- отклонения скорости вращения моделируемого генератора от номинальной могут ограничивать по абсолютной величине,

- для моделируемого генератора задают его параметры: уставку по мощности и располагаемую мощность турбины, механическую постоянную инерции, коэффициент демпфирования колебаний скорости вращения, коэффициент статизма и постоянную времени регулирования скорости вращения,

- уставку по мощности турбины моделируемого генератора могут изменять в процессе управления установкой;

- механическую постоянную инерции, коэффициенты статизма и демпфирования моделируемого генератора могут оптимизировать с учетом конфигурации и параметров генераторов сети, в которой работает установка.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 приведена схема электроэнергетической установки. Фиг.2 и 3 иллюстрируют описываемый ниже пример осуществления предлагаемого способа.

Осуществление изобретения

На фиг.1 показаны:

1 - первичный двигатель, например газовая турбина;

2 - источник переменного тока, например синхронный генератор,

3 - преобразователь частоты, например статический инвертор со своей системой управления вентилями, снабженный выходным фильтром;

4 - блок управления преобразователем 3, выполненный на основе программируемого вычислительного устройства, например микропроцессора;

5 - блок, сопрягающий блок 4 с преобразователем 3;

6 - шины энергообъекта, к которым подключена установка;

7 и 8 - датчики выходного тока и выходного напряжения установки;

9 - блок автономного управления первичным двигателем 1, например регулятор скорости вращения турбины;

10 - блок автономного управления источником 2, например регулятор напряжения синхронного генератора, изменяющий его ток возбуждения;

11 - нагрузка.

На фиг.2 и 3 представлены фрагменты математических моделей, используемых в описываемом примере осуществления способа.

От датчиков 7 и 8 (см. фиг.1) в блок 4 поступают сигналы i и u, соответствующие измеренным мгновенным значениям тока и напряжения установки, которые после преобразования в цифровые величины используются для вычислений, производимых в блоке 4. В частности, по измеренным значениям i и u в блоке 4 могут быть вычислены текущие значения действующего тока I, действующего напряжения U, активной мощности P и реактивной мощности Q установки. (Значения I, U, P и Q могут также определяться непосредственными измерениями с помощью соответствующих датчиков, не показанных на фиг.1). Кроме того, как показано на фиг.1, в блок 4 поступают сигналы, соответствующие уставкам, т.е. величинам, задаваемым при осуществлении управления. Уставки также могут задаваться при программировании блока 4.

Блок 4 подключен своим выходом 12 к блоку 5, вырабатывающему трехфазный управляющий сигнал 13 для преобразователя 3. Каждая фаза этого сигнала представляет собой, например, сигнал широтно-импульсной модуляции (ШИМ сигнал) с изменяемыми амплитудой, фазой и частотой.

Блок 4 выполнен с возможностью преобразования входных сигналов в цифровые величины, выполнения запрограммированных вычислений и формирования на выходе 12 цифровых сигналов управления, поступающих в блок 5.

Блок 5 изменяет ШИМ сигнал 13 так, чтобы параметры электроэнергии, вырабатываемой преобразователем 3, соответствовали цифровым значениям сигналов управления на выходе 12.

Предлагаемый способ может быть осуществлен, например, следующим образом.

Блок 4 формирует на выходе 12 цифровые сигналы управления, значения которых соответствуют требуемым значениям модуля и фазы управляемого векторного параметра преобразователя 3. В случае, когда преобразователь 3 является преобразователем напряжения, в качестве управляемого параметра используют вектор ЭДС преобразователя, а в случае, когда преобразователь 3 является преобразователем тока, - вектор тока.

Требуемые значения модуля E ЭДС, вырабатываемой преобразователем 3, и ее фазы Ψ определяют в блоке 4, например, следующим образом.

