Законы регулирования и режимы работы асинхронизированного компенсатора в энергосистеме тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Мнев, Роман Дмитриевич

• Мнев, Роман Дмитриевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Мнев, Роман Дмитриевич

Оглавление

Введение

1 Математическое моделирование асинхронизированного компенсатора

1.1 Задачи, решаемые в главе

1.2 Асинхронизированный принцип управления

1.3 Общие положения моделирования

1.4 Модель в ортогональной системе осей

1.5 Трёхфазная модель

1.6 Комбинированная модель

1.7 Сравнение различных типов моделей

1.8 Выводы по главе

2 Исследование статической устойчивости асинхронизированного компенсатора

2.1 Задачи, решаемые в главе

2.2 Расчётная схема и принятые условия

2.3 Регулирование по напряжению мощной сети

2.4 Регулирование по «собственному» напряжению

2.5 Работа системы в характерных точках

2.6 Выводы по главе

3 Режимы работы асинхронизированного компенсатора с маховиком

3.1 Задачи, решаемые в главе

3.2 Электромеханический накопитель энергии

3.3 АСКМ: отличия от АСК, новые возможности

3.4 Регулятор АСКМ

3.5 Компьютерный стенд

3.6 Выводы по главе

4 Технико-экономические показатели асинхронизированного компенсатора с маховиком

4.1 Задачи, решаемые в главе

4.2 Датчик углового положения ротора

4.3 Выбор параметров АСКМ

4.4 Области возможного применения АСКМ в энергосистеме

4.5 Выводы по главе

5 Исследование режимов работы АСК на примере ПС «Бескудниково»

5.1 Задачи, решаемые в главе

5.2 АСК-100-4

5.3 Исследование режимов работы АСК на математической модели

5.4 Свойства АСК

5.5 Выводы по главе

6 Заключение

7 Список литературы 166 Приложение А. Протокол испытаний натурного образца АРВ на компьютерном стенде

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Законы регулирования и режимы работы асинхронизированного компенсатора в энергосистеме»

Введение

Актуальность темы

Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС) требует введения новых способов и методов управления режимами ЭЭС, а также новых устройств, позволяющих обеспечить выполнение непрерывно возрастающих требований к качеству электроэнергии и надёжности энергоснабжения. Эти тенденции нашли своё выражение в концепции интеллектуальных сетей [1].

На сегодняшний день основной технологией реализации концепции интеллектуальных сетей является технология FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems — гибкие системы передачи переменного тока). К технологии FACTS относится целый ряд устройств, выполняющих различные функции, различного принципа действия и исполнения. Классификация устройств FACTS согласно [1] приведена на Рисунок 1.

В устройствах FACTS возможна реализация двух принципов регулирования: скалярного и векторного. Под скалярным принципом регулирования понимается способ управления, при котором для регулирования доступна только одна величина (напряжение или реактивная мощность). Векторный принцип предполагает управление двумя независимыми параметрами режима устройства. В случае устройств FACTS, как правило, регулируемыми величинами являются напряжение (реактивная мощность) в качестве одной и активная мощность (электромагнитный момент) в качестве другой.

Оба принципа регулирования могут быть реализованы на базе как статических, так и электромашинных устройств. К электромашинным устройствам FACTS относят следующие машины и агрегаты:

о синхронные машины (СМ):

■ синхронный компенсатор (СК);

■ синхронный компенсатор с отрицательным возбуждением (СКО); о асинхронизированные машины (АСМ):

■ асинхронизированный генератор (турбо- или гидро-);

■ асинхронизированный компенсатор (АСК);

■ асинхронизированный компенсатор с маховиком (АСКМ);

■ асинхронизированный электромашинный преобразователь частоты (АС ЭМПЧ).

Рисунок 1 Классификация устройств FACTS

Режимы работы статических устройств FACTS исследованы достаточно подробно [1], тогда как свойства сетевых электромашинных устройств FACTS с векторным управлением изучены ещё недостаточно.

Традиционно основными электромашинными компенсирующими устройствами были синхронные компенсаторы, однако в процессе развития ЭЭС всё яснее становятся их недостатки, главный из которых - несимметрия рабочего диапазона: в режиме потребления СК может нести не более 40% номинальной мощности, а также СК имеет ограниченный диапазон устойчивых режимов, тогда как при работе на длинную линию этот недостаток приобретает важное значение. Несмотря на то, что работа на длинную линию с точки зрения режима работы машины совпадает с режимом выдачи реактивной мощности, работа на длинную линию принципиально отличается от режима потребления реактивной мощности с точки зрения статической и динамической устойчивости.

