СПОСОБ И УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИНХРОНИЗАЦИИ ТУРБИНЫ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ Российский патент 2018 года по МПК F01K13/02 

Изобретение относится к способу синхронизации турбины с электрической сетью и к соответствующему устройству управления.

При генерировании тока в электростанциях, в которых генерированный ток подается в электрическую сеть, следует обращать внимание на то, что ток запитывается с правильной фазировкой. В тепловых силовых установках, в которых ток генерируется в приводимых в действие посредством турбин генераторах, турбину, таким образом, следует перевести в согласованное с фазой электросети угловое положение, чтобы ток мог быть запитан. Иными словами, приходят, разумеется, к угловому положению ротора генератора. Так как ротор генератора, как правило, жестко соединен с ротором турбины, то в данном случае всегда говорят о том, что турбина должна быть синхронизирована, даже если речь идет, по сути, о генераторе.

В уровне техники обычным является перевод турбины на частоту сети, вне зависимости от положения по фазе электросети. Затем турбина при помощи так называемого синхронизирующего прибора переводится в правильное положение по фазе. Для этого турбина ускоряется или затормаживается, то есть, можно говорить о возвратно-поступательном движении, до тех пор, пока не будет согласовано положение по фазе.

Задачей предложенного на рассмотрение изобретения является создание способа для улучшенной синхронизации турбины с сетью переменного тока. Решение данной задачи представлено, в частности, в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения предлагают варианты осуществления изобретения. Другие детали можно заимствовать из описания.

Выяснилось, что необходимо предложить способ синхронизации турбины с сетью переменного тока с частотой сети, который имеет следующие этапы.

На этапе а) необходимо осуществить ускорение турбины до частоты в диапазоне частоты сети. Под частотой в диапазоне частоты сети понимается, в целом, частота в интервале примерно от 1 Гц ниже частоты сети примерно до 1 Гц выше частоты сети. Точные значения не важны. Решающим является то, что разность между частотой сети и частотой турбины более не является слишком большой.

В качестве этапа b) предусмотрена регистрация угла рассогласования между турбиной и сетью переменного тока.

В качестве этапа с) предусмотрена регистрация скорости рассогласования между турбиной и сетью переменного тока. Иными словами, определяется рассогласование между частотой турбины и частотой сети.

Частота сети могла бы быть теоретически принята за известную величину. Однако из-за колебаний частоты целесообразной является также и регистрация частоты сети. То же самое относится, разумеется, еще и к положению по фазе сети.

Понятно, что этап с) зачастую должен быть осуществлен во время этапа a) для того, чтобы знать, когда частота турбины достигнет диапазона частоты сети. Так как частота сети, несмотря на небольшие колебания, которые на этапе a) еще не имеют значения, постоянна, то на этапе a) можно было бы еще отказаться от регистрации скорости рассогласования и производить ускорение до диапазона известной частоты сети, в Германии, к примеру, 50 Гц.

Для изобретения решающим является этап d), а именно, ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории. Заданная траектория является при этом заранее рассчитанной траекторией, которая, в зависимости от угла рассогласования, сообщает заданную скорость рассогласования, которая должна иметь место, чтобы при согласованной скорости турбины в сети переменного тока было достигнуто пригодное для синхронной подачи питания заданное угловое положение между турбиной и сетью переменного тока.

Под заданной траекторией понимается математическая функция, которая показывает, какое значение должна иметь заданная скорость рассогласования, в зависимости от угла рассогласования, чтобы при согласованной скорости турбины и сети переменного тока было достигнуто пригодное для синхронной подачи питания заданное угловое положение. Заданная траектория зависит при этом, очевидно, от требуемого ускорения или замедления. Понятно, что при регулировке на заданную траекторию не должно быть никаких излишних механических нагрузок, к примеру, за счет слишком сильного торможения. При этом не является обязательным, соответственно, заново выбирать заданную траекторию для соответствующего варианта применения.

