Энергосистема Советский патент 1981 года по МПК H02J3/24 

(54) ЭНЕРГОСИСТЕМА

В электроприводе тай;же регулируется активная и реактивная мощность, потребляемая из сети, однако при нерегулярных колебаниях суммарной нагрузки энергосистемы данное устройство не способно улучшить качество электроэнергии в ней.

Целью изобретения является улучшение качества электрической энергии путем осуществления быстродействующей стабилизации частоты и обменной мощности объединенной энергосистемы при нерегулярных толчках ее активной нагрузки.

Указанная цель достигается тем, что в энергосистеме, содержащей турбоагрегат с первичным и вторичным регуляторами, асинхронизированную синхронную мащину (АСМ) с маховиком, ротор которой подсоединен к регулируемому источнику питания, например тиристорному, цепи управления которого подключены к выходу регулятора скорости и напряжс ия, входы которого подключены к выходам датчиков углового положения ротора относительно синхронно вращающейся систем1 координат, скорости, фазовых токов статора и ротора, напряжения фаз статор; и за датчика модуля напряжения электрической сети асинхронизированная синхронная мащина подключена к щинам турбоагре1ата, а система снабжена датчиком частоты и активной мощности энергосистемы, регулятором среднего уровня скорости АСМ, с источником сигнала задамии регулятором активной мощности турбоагрегата, фильтром, регулятором частоты энергосистемы, с источником сигнала задании, причем вход задания регулятора скорости АСМ соединен с выходом регулятора частоты энергосистемы, вход обратной связи которого соединен с выходом датчика частоты энергосиситемы, а управляющий вход соединен с источником сигнала задания частоты энергосистемы, а вход задания вторичного регулятора турбины соединен через согласующий фильтр с выходом регулятора активной М01ЦНОСТИ турбоагрегата, вход обратной связи регулятора активной мощности турбоагрегата соединен с выходом датчика активной мощности энергосистемы, а вход задания соединен с выходом регулятора средней скорости асинхронизированной синхронной мащины, вход обратной связи которого соединен с датчиком скорости АСМ, а вход задания соединен с источником сигнала задания средней скорости асинхронизированной синхронной машины.

На фиг. I представлена функциональная схема энергосистемы; на фиг. 2 - кривые характеризующие колебания частоты и мощности в результате расчета переходного процесса на ЦВМ; на фиг. 3 - кривые, характеризующие переходные процессы без АСМ и САСМ.

Энергосистема содержит асинхронизированную синхронную мащину 1, статические {например тиристорные) реверсивные регулируемые источники 2 питания фаз ротора, управляемые сигн.алами Uaia, , Ucig. датчик 3 углового положения ротора относительно синхронно вращающейся системы координат d- Д т.е. системы координат жестко связанной с вектором напряжения питающей сети Vg, датчик 4 скорости (тахогенератор); регулятор 5 АСМ; задатчик 6 модуля напряжения питающей сети; регулятор 7 частоты; датчик 8 частоты энер.j госистемы; датчик 9 активной мощности сиихронного генератора; фильтр 10 с постоянной времени Т, регулятор 11 активной мощности синхронного генератора; регулятор 12 среднего уровня скорости АСМ, синхронный генератор 13, турбину 14 (элементы, определяющие задание (OCHCT.J const и «Oj. const соответственно регулятора Тчастоты и регулятора 12 скорости (на фиг.не показаны).

Рассмотренная система автоматического регулирования позволяет осуществить

воздействие на активную мощность ОЭС по двум каналам, различающимся по быстродействию. Это традиционный медленно действующий канал генерирования активной мощности лишь одного знака, включающий синхронный генератор и турбину с рассмотренными генераторами, находящимися под воздействием АСМ, быстродействие этого канала ограниченное возможностями турбины, характеризуется постоянной времени Тй 0,2-0,3 с и новый канал, включающий

0 АСМ с маховиком и системой регуляторов, обеспечивающих быстродействующее генерирование активной мощности обеих знаков и, как следствие этого, обеспечивающий быстрое восстановление баланса активных мощностей (генерируемых и потребляемых) ОЭС и быструю стабилизацию частоты. Быстродействие этого канала характеризуется постоянной времени Т 0,002 - 0,005 с и,ограничено в основном возможностями тиристорного преобразователя частоты, явля0 ющегося возбудителем АСМ.

