Устройство для связи двух энергосистем Советский патент 1991 года по МПК H02J3/06 

Фиг. 2

пряжением сети 1 с частотой Mi Wp-t-Wr( Wf- частота тока возбуждения). Аналогично под действием ЭДС обратной последовательности в статорных обмотках каждой машины текут токи обратной последовательности, имеющие частоту (Oi top-од и создающие магнитные поля во вторичных обмотках трансформатора 9. Эти поля суммируются,

но так как вторичные обмотки включены встречно, то в первичной обмотке трансфор- матора 9 наводится ЭДС с частотой ati Шр-ол Таким образом, устройство обладает свойствами двух асинронизированных синхронных машин и может работать со скольжением по отношению к объединяемым энергосистемам. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике. Цель изобретения - расширение области применения путем согласования напряжений, а также повышение экономичности путем увеличения пропускной способности. Если частоты объединяемых энергосистем 1 и 2 равны и оя , а частота вращения ротора (Ор, то под действием ЭДС прямой последовательности по вторичным обмоткам трехобмоточного трансформатора в статор- ных обмотках синхронных машин 4 и 5 протекают токи прямой последовательности. При согласном включении вторичных обмоток трехобмоточного трансформатора создаваемые ими поля взаимно суммируются и через суммарную ЭДС первичной обмотки трансформатора 3 взаимодействуют с на

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для связи энергосистем с различающимися параметрами режима.

Целью изобретения является расширение области использования путем согласования напряжений, а также повышение экономичности путем увеличения пропускной способности.

На фиг.1 представлена схема устройства с двумя синхронными машинами и двумя трехобмоточными трансформаторами; на фиг.2 - схема устройства с тремя синхронными машинами и двумя четырехобмоточ- ными трансформаторами; на фиг.З - схема регулятора; на фиг.4 - схема преобразователя координат.

В устройстве (фиг. 1) для связи энергосистем 1 и 2 первичная обмотка трехобмоточ- ного трансформатора 3 соединена с первой энергосистемой 1. В алы синхронных машин 4 и 5 жестко соединены. Причем основной вывод статорной обмотки синхронной машины 4 подсоединен к одной из вторичных обмоток трехобмоточного трансформатора 3, а основной вывод статорной обмотки синхронной машины 5 подсоединен к второй вторичной обмотке трансформатора 3. Вторичные обмотки трансформатора 3 включены согласно. Обмотки возбуждения синхронных машин 4 и 5 сдвинуты в пространстве друг относительно друга на угол тг/2 и подключены к выходам преобразователя 6 частоты (например, тиристорного). Преобразователь 5 частоты соединен с регулятором 7. Питание преобразователя 5 частоты осуществляется от источника 8 возбуждения.

Дополнительный вывод статорной обмотки синхронной машины 4 подсоединен к одной из вторичных обмоток трехобмотоного трансформатора 9, а дополнительный вывод статорной обмотки синхронной машины 5 подсоединен к второй вторичной обмотке трансформатора 9. Вторичные обмотки трансформатора 9 включены встречно.

Устройство работает следующим образом.

0

Пусть частоты объединяемых энергосистем соответственно равны &л и одн , а частота вращения ротора устройства равна . При питании обмотки возбуждения каждой синхронной машины переменным током (например, синусоидальным) некоторой частоты о в нем создается знакопеременное магнитное поле той же частоты их . По Эйлеру это пульсирующее поле может быть разложено на два вращающихся навстречу друг другу магнитных поля половинной амплитуды. Причем прямое поле вращается по отношению к ротору с частотой (+ ах), а обратное поле - с частотой (-ах) . Эти поля в

5 статорных обмотках каждой машины наводят ЭДС прямой последовательности с частотой (fOp+ ax), и ЭДС обратной последовательности с частотой((Ур-о f).

Под действием ЭДС прямой последовательности в статорных обмотках каждой синхронной машины текут токи прямой последовательности. Так как эти токи прот екают и по вторичным обмоткам трехобмоточного трансформатора 3, которые включены согласно, то создаваемые или магнитные поля взаимно суммируются и через суммарную ЭДС первичной обмотки трехобмоточного трансформатора 3 взаимодействуют с напряжением системы 1 с частотой ол Шр+ од). Аналогично, под действием ЭДС обратной последовательности в статорных обмотках машины текут токи обратной последовательности. Эти токи имеют частоту ад Wp-u , протекают через вторичные обмотки трехобмо5 точного трансформатора 9 и создают магнитные поля во вторичных обмотках трансформатора 9. Эти поля суммируются, так как вторичные обмотки включены встречно, и наводят в первичной обмотке трансформатора 9 ЭДС с частотой а)2 и . Эта ЭДС взаимодействует с напряжением энергосистемы 2 с частотой ал . Условие существования установившегося режима устройства выполняется как по отношению к энергосистеме 1

Wl Wp+Wf(1)

так и по отношению к энергосистеме 2 ад (Wp-uJr(2)

0

5

0

0

5

То есть, устройство обладает свойствами двух асинхронизированных синхронных машин с жестко соединенными валами и может работать со скольжением по отношению к объединяемым энергосистемам.