Благодаря тому, что турбина следует заданной траектории, можно в конце ускорения или замедления, то есть, при согласовании частоты турбины и частоты сети, сразу же начинать запитку током, так как заданное угловое положение оказывается достигнуто. Таким образом, время до начала процесса генерирования тока можно уменьшить. Тем самым, можно добиться повышения экономической прибыли. Особенно важным аспектом при этом является то, что после решения о запуске электростанции, порой сразу же необходима подача тока. В таком случае для стабильности электросети решающее значение может иметь быстрое начало процесса генерирования тока. При этом несколько минут могут иметь большое экономическое значение. В уровне техники, после того, как частота турбины оказывается примерно приведена в соответствие с частотой сети, для достижения правильного положения по фазе необходимо еще от 2 до 3 минут. Посредством предложенного на рассмотрение изобретения это время явно можно, порой на несколько секунд, уменьшить.

Так как скорость рассогласования и угол рассогласования регистрируются, то возможные колебания частоты сети также могут быть зарегистрированы и учтены. Таким образом, синхронизация осуществляется надежным образом и тогда, когда имеют место колебания частоты сети.

В варианте осуществления изобретения предусмотрено, что для ускорения или замедления турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории, повторно осуществляются следующие этапы.

В качестве этапа e) предусмотрено определение выявляющейся на основании заданной траектории при зарегистрированном угле рассогласования заданной скорости рассогласования.

На этапе f) осуществляется сравнение заданной скорости рассогласования с зарегистрированной при зарегистрированном угле рассогласования скоростью рассогласования.

На этапе g) осуществляется ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы, по меньшей мере, примерно добиться заданной скорости рассогласования.

Для разъяснения следует упомянуть о том, что под «скоростью рассогласования» понимается зарегистрированная при помощи технических средств измерения скорость рассогласования, то есть, зарегистрированное при помощи технических средств измерения рассогласование частот между турбиной и сетью. Напротив, заданная скорость рассогласования считывается с заданной траектории. Всегда вместо скорости рассогласования можно говорить также о рассогласовании частот.

Можно рассматривать ситуацию, когда турбина оказывается быстрее сети, то есть, частота турбины выше частоты сети, и турбина должна быть замедлена. Тогда при заданной скорости рассогласования выше зарегистрированной при помощи технических средств измерения скорости рассогласования необходимо уменьшить замедление турбины, а при заданной скорости рассогласования ниже скорости рассогласования увеличить замедление турбины.

Поскольку частота турбины ниже частоты сети, необходимо при заданной скорости рассогласования выше скорости рассогласования ускорять турбину слабее и, соответственно, при заданной скорости рассогласования ниже скорости рассогласования ускорять ее сильнее.

Также возможно, чтобы и при частоте турбины выше частоты сети кратковременно турбина ускорялась, а при частоте турбины ниже частоты сети кратковременно турбина замедлялась, чтобы следовать заданной траектории. Как правило, этого, однако, не происходит.

В важном варианте осуществления изобретения этап e), то есть определение выявляющейся на основании заданной траектории при зарегистрированном угле рассогласования заданной скорости рассогласования, и этап f), то есть сравнение заданной скорости рассогласования с зарегистрированной при зарегистрированном угле рассогласования скоростью рассогласования, осуществляются непрерывно. Таким образом, необходимое после этапа g) ускорение или замедление может быть постоянно согласовано.

Также можно рассматривать последовательность заданной траектории в качестве контура регулирования, при котором скорость рассогласования является регулируемой величиной, а заданная скорость рассогласования задающей величиной.

В варианте осуществления изобретения заданная траектория имеет форму параболы. То есть заданная траектория выбирается таким образом, что идеально последовательная функция замедления имеет форму параболы. Тогда это соответствует замедлению с линейно уменьшающимся замедлением, при достижении правильного положения по фазе замедление турбины равно нулю.