Для того, чтобы сохранить достоинства СК и в то же время уменьшить его недостатки, а именно расширить диапазон регулирования реактивной мощности, был разработан компенсатор с отрицательным возбуждением. Серийно выпускались компенсаторы мощностью 50-160 МВАр серии КСВБО (компенсатор синхронный с водородным охлаждением с бесконтактным возбудителем и отрицательным возбуждением) [2]. Действующие компенсаторы этой серии были установлены, в частности, на подстанциях московского региона «Ногинск», «Пахра», «Голутвин» и «Дровнино». Однако опыт их эксплуатации показал, что конструктивные решения и исполнение в части отрицательной обмотки возбуждения были не совсем удачными. В большинстве случаев отрицательное возбуждение было выведено из работы. 6

Конструкция СКО в целом подобна конструкции традиционного СК, за исключением дополнительной обмотки на роторе. МДС этой обмотки составляет примерно 15% от МДС основной обмотки, причём её вектор направлен встречно по отношению к вектору основной обмотки [2]. Совместное использование обеих обмоток, каждая из которых может создавать МДС только одного направления, позволяет получить знакопеременное возбуждение компенсатора. Знакопеременное же возбуждение, в свою очередь, позволяет компенсатору работать с ненулевым углом ротора, вплоть до 90 эл. град. Такое положение ротора существенно увеличивает магнитное сопротивление машины, а значит, для её намагничивания требуется потребление большей мощности, чем для намагничивания традиционного СК при нулевом возбуждении. Это объясняется тем, что если максимальное потребление у СК определяется сопротивлением по продольной оси xj, то у СКО ограничивающим параметром является xq:

U2C

Q = l.Uc=-±

Xq

Поскольку сопротивление xq, как правило, значительно меньше, чем Xd, потребляемая мощность СКО в режиме работы с отстающим током составляет до 80% от номинальной. Регулирование реактивной мощности СКО происходит путём изменения угла ротора [3].

Благодаря такому решению диапазон возможных режимов работы СКО существенно расширяется по сравнению с СК. Однако поскольку изменение реактивной мощности СКО связано как с изменением тока в обеих обмотках, так и с механическим поворотом ротора, этот процесс происходит достаточно медленно. Так, включение регулятора угла синхронного компенсатора, предварительно установленного для поддержания угла 5 = 90°, занимает порядка 3 с [4].

В целом СКО присущ тот же набор достоинств и недостатков, что и традиционному СК, хотя его бесспорным преимуществом является расширенный диапазон регулирования реактивной мощности. Однако способ реализации регулирования накладывает ограничение на скорость регулирования реактивной мощности и на пределы устойчивости.

Среди электромашинных КУ глубокое потребление реактивной мощности (вплоть до номинального значения) могут обеспечить только асинхронизированные машины (АСМ).

Конструктивно статор асинхронизированной машины не отличается от синхронной машины, а на роторе располагается многофазная система обмоток [5]. В частном случае конструкция АСМ аналогична AM с фазным ротором. Наличие на роторе АСМ многофазной системы обмоток позволяет осуществлять раздельное управление двумя независимыми параметрами режима, например напряжением статора и активной мощностью машины. Такое управление достигается за счет т.н. асинхронизированного принципа управления -формирование напряжения, подводимого к кольцам ротора с частотой скольжения ротора относительно поля статора [6].

Наиболее распространёнными асинхронизированными машинами в России являются турбогенераторы (АСТГ). Им посвящено значительное количество исследований. АСТГ являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 50 лет назад по идее и под общим руководством проф. Ботвинника М.М. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учёными Шакаряном Ю.Г., Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Лабунцом И.А., Кузьминым В.В., Плотниковой Т.В., Лохматовым А.П., Пинчуком Н.Д. и др.[5][6][7][8][9]

Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштынской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введён в эксплуатацию второй такой же

турбогенератор. На станциях московского энергоузла АСТГ установлены на ТЭЦ-22, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21 и Каширской ГРЭС.

Использование дополнительной (поперечной) обмотки на роторе СК как средства повышения управляемости рассматривалось в работах Соколова Н.И. [4], [10] и продолжены Каспаровым Э.А. [11]. Однако при предложенных ими принципах управления машина оставались синхронной.

В то же время асинхронизированные компенсаторы в российских энергосистемах практически отсутствуют - в настоящий момент в работе находится только два АСК, мощностью 100 MB Ар каждый, установленные на ПС «Бескудниково» и введённые в эксплуатацию в 2012 году. Теоретическая база АСК также проработана в недостаточной степени.

