Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка методики экспериментального определения областей статической устойчивости и оценка качества маловозмущенного движения
1.1. Обзор области использования и задачи, решаемые методикой
1.2. Определение областей устойчивости по экспериментальной частотной характеристике
1.3. Построение областей равного качества переходного процесса 27
1.3.1. Оценка качества переходного процесса
1.3.2. Построение кривых равного качества переходного процесса
1.3.3. Определение кривых равного качества в плоскости настроечных коэффициентов реальных устройств регулирования
1.3.4. Оценка точности
1. Заключение по разделу
2. Исследование систем регулирования возбуждения и активной мощности
2.1. Экспериментальное исследование систем регулирования возбуждения
2.I.I. Методика испытаний 43
2.1.2. Построение области устойчивости при использовании структуры стабилизации по частоте напряжения 56
2.1.3. Исследование влияния дополнительных каналов АРБ СД 60
2.1.4. Определение области устойчивости при регулировании по энергетическому параметру
стабилизации
2.2. Экспериментальные исследования системы регулирования паровой турбины
2.2.1. Методика испытаний
2.2.2. Результаты испытаний
2.3. Заключение по разделу 2
3. Исследование и разработка мероприятий для повышения эффективности АРВ в режиме недовозбундения турбогенераторов
3.1. Обзор способов и устройств ограничения минимального уровня возбуждения
3.2. Разработка принципов построения ОМВ с улучшенными статическими характеристиками
3.2.1. Характеристики ограничения по условиям сохранения статической устойчивости и теплового режима
3.2.2. Исследование законов ограничения
3.3. Статическая устойчивость генератора в режиме ограничения
3.3.1. Исследование устойчивости в режиме ограничения по обобщенному закону
3,3.2.. Статическая устойчивость в режиме ограничения по закону
3.3.3. Влияние постоянной времени устройства ОМВ на статическую устойчивость
3.3.4. Статическая устойчивость в режиме ограничения по закону, содержащему параметр
3.3.5. Характеристики ограничения ОШ при динамических изменениях режима
3.4. Разработка аппаратуры и экспериментальные исследования
3.4.1. Быстродействующий ОШ с гиперболической характеристикой ограничения (ГОМВ)
3.4.2. ОМВ для системы возбуждения пропорционального действия
3.5. Заключение по разделу 3
4. Анализ условий применения автоматики повышения уровня напряжения и разработка дополнительных требований к принципам управления и аппаратуре
4.1. Дополнительные требования к управлению автоматикой повышения уровня напряжения по условию устойчивости энергосистемы
4.2. Исследование особенностей управления уставкой АРВ генераторов многоагрегатной станции
4.2.1. Коррекция динамических характеристик различных типов систем возбуждения при
действии АПУН
4.3. Исследование эффективности управления уставкой АРВ с использованием режимного параметра
4.3.1. Выбор режимного параметра
4.3.2. Разработка блока пускового параметра
4.3.3. Расчеты в сложной схеме ОЭС Средней Азии
4.3.4. Экспериментальные исследования в энергосистеме
4.4. Заключение по разделу 4
5. Разработка методики и аппаратуры для экспериментальных исследований энергосистемы частотными методами
5.1. Особенности технических требований к аппаратуре регистрации частотных характеристик
5.2. Разработка принципов безинерционного преобразования
5.3. Датчики малых отклонений напряжения и тока до
5.3.1. Измерение малых отклонений переменного напряжения и тока
5.3.2. Измерение малых отклонений тока возбуждения синхронной машины
5.4. Датчик малых отклонений напряжения возбуждения .
5.5. Датчики малых отклонений мощности
5.6. Датчики малых отклонений частоты и угла
5.6.1. Измерение малых отклонений частоты
5.6.2. Измерение малых отклонений угла
5.6.3. Переносной комплекс для исследования энергосистемы частотным методом
5.7. Заключение по разделу 5
Заключение
Список литературы
Материалы о внедрении
- Определение областей устойчивости по экспериментальной частотной характеристике
- Экспериментальное исследование систем регулирования возбуждения
- Обзор способов и устройств ограничения минимального уровня возбуждения
- Дополнительные требования к управлению автоматикой повышения уровня напряжения по условию устойчивости энергосистемы
- Особенности технических требований к аппаратуре регистрации частотных характеристик
Введение к работе
Создание мощных энергообъединений позволило увеличить темпы развития энергетики и осуществлять его более экономично за счет рациональной концентрации производства электроэнергии на крупных электростанциях. Современный этап развития электроэнергетики отличается возрастанием единичной мощности агрегатов, увеличением протяженности линии электропередач, усилением неравномерности графика нагрузки и использованием режимов потребления реактивной мощности. Надежность выработки электроэнергии и параллельной работы мощных ГРЭС в современном объединении во многом определяется протеканием переходных процессов в энергосистеме.