Эта ситуация выявила себя как подходящая. В данном случае говорят о функции замедления или о замедлении; при этом предполагается, что турбина сначала разгоняется до частоты выше частоты сети. В ином случае нужно было бы говорить о функции ускорения или об ускорении.

В варианте осуществления изобретения турбина сначала ускоряется до частоты выше частоты сети. Этот процесс зарекомендовал себя на практике. Затем, как уже упоминалось, турбина, начиная с этой частоты выше частоты сети, замедляется до частоты сети. При этом следует принимать во внимание тот факт, что обычно не удается ускорить турбину точно до какой-то частоты. Турбина сначала еще более ускоряется, при этом говорят также об избыточном отклонении или об отклонении от заданного значения. Лишь после этого избыточного отклонения целесообразно осуществлять торможение турбины в соответствии с заданной траекторией. Поскольку заданная траектория предусматривает торможение, то можно также говорить о заданной функции торможения.

С точки зрения плавной синхронизации особенно подходящей является частота примерно 0,25 Гц выше частоты сети. Таким образом, с одной стороны, достигаемое во время торможения снижение скорости невелико. С другой стороны, имеет место достаточное рассогласование между частотой турбины и частотой сети.

В варианте осуществления изобретения принимается во внимание тот факт, что при многофазной сети может иметься несколько заданных угловых положений, причем в предпочтительном варианте выбирается то заданное угловое положение, которое быстрее всего будет достигнуто углом рассогласования, который в начале процесса регулирования располагается на заданной траектории. Это должно бы было быть, в общем, заданное угловое положение, при котором турбина, по меньшей мере, должна повернуться относительно сети.

В Германии сети имеют три фазы с разностью фаз 120°. Соответственно, и генератор имеет соответствующую структуру, так что поворот на 120° опять же приводит к положению, идентичному в отношении положения по фазе. Поэтому, всегда возможно большое количество заданных угловых положений. Необходимый поворот турбины относительно положения по фазе сети составляет в вышеописанном случае, тем самым, всегда менее 120°.

В варианте осуществления изобретения необходимо ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории, до достижения заданного углового положения, примерно 20 сек. Таким образом, возможно без чрезмерной механической нагрузки в течение небольшого периода времени затормозить или ускорить турбину до частоты сети.

При указанном в качестве примера значении заданной частоты 0,25 Гц выше частоты сети необходимо 10 сек до того, как избыточное отклонение постепенно спадет. С учетом примерного временного интервала в 20 сек для торможения турбины, возможно, таким образом, в диапазоне примерно 30 сек начинать процесс генерирования тока. По сравнению с обычным для уровня техники интервалом в 2-3 минуты, это является существенным улучшением.

Изобретение относится также к устройству управления для турбины, которое установлено для управления турбиной в соответствии с вышеописанным способом.

Другие детали изобретения представляются далее на основании чертежей, на которых показаны:

фиг.1 изображение частоты турбины, частоты сети и заданной траектории,

фиг.2 заданная траектория, то есть заданная характеристика рассогласования между частотой сети и частотой турбины при торможении, в зависимости от угла рассогласования между турбиной и сетью.

На фиг.1 в качестве примера изображается взаимосвязь между частотой 1 турбины, частотой 2 сети и заданной частотой 3. На оси абсцисс нанесены значения частоты в Гц, на оси ординат время в сек. Изображенная точечной линией частота 2 сети располагается на уровне 50 Гц. Отклонения частоты 2 сети, которые могут возникать, должны в данном случае оставаться без внимания. Сплошная линия демонстрирует частоту 1 турбины. Пунктирная линия демонстрирует характеристику заданной частоты 3 для турбины. Как можно видеть на основании характеристики частоты 1 турбины при ускорении турбины до 50,25 Гц сначала имеет место ускорение за пределы данного значения, то есть, так называемое избыточное отклонение. Пока не начнется регулируемое до частоты сети торможение турбины, избыточное отклонение необходимо сначала переждать.