Кроме того, не проводилось исследований, посвящённых особенностям работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения.

Под термином «АСК» (асинхронизированный компенсатор) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора с постоянной частотой вращения.

Под термином «АСКМ» (асинхронизированный компенсатор с маховиком) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора, с переменной частотой вращения.

Термин «асинхронизированный компенсатор» является общим и включает в себя как собственно АСК, так и АСКМ, поскольку отличие между этими машинами заключается в работе с постоянной либо переменной частотой вращения, что отражается только в особенностях структуры регулятора возбуждения, как будет показано ниже. Наличие либо отсутствие маховика диктуется конкретными условиями работы машины. Использование терминов «АСК» и «АСКМ» подчёркивает только функциональные особенности конкретной машины.

Функционально АСК с постоянной частотой вращения является компенсатором реактивной мощности, а с переменной частотой вращения - кроме того, демпфером колебаний активной мощности, т.е. АСКМ может выполнять функции АСК и дополнительно нести ряд функций как демпфер колебаний активной мощности.

Как известно, любая АСМ конструктивно может быть выполнена в одном из следующих исполнений:

• с шихтованным ротором и симметричными обмотками ротора;

• с массивным ротором и симметричными обмотками ротора;

• с массивным ротором и несимметричными обмотками ротора.

Конструкция машины с массивным ротором не позволяет ей работать с переменной частотой вращения, а значит, такая машина может выполнять только функции регулятора реактивной мощности. Обмотки ротора при этом могут быть как симметричными, так и несимметричными, что определяется конструкторскими соображениями. Важно отметить, что, несмотря на работу только с синхронной частотой вращения, АСК остаётся асинхронизированной машиной по принципу управления.

В то же время шихтованный ротор позволяет работать как с постоянной, так и с переменной частоту вращения, а значит, машина такого исполнения может выполнять функции АСКМ.

В настоящей работе изучена работа АСК в простейшей энергосистеме, впервые установлены пределы статической устойчивости при традиционном регулировании возбуждения, и разработан новый закон регулирования, расширяющий эти пределы.

Рассматривается работа АСКМ как демпфера колебаний активной мощности. Предложены и рассмотрены варианты его применения в ЭС, разработаны специфические алгоритмы работы регулятора возбуждения, а также даны методические рекомендации по внедрению АСКМ в ЭС.

Теоретические выводы настоящей работы проверены экспериментально в ходе испытаний АСК на ПС «Бескудниково».

Цели и задачи работы

Целями настоящей работы являются: разработка законов регулирования АСК при работе в энергосистеме, исследование режимов работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения, а также выработка практических рекомендаций по применению АСК как демпфера колебаний активной мощности.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование режимов работы АСК в энергосистеме.

2. Разработка законов регулирования АСК с обеспечением выполнения условий статической устойчивости в зависимости от наличия либо отсутствия информации об эквивалентном напряжении мощной сети.

3. Разработка законов регулирования АСК с переменной частотой вращения как демпфера активной мощности.

4. Исследование возможных областей применения АСК с переменной частотой вращения в энергосистеме и выработка методических рекомендаций по его внедрению в ЭЭС.

Методы решения задач

1. Математическое моделирование АСК. Построенная модель включает в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева, модель системы возбуждения и управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.

2. Исследование статической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме методом малых приращений с анализом по алгебраическому критерию Гурвица (анализ коэффициентов характеристического полинома).

3. Исследование динамической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме численным методом.

4. Моделирование в реальном времени прототипа АРВ в цикле HIL (hardware in the loop, программно-аппаратное моделирование) на специализированном компьютерном стенде.

5. Проектирование и конструирование программно-аппаратного комплекса на базе программного продукта Matlab хРС для проверки в режиме реального времени законов управления АСК и АСКМ, реализованных в реальном прототипе АРВ.

Научная новизна

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые результаты:

1. Доказана недостаточность традиционного закона регулирования АСК в простейшей энергосистеме.

2. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие максимальный диапазон статически устойчивых режимов в простейшей энергосистеме как при наличии, так и при отсутствии информации о напряжении мощной сети.

3. Проведён сравнительный анализ различных вариантов исполнения датчика положения ротора АСКМ и даны рекомендации по его выбору.

4. Разработана методика нахождения оптимального соотношения установленной мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для различных областей его применения в энергосистеме.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследований режимов работы АСК с т.н. «традиционным» законом регулирования АСК.