Допустим

(1)2 W)(3)

Тогда для того, чтобы гибкая связь между энергосистемами осуществлялась, необходимо обмотки возбуждения синхронных машин питать переменным током частоты, которую можно определить вычитанием (1) и (2)

ол -о

«Лоt

При этом ротор будет вращаться с частотой, определяемой выражением (1) и (2)

Ш + йЈ ЫР п

На входы регулятора 7 поступают сигналы частот ал и 0Ј объединяемых энергосистем, а)р и вектор напряжения одной из систем. Регулятор 7 формирует сигналы управления с частотой tor, равной полуразности частот объединенных энергосистем (4). Эти сигналы управляют работой преобразователя 6 частоты, выполненного, например, на тиристорах, преобразующего напряжение источника 8 возбуждения и напряжение возбуждения с частотой (4). Это напряжение, приложенное к обмоткам возбуждения синхронных машин 4 и 5, обеспечивает выполнение равенств (1) и (2) и надежное объединение энергосистем. Предлагаемое устройство эквивалентно устройству для связи двух энергосистем из двух асинхронизированных синхронных машин. Запишем уравнения контуров схемы по фиг.1

Ui j со (хз1 И + ); (6) С)2 j Wp ( X92 И + xpy 4 + Xf is): (7) 0 X34i4+X l+X /3i5+XM4i4+f4+X 9414+ + x gl2-x/wis (8)

0 X34J5+X/Ј} l+X 3j4+X/K is+j f5 + + X9 sls-XJM9l4-X/U9 Т 2.

где Ui, IJ2 - векторы напряжений энергосистем 1 и 2;

их - частоты вращения ротора,

И, l2. U. Ь векторы токов соответственно в цепях энергосистем 1 и 2 и машин 4 и 5,

хз1, хз4, хз5 - сопротивления трех обмоток трансформатора 3, присоединенных соответственно к энергосистеме 1, машинам 4 и 5.

- сопротивление взаимной индукции между обмотками траснформатора 3;

Х92, Х94, Х95 - сопротивления трех обмоток трансформатора 9. присоединенных соответственно к энергосистеме 2;

- сопротивление взаимной индукции между обмотками трансформатора 9.

(9)

В уравнениях (6) -- (9) параметры машин 50 и трансформаторов приведены к одной ступени напряжения.

Складывая и вычитая уравнения (8) и (9), из системы уравнений (6)- (9) получим - 2Ц j Шр 2 хзкя71 + 2х// (i 1 + м + is) ХЮ) 55 -2Ц J Шр 2х92г7М + 2x//(h + л +15)КП) (i2-H4 i5)4(2x34r xM4) -()( }

,2x|«(i2H3-i4h()-(l4-l5)-t(f4-Jl5)))

гдехт4 Хм5 хм -сопротивления статорных обмоток машин 4 и 5;

хзкт, хзла. сопротивления рассеяния соответственно оЬмоток Хз1, Хз4, Хд2.

Вычитая из (10) уравнение (12), а из уравнения (11)-(13) и учитывая при этом известное положение, что в трансформаторах ток намагничивания близок к нулю, т.е. И + U + is и , 0, откуда (м -Ms) HI; (14) l2 + i4 - is . откуда (i/i - is) -12. (15)

Из системы уравнений (10)-(13) получим 1П -Ui Jftjp(x3ur -x34 Tt-XM/2)ii-0,5(l/iЧ з): (16)

(x920+X940 -XM/2)il-0,5(l/lHj5). (17)

Из (16) И (17) очевидно, что так как прямой вектор ЭДС равен Е (A + jfe. а сопряжен15 ный ему вектор ЭДС равен С - и - jfe, то уравнения (16) и (17) являются уравнениями двух асинхронизированных синхронных машин, т.е. устройство по фиг. 1 в целом эквивалентно устройству для связи двух энергосистем из