Значение E определяют (см. фиг.2) как величину, обеспечивающую поддержание заданного уставкой U₀ напряжения на шинах 6 в соответствии с равенством

E=K_U·(U₀-U)-k·(I-Imax)·sign(Q),

где K_U - коэффициент регулирования напряжения, U₀ - уставка по напряжению, k - согласующий коэффициент, имеющий размерность сопротивления. Знак реактивной мощности Q считается положительным при выдаче ее установкой. Второе слагаемое принимается равным нулю при I<I_max и отражает дополнительное воздействие на величину E, обеспечивающее ограничение выходного тока преобразователя 3, начиная со значения I=I_max.

Требуемое значение фазы Ψ вычисляют следующим образом (см. фиг.1 и 3).

С помощью соответствующего датчика или используя цифровые величины мгновенных значений i и u определяют текущую активную мощность P на выходе преобразователя 3. В блоке 4 создают математическую модель синхронного генератора, нагруженного мощностью P и вращаемого турбиной, имеющей располагаемую мощность P_max и снабженной собственным регулятором скорости вращения.

На этой модели определяют ΔΨ - текущее изменение угла поворота ротора и соответственно изменяют цифровое значение Ψ на выходе 12 блока 4.

Построение модели и определение величины ΔΨ может быть осуществлено, например, следующим образом (см. фиг.3).

Вначале, например, при программировании блока 4, для моделируемого генератора задают Р_max и T_J - механическую постоянную инерции и коэффициент демпфирования K_д, отражающий демпфирование колебаний скорости вращения моделируемым генератором, а также параметры регулирования скорости вращения турбины: постоянную времени Т_рег, коэффициент статизма К_с. Величины Р_max, Т_J, К_c и К_д могут оптимизировать, например, при наладке с учетом конфигурации и параметров генераторов сети, в которой работает установка. Кроме того, оперативно задается уставка P₀ по мощности турбины моделируемого генератора

На модели, структуру которой иллюстрирует фиг.3, в ходе управления установкой вычисляют отклонение угловой скорости вращения Δω моделируемого генератора от его номинальной скорости как величину, пропорциональную интегралу

где Р_т - текущая мощность турбины моделируемого генератора. Мощность P_т представляет собой ограниченную величиной P_max сумму P₀+ΔP, где ΔР - отклонение мощности турбины моделируемого генератора от уставки P₀, определяемое как функция Δω, например, с помощью показанного на фиг.3 элемента модели в виде передаточной функции (модель апериодического звена регулирования).

Значение ΔΨ получают интегрированием отклонения Δω, которое, как показано на фиг.3, может быть предварительно ограничено по модулю задаваемой при программировании блока 4 величиной Δω_max. В соответствии с полученной величиной ΔΨ изменяют цифровое значение Т на выходе 12 блока 4 (см. фиг.1).

Цифровые значения Е и Ψ, полученные, например, как описано выше, поступают с выхода 12 блока 4 в блок 5, формирующий трехфазный ШИМ сигнал 13 управления преобразователем 3. В результате преобразователь 3 вырабатывает ЭДС с соответствующими значениями модуля и фазы, обеспечивающими требуемые параметры электроэнергии на выходе установки.

Изложенное описывает осуществление способа в том случае, если используемый в установке преобразователь 3 выполнен по схеме преобразователя напряжения и, следовательно, является источником ЭДС. В том случае, когда используемый преобразователь 3 выполнен по схеме преобразователя тока и, следовательно, является источником тока, необходима модификация способа, которая состоит в следующем.

Поскольку управляемым параметром преобразователя в этом случае является вектор выходного тока, полученные значениями Е и Ψ не поступают на выход 12, а используются в блоке 4 для вычисления двух других цифровых управляющих величин I₁ и Ψ₁, соответствующих требуемым значениям модуля и фазы выходного тока преобразователя 3. Величины I₁ и Ψ₁ могут быть вычислены в блоке 4, например, следующим образом.

По формулам (1)и (2)

вычисляются реактивная мощность Q₁ и значение I₁, требуемые для поддержания заданного уставкой U₀ напряжения на шинах 6. Второе слагаемое в уравнении (1) принимается равным нулю при I<I_max и обеспечивает необходимое ограничение выходного тока преобразователя 3 аналогично описанному выше.