2. Новые законы регулирования АСК, обеспечивающие статическую устойчивость режимов работы ЭЭС при наличии либо отсутствии информации о напряжении мощной сети.

3. Результаты исследования режимов работы АСК с переменной частотой вращения в энергосистеме.

4. Методика расчёта оптимального соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для обеспечения эффективности работы в энергосистеме.

Практическая ценность

При проведении комплекса исследований по диссертационной работе получены следующие практические результаты:

1. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие устойчивую работу АСК в ЭЭС.

2. Разработана методика расчёта оптимального соотношения параметров системы возбуждения и маховика, а также диапазона частот вращения АСКМ при работе в энергосистеме.

3. Предложены и проанализированы возможные области применения АСКМ в энергосистеме.

4. Создан и испытан макет регулятора возбуждения для АСКМ на компьютерном стенде в режиме реального времени.

5. Результаты, полученные в диссертации, верифицированы по результатам системных испытаний на компенсаторе АСК-100-4 на подстанции «Бескудниково».

Внедрение

Заводом «Электросила» были изготовлены и установлены на ПС «Бескудниково» два АСК мощностью 100 MB А типа АСК-100-4. При непосредственном участии автора настоящей диссертации были проведены расчёты режимов работы АСК, а также проведены комплексные испытания, позволившие получить практическое подтверждение сделанных теоретических выводов диссертации.

Апробация

Материалы диссертации, основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. Мнев Р.Д. «Пуск и синхронизация на выбеге асинхронизированного компенсатора», «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая международная конференция студентов и аспирантов» Том 2. Москва, 2010, с. 29.

2. P.V.Sokur, Y.G.Shakaryan, T.V.Plotnikova, I.Y.Dovganjuk, R.D.Mnev, N.D.Pinchuk, O.V.Antonuk, A.V.Sidelnikov, D.V.Zhukov, Y.A.Dementyev, V.M.Sedunov "The new reactive power compensators with the two-axial excitation for electric machines", Cigre session 44, 26-31 august 2012, Paris, Al-101-2012.

Публикации

Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 6 печатных работах, в том числе 5 статей в рецензируемых и входящих в перечень ВАК. Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

1. Довганюк И.Я., Сокур П.В., Плотникова Т.В., Тузов П.Ю., Мнев Р.Д. «Настройка автоматического регулятора возбуждения АРВ-2МА для турбогенераторов ТЗФАУ-160 и ТЗФСУ-320 на компьютерном стенде ВНИИЭ», «Электротехника», 2010 г, №2, с.51-55.

2. Лохматов А.П., Мнев Р.Д., Сокур П.В. «О применении маховичных асинхронизированных компенсаторов в энергосистеме», «Электрические станции», 2011, №1, с. 48-50.

3. Володарский Л.Г., Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В., Тузов П.Ю. «Результаты испытаний асинхронизированных компенсаторов типа АСК-100-4УХЛ4 на ПС 500 кВ Бескудниково», «Электрические станции», №7 2013 г., с. 43-52.

4. Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В. «Испытания асинхронизированных компенсаторов на подстанции «Бескудниково», «Энергия единой сети» №1 2013 г., с. 12-17.

5. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.Ю.«Электромеханический накопитель энергии на базе асинхронизированного компенсатора»,«Электротехника»,№1 2014г. с.54-60.

6. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.Ю. «Способы пуска асинхронизированного компенсатора с маховиком», «Электротехника», №1 2014 г., с. 60-64.

7. Сокур П.В., Плотникова Т.В., Тузов П.Ю., Мнев Р.Д. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012615920 «Расчётная модель для исследования установившихся и переходных режимов АСК (статика и динамика АСК)» Дата регистрации: 5 мая 2012 года.

1 Математическое моделирование асинхронизированного компенсатора

1.1 Задачи, решаемые в главе

В настоящей главе описывается математическая модель АСК, дан обзор вариантов её реализации в прикладном программном обеспечении и проведено их сравнение. Также дано описание асинхронизированного принципа управления. Разработан дополнительный вариант реализации математической модели, для испытаний и наладки натурных образцов АРВ.

В качестве основы для моделирования принята универсальная математическая модель асинхронизированной машины, включающая в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева (по полным уравнениям с учётом общепринятых допущений для мощных машин), модель системы управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.