Работа энергосистемы протекает следующим образом.

В статических режимах ОЭС, когда ДР„(, О баланс активных мощностей обеспечивают синхронным генератором при

нулевой активной мощности АСМ. При этом частота ОЭС и скорость вращения синхрон ного генератора за счет работы регулятора 7 частоты и регулятора турбины поддерживается на уровне задания

сисг.9. const.

«сист. ст

Wi

8скорость вращения АСМ в результате работы регуляторов 5 и 12 скорости оказывается на уровне задания

55Ид „ U)ep.5M const

активный ток АСМ равен нулю, а ее реактивный ток определяется заданием и равен нулю, если Ut Use. когда AUs AU$ 0. Динамика энергосистемы определяется взаимодействием всех рассмотренных выше регуляторов и протекает следующим образом Пусть нагрузка системы скачкообразно возрасла, т.е. нарушен баланс генерируемой и потребляемой активной мощности и частота системе начинает падать. В результате этого на выходе регулятора 7 частоты появляется сигнал, обеспечивающий через регулятор 5 торможение АСМ и генери рование в систему активной мощности со статора АСМ, что приводит к быстрому восстановлению баланса активных мощностей и восстановлению частоты ОЭС. На этом заканчивается первый этап переходного процесса, при котором режим работы турбины и синхронного генератора практически не изменяются, так как регуляторы этого канала генерирования активной мощности изза своей инерционности еще не успели вступить в работу. Они вступают в работу на втором этапе переходного процесса, когда скорость АСМ в ходе генерирования этой машиной активной мощности начинает интенсивно понижаться. При этом на выходе регулятора 12 скорости появляется положительный сигнал, вызывающий через регулятор 11 мощности возрастание мощности турбины и возрастание активной мощности синхронного генератора, что несколько повышает частоту ОЭС и вызывает разгрузку АСМ через регулятор 7 частоты. Второй этап переходкого процесса заканчивается, когда АСМ оказывается на холостом ходу, а всю дополнительную активную нагрузку ., принимает на себя синхронный генератор, АСМ при этом работает на пониженной скорости, равной пц)- 4 - -ЛРно1 YCf.CM fi гнои лен где TJ -инерционная постоянная АСМ с учетом маховика; нвм с«4-номинальная мощность АСМ. Аналогично протекает переходной процесс при снижении нагрузки ОЭС. Он заканчивается восстановлением скорости АСМ до уровня задания регулятора 12. Работоспособность и эффективность предлагаемой энергосистемы была проверена моделированием этой системы автоматического регулирования на ЦВМ. Моделировалась ОЭС, структурная схема которой соответствует двум энергосистемам мощностью PI и Р,связанным ЛЭП с обменной мощностью и снабженным астатическими регуляторами турбин. К первой энергосистеме подключают АСМ, которая моделируется по полной системе уравнений с учетом сиетемы автоматического регулирования. Передаточная функция регулятора частоты имеет вид: W . Ti-cJ: :l9 c , Р 8Т«Нр гдеТ,, DJP - параметры, характеризующие энергосистему. Передаточная функция регулятора активной мощности синхронного генератора имеет вид w« {01- зт|рЧзТве м ) где TO, Ко-эквивалентные постоянная времени и коэффициент усиления штатного регулятора турбоагрегата. Регулятор среднего уровня скорости АСМ имеет передаточную функцию Передаточные функции регуляторов и Wcp.ep.(P) Н (3) Передаточные - функции регуляторов и соответствующих контуров (регулятора 7 частоты, регулятора 11 активной мощности генератора с фильтром 10 и регулятора 12 среднего уровня скорости АСМ) получены в соответствии с принципами подчиненного регулирования с последовательной коррекцией для ОЭС, состоящих из двух энергосистем с частотами д) и шг, объединенных ЛЭП с обменной мощностью РО МПередаточная функция регулятора 7 частоты выбрана так, чтобы компенсировать инерционность первой энергосистемы, в которую включен ACiK, с учетом инерционностей контуров регулирования скорости и активного тока АСМ. С учетом (1) передаточная функция замкнутого контура частоты от ьосцет.