2Q двух асинхронизированных синхронных машин. При объединении двух энергосистем предлагаемым устройством могут быть случаи, когда линия электропередачи рассчитана на передачи мощности (например, 300

25 МВт), большую пропускной способности (например. 200 МВт) предлагаемого устройства (фиг.1). В этом случае включать параллельно два агрегата экономически не выгодно, так как они постоянно будут недоЗо использоваться (в нашем примере - на 100 МВт). Предлагаемое устройство для объединения двух энергосистем (фиг.2) позволяет в таких случаях повысить экономичность устройства путем увеличения пропускной спо35 собности. Для этого устройство снабжено третьей синхронной машиной 10 с дополнительным выводом статорной обмотки, вал которой жестко соединен с валом синхронных машин 4 и 5, трансформаторы 3 и 9

4Q снабжены третьими вторичными обмотками, управляемый преобразователь 6 частоты выполнен с третьим выходом, при этом указанные статорные обмотки машины 10 и вторичные обмотки трансформаторов 3 и 9

45 соединены последовательно, третий выход управляемого преобразователя частоты подключен к обмотке возбуждения синхронной машины 10, магнитные оси обмоток возбуждения синхронных машин 1,5 и 10 сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 2тг/3 эл.град. Вторичные обмотки трансформаторов 3 и 9 соединены в группы, обеспечивающие взаимный сдвиг трех векторов напряжений на основных выводах обмоток статоров машин 4,5 и 10 друготносительно друга и относительно трех векторов напряжения на дополнительных выводах тех же обмоток статоров на угол 2л/3 эл.град. (например, три вторичные обмотки трансформатора 9 соединены в 12 группу, а у трансформатора 3 - соответственно в группы 12.4 и 8, или соответственно 3 - 12, 12, 12; 9 - 12. 4. 8, тдтЗ- 12,4. 8; 9- 12, 8, 4 и т.д.

Принимая, что в устройстве (фиг.2) все параметры элементов схемы приведены к одной ступени напряжения, а для упрощения анализа трансформаторы 3 и 9 идеальны (т.е. нет рассеяния магнитного потоками учитывая оговоренные условия, запишем контурные уравнения

Ив),(х,, 0--01 e)°°jco|)(

,j(f« ieo t e-j(j4-uo0|

lve

n

0«0,-e jcOf(xieTieЈ1(

-j120°

7

(19)

Jdr Z4a°l p-j( :«oe

гНе, .(20)

Индексы параметров в (1)-(20) соответствуют номерам элементов на фиг.2. ,

Умножим уравнение (19) на е 120, уравнение (20) - на е , и сложим уравненияо (18Н20). Умножим уравнение (19) на е)120Г уравнение (20 - на и сложим уравнения (18)-(20). При этом окончательно получим

(yp(Јh+e);(21)

-U2 jofe(472 + &).

(22)

Уравнения (21) и (22) аналогичны уравнениям (16) и (17) и представляют собой уравнения, описывающие эквивалентное устройство для связи двух энергосистем из двух асинхронизированных синхронных машин. Как следует из (21) и (22), пропускная способность устройства по фиг.2 по отношению к пропускной способности устройства по фиг.1 возросла в 1,5 раза, что и требовалось, исключив тем самым избыток установленной мощности, что имело бы место при применении двух устройств по фиг.1.

В устройствах по фиг. 1 и 2 преобразователь 6 частоты представляет собой тиристорный преобразователь частоты с непосредственной

связью с двухфазным выходом для устройства по фиг.1 и с трехфазным выходом для устройств по фиг.2. Источник 8 возбуждения может быть независимым или им может

быть одна из объединенных энергосистем 1 и 2. Регулятор 7 для обоих устройств один и тот же, тслько для устройства по фиг.1 он сделан с двумя выходами, а для устройства по фиг.2 - с тремя выходами. На фиг.З приведена

0 схема регулятора 7 с двумя выходами, представляющего собой один из автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) устройства для связи двух энергосистем из двух эсинхронизированных синхронных машин с датчиками параметров ре5 жима. Входы пропорционально-интегрального регулятора 11 соединены с выходами блока 12 коэффициента регулирования ft0, датчика 13 напряжения и блока 14 задания установки напряжения, а на выходе формиру0 ется сигнал напряжения управления в канале реактивной мощности, обеспечивающего поддержание напряжения Ui на статоре машины и в соответствии с уставкой U10 Ufyd ku i(U io-U i) + ku2 / (U10 -U i)dt. (23)

5 где /90. kui, ku2 - коэффициенты регулирования.