Проведён обзор различных компьютерных моделей в программном пакете Matlab Simulink, построенные на основе универсальной математической модели. Проведена систематизация различных типов моделей в зависимости от решаемых задач, а именно:

о модель в ортогональной системе осей (по упрощенным уравнениям) для исследования электромеханических процессов; позволяет решать задачи синтеза законов регулирования АСК; о трёхфазная модель (по полным уравнениям) для исследования электромагнитных процессов; позволяет подробно моделировать несимметричные режимы работы.

В дополнение к уже имеющимся моделям разработана комбинированная модель для работы в реальном времени по методологии HIL (hardware in the loop). В комбинированной модели используется трёхфазная модель силовой системы возбуждения, тогда как прочие элементы схемы смоделированы в ортогональной системе координат. Такой подход позволил испытывать и налаживать натурные образцы АРВ в режиме реального времени, не затрачивая ресурсов на моделирование электромагнитных процессов в электрической машине.

1.2 Асинхронизированный принцип управления

По принципу управления электрическая машина может работать в двух принципиально различных режимах: синхронном и асинхронном. В случае синхронного режима частота токов ротора задаётся принудительно (в т.ч. нулевой), а в случае асинхронного - вычисляется в каждый момент времени в зависимости от частоты вращения ротора.

В АСК, так же как и асинхронной машине (АМ), частота токов ротора однозначно связана с частотой вращения ротора относительно поля статора (частота скольжения). В АМ частота скольжения получается автоматически. В отличие от АМ в АСК частота напряжения, подводимого к кольцам ротора, равная частоте скольжения, формируется регулятором.

Физически это означает, что поле ротора АСК не привязано к самому ротору и вращается относительно него с частотой скольжения.

При асинхронизированном принципе управления осуществляется формирование управляющих воздействий по двум каналам в ортогональной системе координат х,у, вращающейся с синхронной частотой, с дальнейшим координатным преобразованием сигналов управления к роторным осям с1,я с учетом текущего положения ротора относительно опорного вектора синхронной системы координат (обычно в качестве опорного вектора принимается либо напряжение статора АСК, либо напряжение шин электростанции, либо напряжение мощных шин).

В результате асинхронизированного принципа управления положение изображающего вектора МДС возбуждения АСК не зависит от углового положения ротора.

При асинхронизированном принципе управления устойчивость машины определяется не углом ротора, а скольжением [6].

Основные уравнения установившегося режима АСК выглядят следующим образом: и1 = Ег - ¡х1

■ ■ (1-1) £/ = = -}е

Здесь обозначено:

• ¿7/- вектор напряжения статора;

• Е/— вектор ЭДС машины;

• х - сопротивление самоиндукции статора;

• / - ток статора;

• лга(/ - сопротивление взаимоиндукции;

• if- вектор тока возбуждения;

• е - вектор, численно равный ЭДС и совпадающий по направлению с током ротора.

На Рисунок 1.1 приведена векторная диаграмма, соответствующая уравнениям установившегося режима. Ось у направлена по напряжению £// статора, ось х опережает ее на 90°.

Из приведенной диаграммы и уравнений установившегося режима следуют основные зависимости между параметрами режима работы генератора (активная Р и реактивная мощности в цепи статора) и проекциями вектора тока ротора ^ на оси у и х: р _ _ Ц^ГуХдЛ _ УIеу

XXX

и1 | И\Еу = иг | их1{ххай = Ц\ | Цхех О-2)

В регуляторе АСК две степени свободы управления используются для управления двумя ортогональными проекциями 1Гу и Их вектора тока возбуждения на оси системы координат (или пропорциональные им ех и еу), показанной на Рисунок 1.1, т.е. для независимого регулирования реактивной мощности (напряжения) статора и активной мощности (электромагнитного момента), что следует из соотношений (1.1) и (1.2).

Соответственно, управляющие воздействия формируются по двум каналам, один из которых соответствует электромагнитным параметрам машины, а другой электромеханическим.

Регулируемым электромагнитным параметром может быть:

• напряжение (собственное, на верхней стороне трансформатора или какой-либо промежуточной точки);

• реактивная мощность (как на высшей, так и на низшей стороне трансформатора);

• коэффициент мощности (как на высшей, так и на низшей стороне трансформатора).

Регулируемым электромеханическим параметром может быть:

• активная мощность или скольжение ротора (для АСКМ);

• механический или электрический угол ротора (для АСК).