к Ш1 определяется ЛХ/ fP --iww - 14 р згт}5рНб т; рНб т;1-р« A(pi;«).t) соответствующим фильтру Боттерворса четвертого порядка с постоянной времени Tj Для совмеренных электроприводов и компенсаторов с щеститактным НПЧ минимальная постоянная может быть взята равной Т. 0,002 - 0,005с. Эта постоянная опреляет быстродействие контура частоты АСК, которое оказывается приблизительно на два порядка выше быстродействия контура регулирования частоты турбоагрегата. Передаточная функция регулятора 11 активной мощности генератора выбрана так, чтобы приближенно осуществить компенсацию инерционностей турбоагрегата, регулятора скорости и вторичного регулятора турбины ведущей станции первой энергосистемы, в которую включен АСК. С учетом (3) и передаточной функции фильтра 10 с постоянной времени Tg передаточная функция замкнутого контура активной мощности синхронного генератора от Р к Рр определяется выражением ) - нтт ртгтГр-- Л соответствующим фильтру Боттерворса второго порядка с постоянной времени Тб; Л современных турбоагрегатов, укомплектованных регулятором скорости турбины и вторичным регулятором, эта постоянная не может быть взята менее (0,2 - 0,3 с). Нижняя граница этой постоянной определяется теми ограничениями, которые накладываются на допустимую скорость изменения мощности турбины в нормальных режимах работы ОЭС. Передаточная функция регулятора 12 среднего уровня скорости АСМ выбрана так, чтобы компенсировать электромеханическую инерционность АСМ с учетом инерционности контура регулирования активной мощности генератора. С учетом (3) и (5) передаточная функция замкнутого контура скорости АСМ от U)b.cb.ACM К «ДАСМ определяется выржением тг-п-Г/БЧ.-Г з(Р ), , Y+ цт р +8 соответствующим фильтру Боттерворса третьего порядка с постоянной времени Т. Указанные физические объекты описываются системой нелинейных дифференциальных уравнений 24 порядка. Переходный процесс в ОЭС вызван ступенчатым возрастанием активной -нагрузки в первой энергосистеме на 1%. Система регулирования работает устойчиво (фиг. 2), а регулируемые величины (Рдсм APj, и Af i) затухают за одно колебание с небольщим перерегулированием. Нерегулируемые величины ( Afj) более склонны к качаниям, но их абсолютные значения очень сильно понижены за счет действия АСМ. По кривой Рдсм (фиг. 2) видно, что ступенчатый наброс нагрузки ЛРнаг|. быстро воспринимает АСМ, обладающая пятикратной перегрузочной способностью. Как показы вают расчеты, на это АСМ затрачивает вре.мя (0,05 с), за которое активная мощность синхронного генератора (. 2, кривая ДРп практически не услевает измениться. После восприятия нагрузки, скорость АСМ понижается (фиг. 2, кривая Лсодем Аем - WeMwpJ действия рассмотренных выше контуров регулирования активная мощность АСМ передается на синхронный генератор, так что с течением времени АСМ из генераторного режима (Рдсм 0) переходит в двигательный режим ( 0) и даже оказывается полностью разгруженной, рабочая на пониженной скорости, а мощность нагрузки полностью воспринимается синхронным генератором. Во время всего перегрузочного процесса приращение мощности первой энергосиситемы приближенно равно приращению мощности нагрузки; АРэс. РАСМ+ . (фиг. 2, кривая АРэ5.