Входы пропорционального регулятора 15 соединены с выходами блока 16 задания коэффициента регулирования оъ датчиков

0 17 и 18 частоты энергосистем и датчика 19 скорости вращения ротора, а на выходе формируется сигнал напряжения управления в канале электромагнитного момента, обеспечивающего заданную скорость вращения

5 ротора Ур

Ufyd 0o+ks( + ур ),(24)

где ал , ati - частоты объединяемых энергосистем;

Oo.ks- коэффициенты регулирования.

Сигналы (23) и (24) на постоянном токе, образующие закон управления Ufy, далее в блоках 20 и 21 преобразования координат соответствен но умножаются на вектор напряжения от датчика 22 и единичный вектор

e)CUpt от датчика 23 углового положения ротора. И на выходе АРВ, т.е. на выходах операционных усилителей 24 и 25, имеем усиленные в

0 k8 раз сигнал ы напряжений возбуждения с учетом сигналов обратных связей потокам роторов Ifd и ifq от датчиков 26 и 27, обеспечивающих жесткие отрицательные обратные связи по этим токам и тем самым линеаризующих

5 каналы регулирования устройства

M.Ui,-eJ t(Ur 1t IUeeЈV(. .е.,

где ад -о)р ах, xqf -If If.

Учитывая, что в больших значениях коэффициента ke() величина фазы тока ротора (fit будет стремиться к фазе сигнала напряжения управления уу можно эапиСЗТЬи,-, VM 1 0 1 11 ММ ЦсоэИь,)

j (.р5)

Блоки 20 и 21 преобразования координат (фиг.4) содержат блоки 28-31 произведения и сумматоры 32 и 33, Связи между элементами и функциональное назначение этих элементов очевидны из приведенных схем. Уравнения (21) и (22) совместно с уравнениями (23)-{25) представляют полную систему уравнений устройства для связи двух энергосистем. Устройство для связи двух энергосистем может быть установлено в любом месте линии электропередачи. Однако, для наиболее рационального использования многообмоточных трансформаторов их первичные обмотки выполняются высоковольтными и подключаются к высоковольтным линиям электропередачи. При этом трехоб- моточные трансформаторы используются не только как необходимые элементы предлагаемого устройства, но и как повысительные трансформаторы. Эти же обмотки позволяют в принципе использовать в агрегате машины разных номинальных статорных напряжений, что позволяет расширить область применения устройства. Предлагаемое устройство позволяет применять его как в начале линии электропередачи, так и между секциями электростанций.

Преимуществом является то, что в предлагаемом устройстве используются синхронные машины и обычные трех- и четырехобмоточ- ные трансформаторы. Кроме того, нет необходимости специально формировать токи возбуждения по аргументу, равному половине угла между векторами напряжений энергосистем, так как в предлагаемом устройстве это достигается схемой соединения элементов в сочетании с АРВ. Все это расширяет возможности и упрощает устройство в целом.

Формула изобретения 1. Устройство для связи двух энергосистем, содержащее две синхронные машины

с жестко соединенными валами, статорная обмотка каждой из которых имеет два вывода, блок управления возбуждением с управляемым преобразователем частоты, 5 выходы которого подключены к обмоткам возбуждения указанных машин, трехобмо- точный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к зажимам для подключения к одной из объединяемых энерго0 систем, две вторичные обмотки включены согласно и вывод каждой из них подключен к первому выводу статорной обмотки своей синхронной машины, отличающееся тем, что, с целью расширения области исполь5 зования путем согласования напряжений, дополнительно введен второй трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к зажимам для подключения к второй энергосистеме, а вторичные

0 обмотки включены встречно и каждая из них подсоединена к второму выводу статорной обмотки своей машины.

0 машин, а оба трансформатора снабжены третьими вторичными обмотками, управляемый преобразователь частоты выполнен с третьим выходом, при этом статорная обмотка третьей синхронной машины и

5 третьи вторичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, третий выход управляемого преобразователя частоты подключен к обмотке возбуждения третьей синхронной машины, обмотки возбуждения

0 трех синхронных машин агрегата выполнены сдвинутыми в пространстве друг относительно друга на 2л/3 эл.град, вторичные обмотки обоих трансформаторов соединены в группы, обеспечивающие взаимный

5 сдвиг трех векторов напряжений на первых выводах обмоток статоров трех синхронных машин друг относительно друга и относительно трех векторов напряжения на вторых выводах тех же обмоток статоров на

0 угол 2 л/3 эл.град.

ФигЗ