Для реализации данного принципа управления применяется описанный в классической литературе закон регулирования [6], [12], на данный момент являющийся традиционным для всех типов АСМ. В соответствии с этим законом, каждый канал регулирования представляет собой пропорционально-интегральный регулятор. На выходе каналов формируются задания на проекции токов ротора, соответствующие заданному режиму работы машины. Вычисленные задания затем поступают в регулятор тока, представляющий собой пропорциональный регулятор с жёсткой отрицательной обратной связью по току ротора [12]. Формируемые на выходе регулятора тока величины являются заданиями на напряжение ротора в системе координат ху. Для преобразования полученных величин в реальные напряжения обмоток ротора служит преобразователь координат, который в зависимости от текущего углового положения ротора формирует напряжения обмоток.

Структурная схема регулятора, реализующего описанный закон регулирования, приведена на Рисунок 1.2

Система регулирования АСК построена по подчиненному принципу - регулятор токов ротора подчинен регуляторам момента и напряжения, в результате этого каналы

регулирования момента и напряжения работают независимо друг от друга, что позволяет раздельно управлять электромагнитными и электромеханическими параметрами. Такая раздельность управления является важным свойством асинхронизированного принципа управления.

Разница между регулированием АСК и АСКМ заключается в величине, используемой в канале момента (см. Рисунок 1.3). Если на вход этого канала подать ноль, то такая машина теоретически будет вращаться с постоянной частотой и выполнять функции АСК. На практике для компенсации активных потерь необходимо ввести в этот канал регулирование по отклонению механического угла ротора вместо активной мощности. Для работы машины в качестве АСКМ необходимо ввести в канал момента регулирование либо по активной мощности, либо по скольжению.

АСК

Канал регулирования момента

АСКМ

Уставка

Механический угол ротора

Скольжение

Рисунок 1.3 Отличие регуляторов АСК и АСКМ

1.3 Общие положения моделирования

1.3.1 Математическая модель

Математическая модель АСК (АСКМ) построена на основе уравнений Парка-Горева. Моделирование может вестись как по полным уравнениям (в трёхфазной модели), так и по упрощённым (с общепринятыми допущениями при моделировании мощных электрических машин [6] [13]). Ниже будут рассмотрены оба типа моделей; в настоящем разделе приведены общие положения и соглашения, принятые при моделировании.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мнев, Роман Дмитриевич, 2013 год

7 Список литературы

1. Шакарян Ю.Г., Новиков H.JI. Технологическая платформа Smart Grid (основные средства)// Энергоэксперт, №4 2009. — с. 42-49.

2. Пекне В.З. Синхронные компенсаторы /. — Москва Энергия, 1980.

3. Соловьёв И.И. Автоматические регуляторы синхронных генераторов /. — Москва Энергоиздат, 1981.

4. Соколов Н.И. Знакопеременное возбуждение синхронных компенсаторов в режиме потребления реактивной мощности// "Электричество", №5 1960. — с. 28-31.

5. Ботвинник М.М. Асинхронизированная синхроная машина /. — M.-JI. Госэнергоиздат, 1960.

6. Шакарян Ю.Г. Асинхронизированные синхронные машины /. — Москва Энергоатомиздат, 1984.

7. Блоцкий H.H., Мурзаков А.Г. Регулируемый асинхронизированный синхронный привод собственных нужд станции// Электрические станции, 1973. — с. 33-36.

8. Лабунец И.А., Шакарян Ю.Г., Лохматов А.П., Кривушкин Л.Ф., Чевычелов В.А. Установившиеся режимы работы асинхронизированного турбогенератора// Электричество, №3 1981, —с. 23-28.

9. Пинчук Н.Д., Дегусаров Ю.А Новые разработки ОАО "Электросила" электрооборудования для электростанций// Электрические станции, №10 2000. — с. 38-43.

10. Соколов Н.И. Перспективы применения синхронных компенсаторов с дополнительными поперечными обмотками на роторе и других управляемых источников реактивной мощности в энергосистемах// Известия ВУЗов, №2 1983. — с. 3-12.

11. Каспаров Э.А., Соколов Н.И. Управление режимами работы синхронных компенсаторов с поперечной обмоткой возбуждения на роторе// Электрические станции, №7 1976. — с. 6266.

12. Ботвинник М.М. Управляемая машина переменного тока /. — Москва Наука, 1969.

13. А.И. Важнов Электрические машины /. — Л. Энергия, 1969.

14. Копылов И.П. Проектирование электрических машин /. — Москва Юрайт, 2011.

15. Черных И.В. SimPowerSystems: Моделирование электротехнических устройств и систем в Simulink /. — М. ДМК Пресс, 2011.

16. Лохматов А.П., Мнев Р.Д., Сокур П.В. О применении маховичных асинхронизированных

компенсаторов в энергосистеме// Электрические станции, №1 2011. — с. 48-50.