(), что и обусловливает высокую стабилизирующую способность АСМ. Эта способность проявляется в интенсивном подавлении колебаний обменной мощности рассматриваемых энергосистем. Колебания обменной мощности с учетом АСМ приблизительно в 50 раз м еньще колебаний нагрузки в первой энергосистеме (фиг. 2, кривые ДРнв,|нИ о5м) тогда как без АСМ эти колебания приблизительно одной величины. Более наглядно эффективность действия АСМ показана на фиг. 3, где кривые а относятся к переходному процессу ОЭС без АСМ, к ривые б к переходному процессу с АСМ в первой энергосистеме. В обоих случаях переходный процесс вызван ступенчатым набросом нагрузки в первой энергосистеме ногр /o 3 сопоставления соответствующих кривых видно, что АСМ обеспечивает подавление колебаний частоты ОЭС и обменной мощности приблизительно в 30 раз и приблизительно в 3 раза ускоряет протекание переходного процесса. При этом скорость изменения нагрузки синхронного генератора и турбины практически остаются без изменения, что видно из соппставления кривых ДРг, (фиг. 2) и Aljc., (фиг. 3 кривая 1). Использование предлагаемой энергосистемы позволяет практически устранить нерегулярные колебания частоты и обменной мощности, тем самым существенно повысить использование пропускной способности связей ОЭС (особенно слабых) и надежность параллельной работы. Формула изобретения Энергосистема, содержащая турбоагрегат с первичным и вторичным регуляторами, асинхронизированную синхронную машину (АСМ) с маховиком, ротор которой подсоединен к регулируемому источнику питания, например тиристорному, цепи управления которого подключены к выходу регулятора скорости и напряжения, входы которого подключены к выходам датчика углового положения ротора относительно синхронно вращающейся системы координат датчика скорости, датчика фазовых токов статора и ротора, датчика напряжения фаз статора и задатчика модуля напряжения электрической сети, оглыча«)ы{аяся тем, чт«х с целью улучшения качества электрической энергии путем осуществления быстродействующей стабилизации частоты и обменной мощности объединенной энергосистемы при нерегулярных толчках ее активной нагрузки, асинхронизированная синхронная мащина подключена к щинам.турбоагрегата, а система снабжена датчиками частоты и активной мощности энергосистемы, регулятором среднего уровня скорости АСМ с источником сигнала задания регулятором активной мощности турбоагрегата, фильтром, регулятором частоты энергосистемы, с источником сигнала задания, причем вход задания регулятора скорости АСМ соединен с выходом регулятора частоты энергосистемы, вход обратной связи которого соединен с выходом датчика частоты энергосистемы, а управляющий вход соединен с источником сигнала задания частоты энергосистемы, а вход задания вторичного регулятора турбины соединен через согласующий фильтр с выходом регулятора активной мощности турбоагрегата, вход обратной связи регулятора активной мощности турбоагрегата соединен с выходом датчика активной мощности энергосистемы, а вход задания соединен с выходом регулятора средней скорости асинхронизированной синхронной машины, вход обратной связи которого соединен с датчиком скорости АСМ, а вход задания соединен с источником сигнала задания средней скорости асинхронизированной синхронной машины.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Беркович М. А. и др. Автоматизация регулирования и активной мощности в единой энергетической системе СССР7--«Электричество, 1977. № 8.

2.Павлов П. А. Автоматизация энергетических систем. Л., «Энергия, с. 236

3.Стернинсон Л. Д. Переходные процессы при регулировании частоты и мощности в энергосистемах. М., «Энергия, 1975, с. 210.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2123609/07, кл. Н 02 Р 7/62, 1975.