Необходимость коренного совершенствования управления переходными процессами в электроэнергетических системах, возникшая еще в середине 60-х годов, стала особенно острой и потребовала разработки специальных методов и средств осуществления. Одна из главных проблем, требующих решения - совершенствование системы противоаварийного управления [і, 2] . Именно в этой области в последнее время появились черты кибернетического управления, что требует комплексного подхода к методам и стратегии управления энергосистемой [з] .
Система противоаварийного управления представляет собой комплекс устройств, содержащих релейную защиту и противоаварий-ную автоматику, обеспечивающих ликвидацию аварийных ситуаций и предотвращение каскадного развития аварий. Это сложная структура, иерархическая как в функциональном, так и в территориальном аспектах, характеризующаяся большим разнообразием схемно-режим-ных и аварийных ситуаций и требующая применения достаточно большого количества иногда узкоспециализированных алгоритмов и устройств управления со сложной логикой их ввода и вывода.
Важным средством в общей структуре противоаварийной автоматики являются автоматические регуляторы возбуждения сильного действия (АРВСД).
Особенности современных энергосистем требуют дальнейшего совершенствования устройств сильного регулирования возбуждения синхронных машин в направлении повышения эффективности АРВ, автоматизации процессов управления возбуждением и упрощения обслуживания. Принципиальные сложности управления возбуждением генераторов определяются следующими условиями работы ГРЭС: выдачей мощности по нескольким направлениям, по линиям электропередач разного класса напряжений; работой агрегатов станций с различными типами возбуждения и АРВ; эксплуатацией в режимах с пониженным уровнем возбуждения; применением различных средств противоаварийного управления, в том числе импульсной разгрузки и автоматики повышения уровня напряжения на шинах станции.
Решение задач повышения эффективности регулирования возбуждения в этих характерных для большинства современных электростанций условиях требует разработки методики и аппаратуры для исследования систем автоматического регулирования, режимов недовоз-буждения, определения мероприятий по ограничению минимального уровня возбуждения и дополнительных требований к управлению автоматикой повышения уровня напряжения с учетом специфики рассматриваемой ГРЭС. Существуют значительные трудности в организации традиционных законов управления возбуждением, обеспечивающих высокое качество процессов для всего многообразия схемно-режим-ных условий при неизменной настройке. В результате повышается вероятность неправильного действия из-за несовершенства алгоритма управления или ошибочных действий персонала. Применение АРВ сильного действия генераторов наиболее мощных станций, определяющих характер процессов в энергосистеме, повысило вероятность колебательной неустойчивости. В последние годы ведутся интенсивные работы по усовершенствованию структуры стабилизации АРВ с целью расширения границ допустимых режимов по условию обеспечения ко-лебатльной устойчивости энергообъединений [4-7] .
Существующие способы повышения эффективности регулирования возбуждения мощных генераторов можно условно разделить на два направления: первое предусматривает поиски новых оптимальных законов регулирования; второе, основываясь на сохранении неизменных законов регулирования, реализованных в современном АРВ СД, предполагает дополнение АРВ комплексами устройств, обеспечивающих максимальное использование возможностей систем возбуждения в переходных режимах и не влияющих на работу АРВ в нормальных режимах.