17. Аюев Б.И. О системе мониторинга переходных режимов// Энергорынок, №2 2006.

18. Веников В.А. Математические основы теории автоматического управления режимами электросистем /. — М. Высшая школа, 1964.

19. СокурП.В. Исследование параллельной работы синхронных и асинхронизированных турбогенераторов на тепловых электростанциях. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук /. — , 2004.

20. Шакарян Ю.Г. Применение гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока в энергосистемах /. — Москва Торус-пресс, 2011.

21. Рутберг Ф.Г., Шакарян Ю.Г., Гончаренко Р.Б. и др., "О перспективных направлениях использования асинхронизированных генераторов в электроэнергетике," Известия Академии наук, №1 2008.

22. Загретдинов И.Ш., Костюк А.Г., Трухний А.Д., Должанский П.Р., "Разрушение турбоагрегата 300 МВт Каширской ГРЭС: причины, последствия и выводы," Теплоэнергетика, №5 2004.

23. Непомнящий В.А. Экономические потери от нарушения электроснабжения /. — М. Издательский дом МЭИ, 2010.

24. Мнев Р.Д. Разработка (исследование) вариантов исполнения асинхронизированного синхронного компенсатора мощностью 100 MB Ар. Дипломная работа на соискание степени магистра. /. — Москва ,2010.

25. Программа и методика системных испытаний компенсаторов АСК-100-4УХЛ4 на ПС 500 кВ Бескудниково.

26. Компенсатор асинхронизированный типа АСК-100-4УХЛ4, руководство по эксплуатации, 2008.

27. Антонюк О.В., Кади-Оглы И.А., Пинчук Н.Д., Сидельников A.B., "Проектируемые и выпускаемые ОАО "Силовые машины" асинхронизированные турбогенераторы," Электричество, №2 2010. — с. 23-29.

28. Методические указания по устойчивости энергосистем /. — Москва НЦ ЭНАС, 2005.

29. Глускин И.З. Сверхпроводниковые токоограничивающие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем /. — Москва Энергоатомиздат, 2002.

30. Бутов A.B., Мамиконянц Л.Г., Пикульский В.А., Поляков Ф.А., Шандыбин М.И., Шейко П.А. Повреждаемость и контроль зубцовых зон запеченных крайних пакетов стали

сердечников статоров турбогенераторов// Электрические станции, №5 2001. — с. 41-47.

31.Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций /. — Москва Энергоатомиздат, 1986.

32. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины /. — Москва МЭИ, 2004.

33. Долгополов А.Г. Шунтирующие реакторы, управляемые подмагничиванием: вопросы быстродействия// Новости электротехники, №4(64) 2010.

34. Таубес И.Р. Устройство резервирования при отказе выключателя (УРОВ) в сетях 110—220 кВ /. — Москва Энергоатомиздат, 1988.

35. Гуревич Е.Я. Синхронные компенсаторы /. — Москва Госэнергоиздат, 1958.

36. Рычков С.И. Услуги по регулированию реактивной мощности с использованием генераторов, работающих в ержиме синхроного компенсатора// "Электрические станции", №7 2012.

37. Карелин В .Я., Кривченко Г.И. Гидроэлектрические станции /. — Москва Энергоатомиздат, 1987.

38. Нормы участия энергоблоков ТЭС в нормированном первичном и автоматическом вторичном регулировании частоты, 2005.

39. Обеспечение согласованной работы систем автоматического регулирования частоты и перетоков мощности ЕЭС России и автоматики управления мощностью гидроэлектростанций. Условия организации процесса. Условия создания объекта. Нормы и требования., 2010.

40. [Электронный ресурс], http://beaconpower.com/files/Flywheel_FR-Fact-Sheet.pdf

41. T. Nohara, H. Senaha, T. Kageyama, T. Tsukada Successful commercial operation of doubly-fed adjustable- speed flywheel generating system //. — Yokohama, 1997.

42. Г.К. Вишняков, И.Г Давыдов, Э.А. Каспаров, П.С. Кабанов, Л.Г. Мамиконянц, Л.А. Суханов, Ю.Г. Шакарян Пути создания мощных синхронных компенсаторов продольно-поперечного возбуждения// Электричество, №9 1984.

43. Брянцев A.M., Базылев Б.И., Лурье А.И., Райченко М.О., Смоловик C.B. Стабилизация напряжения сети управляемыми подмагничиванием реакторами и конденсаторными батареями// Электрические станции, №6 2013. — с. 40-47.