Чтобы это продемонстрировать заданная частота 3 изображена во временном диапазоне, начиная от 55 сек и заканчивая 75 сек, при частоте 50,25 Гц в виде прямого участка 4.

Затем должно иметь место торможение по форме параболы. Заданная частота 3 проходит далее в качестве заданной траектории 5, которая осуществлена в виде заданной функции торможения. Заданная частота 3 состоит, таким образом, из прямого участка 4 и последующей заданной функции 5 торможения.

Под заданной функцией 5 торможения понимается, как уже было представлено, математическая взаимозависимость, которая выявляет какая скорость рассогласования между турбиной и сетью, то есть какое рассогласование частот между турбиной и сетью, должно иметь место, чтобы при согласованной частоте турбины и сети добиться требуемого заданного углового положения.

Заданным угловым положением является такое угловое положение, которое необходимо для синхронизации. Турбина должна, таким образом, достичь частоты сети под этим углом. Заданная функция торможения имеет при этом задачу формирования взаимосвязи между заданным рассогласованием между частотой сети и турбины и углом рассогласования между турбиной и сетью. Следует принимать во внимание тот факт, что в случае трехфазной сети, когда отдельные фазы смещены на 120°, для синхронизации рассматриваются три смещенные на 120° угловых положения. В качестве заданного углового положения следует выбирать тот угол, который может быть быстрее всего достигнут углом рассогласования, который в начале процесса регулирования располагается на линии заданной функции 5 торможения.

На фиг.2 представлено изображение заданной функции 5 торможения. На оси абсцисс нанесены значения частоты рассогласования в Гц. Числовые значения отображают заданную скорость рассогласования относительно сети. При этом представлен числовой диапазон от 0 до 0, 25 Гц. На оси ординат нанесены значения угла рассогласования между турбиной и сетью. При этом в конце торможения отмечено значение 0, что соответствует заданному угловому положению «ноль», а значения до него обозначены как отрицательные величины. Можно видеть, что во время торможения номинальный угол рассогласования совершает ровно 1, 6 оборотов.

Теперь снова к фиг.1, на основании которой можно видеть, что после ускорения до 50,25 Гц имеет место избыточное отклонение. Считываемое там числовое значение 50,31 Гц является примерным и, собственно, не отмечено, так как данное избыточное отклонение является специфическим для данной установки.

После избыточного отклонения происходит торможение согласно заданной функции 5 торможения. К тому же, непрерывно регистрируется угол рассогласования и скорость рассогласования. Измеренная скорость рассогласования сравнивается с заданной скоростью рассогласования, которая, как представлено на фиг.2, может быть считана с заданной функции 5 торможения для соответствующего угла рассогласования. Замедление турбины затем соответствующим образом непрерывно согласуется, так что скорость рассогласования, по возможности, достигает заданной скорости рассогласования.

В момент времени 85 сек, наконец, достигается частота 2 сети и турбина принимает согласованное с электросетью угловое положение, так что может быть осуществлено правильное по фазе генерирование тока и запитка сети. Следует подчеркнуть, что 85 сек представлены в данном случае в качестве примера. Фактическое значение зависит еще от рассматриваемой турбины и выбранной функции торможения или ускорения.

Наконец, должны быть представлены числовой пример и соответствующие расчеты.

Обозначим время как t, а момент времени, в который частота турбины и частота сети окончательно согласуются друг с другом, как t₀. Частота сети составит 50 Гц. Торможение должно произойти в течение 20 сек согласно имеющей форму параболы заданной функции торможения. Тогда для рассогласования между частотой сети и частотой турбины действительно следующее:

Соответствующий номинальный угол рассогласования во время торможения рассчитывается как сумма угла рассогласования к началу торможения и выявляемого вследствие торможения угла рассогласования. То есть, действительно:

Из условия

следует, что

При этом следует принимать во внимание тот факт, что угол рассогласования в данном случае представлен числом оборотов, значение «1» соответствует, таким образом, 360°.