Определение другой управляющей величины Ψ₁ осуществляется вычислением по формуле Ψ₁=Ψ-ϕ₁, где значение угла ϕ₁ находится из равенства P=E·I₁·cosϕ₁.

Изменение выходного векторного параметра (ЭДС или тока) преобразователя 3 в соответствии со значениями его модуля и фазы, полученными как описано выше, обеспечивает адекватное изменение нагрузки синхронного генератора 2, питающего преобразователь 3 (см. фиг.1) Это, в свою очередь, приводит к соответствующим отклонениям скорости вращения турбины 1, которые воспринимает и отрабатывает регулятор 9, воздействуя на подачу энергоносителя в турбину 1.

Предлагаемый способ позволяет обеспечить единообразное управление установкой как в мощной энергосистеме, так и в небольших сетях при мощности установки, соизмеримой с параллельно работающими в сети генераторами 14, а также для питания изолированной нагрузки. При этом переход от одних указанных условий работы к другим не требует перенастройки системы управления. В этом смысле установки, использующие предлагаемый способ, имитируют обычные синхронные генераторы, сохраняя при этом все указанные выше достоинства установок с преобразованием электроэнергии.

Изобретение относится к электроэнергетике. Технический результат заключается в обеспечении универсальности управления установкой во всех возможных условиях ее использования: при переходе от работы на мощную сеть к работе в автономной энергосистеме или к питанию изолированной нагрузки (и обратно), что присуще синхронным генераторам, без необходимости выполнения переключений в системе управления установкой, перенастройки. Для этого в способе измеряют значения выходного напряжения и выходного тока установки, регулируют модуль выходного векторного параметра преобразователя в соответствии с заданными значениями выходного напряжения и максимально допустимого тока установки, определяют активную мощность, вырабатываемую установкой, моделируют нагруженный этой мощностью генератор с турбиной, снабженной регулятором скорости вращения, определяют изменение угла поворота ротора моделируемого генератора, вызванное текущими отклонениями его скорости вращения от номинальной, и корректируют в соответствии с этим изменением фазу выходного векторного параметра преобразователя. В частных случаях выполнения преобразователя частоты в виде источника напряжения или источника тока в качестве выходного векторного параметра используют ЭДС преобразователя или его выходной ток соответственно. 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ управления генерирующей электроэнергетической установкой, содержащей первичный двигатель с регулятором скорости вращения, источник переменного тока и преобразователь частоты, заключающийся в том, что измеряют значения выходного напряжения и выходного тока установки, регулируют модуль выходного векторного параметра преобразователя в соответствии с заданными значениями выходного напряжения и максимально допустимого тока установки, определяют активную мощность, вырабатываемую установкой, моделируют нагруженный этой мощностью генератор с турбиной, снабженной регулятором скорости вращения, определяют изменение угла поворота ротора моделируемого генератора, вызванное текущими отклонениями его скорости вращения от номинальной, и корректируют в соответствии с этим изменением фазу выходного векторного параметра преобразователя.2. Способ по п.1, в котором в качестве выходного векторного параметра преобразователя, выполненного по схеме источника напряжения, используют ЭДС, формируемую в преобразователе.3. Способ по п.1, в котором в качестве выходного векторного параметра преобразователя, выполненного по схеме источника тока, используют выходной ток преобразователя.4. Способ по п.1, в котором отклонения скорости вращения моделируемого генератора от номинальной ограничивают по абсолютной величине.5. Способ по п.1, в котором для моделируемого генератора задают уставку по мощности и располагаемую мощность турбины, механическую постоянную инерции, коэффициент демпфирования колебаний скорости вращения, коэффициент статизма и постоянную времени регулирования скорости вращения.6. Способ по п.5, в котором уставку по мощности турбины моделируемого генератора изменяют в процессе управления установкой.7. Способ по п.5, в котором механическую постоянную инерции, коэффициенты статизма и демпфирования моделируемого генератора оптимизируют с учетом конфигурации и параметров генераторов сети, в которой работает установка.