44. Лабунец И.А., Плотникова Т.В. Сопоставительные исследования электромашинных коменсаторов реактивной мощности с различными вариантами систем возбуждения// Вестник ВНИИЭ, 2004. — с. 123-132.

Приложение А. Протокол испытаний натурного образца АРВ на компьютерном стенде

Условия проведения испытаний

Испытания натурного образца АРВ РИ проводились на специализированном компьютерном стенде ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» (ПАК АСГГ). Программа, заложенная в натурный образец АРВ РИ, реализует все основные алгоритмы управления гидрогенератором, а именно:

• синхронизация с сетью (с помощью внутреннего синхронизатора);

• регулирование напряжения (реактивной мощности);

• регулирование скольжения (частоты вращения).

Кроме того, предусмотрены штатные средства создания контрольного возмущения, а именно скачкообразного изменения уставок напряжения (реактивной мощности) и скольжения (частоты вращения).

По причине отсутствия на данном этапе в составе натурного образца АРВ АСКМ штатных средств осциллографирования в настоящем отчёте приведены фотографии экрана ПАК.

В начале испытаний скольжение равно 5%, реактивная мощность составляет 20% от номинальной, режим выдачи реактивной мощности.

Синхронизация с сетью

Алгоритмами работы АРВ РИ предусмотрено два режима синхронизации: автоматический и ручной. В автоматическом режиме выравнивание фазы и модуля напряжения статора с напряжением питающей сети происходит сразу при входе частоты вращения ротора в допустимый диапазон (при условии предварительно поданной команды оператора), после чего формируется выходной дискретный сигнал, разрешающий набор активной нагрузки. В ручном режиме синхронизация с сетью происходит в несколько этапов, каждый из которых производится по команде оператора:

• подача импульсов управления на преобразователь частоты, при этом модуль напряжения статора плавно доводится до модуля напряжения сети;

• фазировка напряжений статора и сети, в результате чего эти напряжения выравниваются по модулю и фазе, что позволяет провести безударное включение в сеть;

• замыкание генераторного выключателя;

• команда на набор нагрузки.

В рамках испытаний проводилась синхронизация как в ручном режиме, так и в автоматическом. В настоящем отчёте приводятся осциллограммы процесса синхронизации в ручном режиме. Синхронизация в автоматическом режиме имеет тот же характер, поскольку при этом задействованы те же блоки и узлы АРВ, что и при ручной.

На Рисунок АЛ-Рисунок А.З показан процесс ручной синхронизации машины с сетью. Жёлтым цветом обозначено напряжение статора, синим - напряжение сети.

Напряжение сети

Рисунок А. 1 Начало синхронизации

Напряжение сети

Напряжение статора

^Яш

Рисунок А.2 Выравнивание модулей напряжений статора и сети

Напряжение сети

Напряжение статора

Рисунок А.З Выравнивание фаз напряжений статора и сети

Скачок уставки напряжения

Для проверки работоспособности канала напряжения было осуществлено возмущающее воздействие в виде скачкообразного изменения уставки реактивной мощности на -10% длительностью 2 секунды. Начальная реактивная мощность составляет 20% от номинальной, режим выдачи реактивной мощности. Вид переходного процесса, сопровождавшего скачок, показан на Рисунок А.4. Жёлтым цветом обозначено напряжение статора, синим - реактивная мощность АСКМ.

Напряжение

Реактивная мощность

Рисунок А.4 Скачкообразное изменение уставки напряжения

Скачок уставки частоты вращения

Для проверки работоспособности канала момента было осуществлено возмущающее воздействие в виде скачкообразного изменения уставки от начального значения плюс 5% (выше синхронной скорости) до значения минус 5% (ниже синхронной скорости). Осциллограмма изменения скольжения приведена на Рисунок А.5. Осциллограмма тока одной фазы ротора (фаза А) при этом опыте приведена на Рисунок А.6.

I

Рисунок А.5 Скачкообразное изменение уставки скольжения

шшаятщя

ЯШШШШШШШ

Рисунок А.6 Ток ротора при скачкообразном изменении уставки скольжения

4.5 Заключение

1. Испытания натурного образца АРВ РИ проведены в полном объёме в соответствии с Программой испытаний.

2. Переходные процессы в АРВ РИ при возмущающих воздействиях носят апериодический характер.

3. Заложенные в натурный образец АРВ РИ алгоритмы обеспечивают выполнение основных задач векторного регулирования.

Заведующий сектором Научный сотрудник Научный сотрудник

Довганюк И .Я. Тузов П.Ю. Мнев Р.Д.