Угол рассогласования, в зависимости от рассогласования между скоростью сети и скоростью турбины, можно записать следующим образом:

Также можно представить рассогласование между скоростью сети и скоростью турбины, в зависимости от угла рассогласования.

Соответствующая кривая может быть рассмотрена на фиг.2.

Вышеописанные рассуждения на основании имеющей форму параболы заданной функции торможения могут быть перенесены на другие заданные функции торможения. Иногда аналитически взаимосвязи не могли бы быть определены или могли бы быть определены лишь с большим трудом. Числовое решение представленного выше уравнения или подача функции f (Δφ) посредством характеристической кривой, однако, всегда возможны.

Несмотря на то, что изобретение было детально проиллюстрировано и описано посредством предпочтительного примера осуществления, оно не ограничивается представленными примерами, и специалистом могут быть сформулированы другие варианты в пределах объема правовой защиты изобретения.

Изобретение относится к способу синхронизации турбины с сетью переменного тока с частотой (2) сети, в котором осуществляют следующие этапы: а) ускорение турбины до частоты (4) в диапазоне частоты (2) сети, b) регистрация угла рассогласования между турбиной и сетью переменного тока, с) регистрация скорости рассогласования между турбиной и сетью переменного тока, d) ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории (5), причем заданная траектория (5) является заранее рассчитанной траекторией, которая, в зависимости от угла рассогласования, сообщает заданную скорость рассогласования, которая должна иметь место, чтобы при согласованной скорости турбины и сети переменного тока было достигнуто пригодное для синхронной подачи питания заданное угловое положение между турбиной и сетью переменного тока. Изобретение относится также к соответствующему устройству управления для турбины. Изобретение позволяет уменьшить время до начала процесса генерирования тока. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ синхронизации турбины с сетью переменного тока с частотой (2) сети, в котором осуществляют следующие этапы:

а) ускорение турбины до частоты (4) в диапазоне частоты (2) сети,

b) регистрация угла рассогласования между турбиной и сетью переменного тока,

с) регистрация скорости рассогласования между турбиной и сетью переменного тока,

d) ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории (5), причем заданная траектория (5) является заранее рассчитанной траекторией, которая в зависимости от угла рассогласования сообщает заданную скорость рассогласования, которая должна иметь место, чтобы при согласованной скорости турбины и сети переменного тока было достигнуто пригодное для синхронной подачи питания заданное угловое положение между турбиной и сетью переменного тока.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для ускорения или замедления турбины таким образом, чтобы турбина следовала заданной траектории (5), повторно осуществляют следующие этапы:

e) определение выявляющейся на основании заданной траектории (5) при зарегистрированном угле рассогласования заданной скорости рассогласования,

f) сравнение заданной скорости рассогласования с зарегистрированной при зарегистрированном угле рассогласования скоростью рассогласования,

g) ускорение или замедление турбины таким образом, чтобы, по меньшей мере, приблизительно добиться заданной скорости рассогласования.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что этапы e) и f) осуществляют непрерывно, чтобы непрерывно согласовывать необходимое после этапа g) ускорение или замедление.

4. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что заданная траектория (5) имеет форму параболы.

5. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что турбину разгоняют до частоты выше частоты (2) сети, в частности до частоты примерно на 0,25 Гц выше частоты (2) сети.

6. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что принимают во внимание тот факт, что при многофазной сети может иметься несколько заданных угловых положений, причем в предпочтительном варианте выбирают то заданное угловое положение, которое может быть достигнуто быстрее всего.

7. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что ускорение или замедление турбины, при которых турбина следует заданной траектории (5) до достижения заданного углового положения, осуществляется примерно 20 сек.

8. Устройство управления для турбины, которое установлено для управления турбиной в соответствии со способом по любому из предыдущих пунктов.