Работы, связанные с первым направлением, основываются либо на поиске режимных параметров, обеспечивающих инвариантность настройки к режимам работы энергосистемы [8-Ю] , либо на переходе к адаптивным системам управления [її, І2І . Использование принципов адаптивного управления требует разработки быстрых и надежных алгоритмов оперативного определения динамических характеристик системы и алгоритмов адаптации. Разработка таких алгоритмов целесообразна и на этапе, предшествующем вводу адаптивных систем, так как может быть с успехом использована при оперативных перенастройках эксплуатируемых АРВ в случае плановых изменений режимов работы станции или наладочных испытаниях. Существующие методики обладают рядом недостатков, затрудняющих проведение таких работ в условиях эксплуатации [13-16] . On- ределение реальных динамических характеристик системы, необходимое для целей адаптации, требует измерения малых отклонений режимных параметров энергосистемы. Промышленные преобразователи режимных параметров энергосистемы не удовлетворяют поставленным требованиям и требуют доработки [г?] .
Второе направление реализуется путем дополнительного ввода в АРВ информации системного характера, при этом положительный эффект достигается либо за счет коррекции самого закона регулирования, принятого в АРВ, либо за счет программного изменения уставок и настройки на период протекания переходного процесса [18-20] . Например, автоматическое повышение уровня напряжения позволяет использовать резерв по напряжению для увеличения устойчивости энергосистемы. Перевод уставки по напряжению на повышенный уровень может осуществляться от специальных устройств, контролирующих изменение режимных параметров, или устройств про-тивоаварийной автоматики. Определенные трудности в практической реализации пусковых устройств, отражающих информацию системного характера непосредственно на месте уставки АРВ генераторов, связаны в основном с выявлением аварийных ситуаций, вызванных дефицитом активной мощности в приемной части электрообъединения [21] .
Сложности управления возбуждением многоагрегатной станции усугубляются в условиях перехода генераторов станции в режим потребления реактивной мощности. Структура устройств ограничения минимального возбуждения обусловливает снижение эффективности стабилизации АРВ в этих режимах из-за наличия дестабилизирующих составляющих в законах ограничения [22, 23] . Повышение эффективности стабилизации в режимах ограничения потребления реактивной мощности генераторами требует разработки специальных мероприятий, учитывающих разнотипность систем возбуждения.
Указанный круг вопросов: разработка методики и аппаратуры для исследования областей устойчивости в плоскости настроечных коэффициентов регуляторов возбуждения и мощности, определение мероприятий по повышению эффективности АРВ в режимах ограничения минимального уровня возбуждения, усовершенствование пусковых устройств автоматики повышения уровня напряжения на шинах ГРЭС с экспериментальной проверкой и внедрением результатов на мощной ГРЭС - составляет содержание данной работы.
Определение областей устойчивости по экспериментальной частотной характеристике
Сложность современной регулируемой энергосистемы обусловливает значительные трудности в организации традиционных законов управления, обеспечивающих высокое качество переходных процессов при неизменной настройке для всего многообразия схемно-ре-жимных условий. В результате повышается вероятность ухудшения качества переходных процессов. В частности, применение АРВ сильного действия генераторов наиболее мощных станций, определяющих характер протекания процессов в энергосистеме, повысило вероятность колебательной неустойчивости. Явление самораскачивания наблюдалось в целом ряде энергосистем в СССР и за рубежом. В объединенной энергосистеме Средней Азии неоднократно возникало самораскачивание агрегатов Марыйской, Навоийской и Сырдарьинс-кой ГРЭС, что приводило к необходимости снижения загрузки этих станций для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы ОЭС и возникновения аварий. Следовательно,обеспечение колебательной устойчивости и повышение качества демпфирования маловозмущенного движения можно рассматривать как обоснование мероприятий, увеличивающих надежность параллельной работы объединения. В ряде организаций как в СССР (ЛПИ, ВЭИ, ВНИЙЭ, НИИПТ и др.), так и за рубежом, ведущих исследования по этим вопросам, выдвинуты технические предложения, которые условно можно разделить на две группы. Одна из них связана с выбором режимных параметров, использование которых в структуре стабилизации движения обеспечило бы инвариантность настройки АРВ к схемно-режимным условиям энергосистемы; другая основана на адаптации настройки каналов стабилизации движения при изменении схемно-режимных условий работы объединения. В свою очередь, в разработке адаптивных систем наметилось два направления: аналитическая адаптация, связанная с теоретическим обоснованием аналитических зависимостей настроечных коэффициентов от текущих значений режимных параметров, и поисковая адаптация, основанная на оперативном определении динамических характеристик энергосистемы и оптимизации настройки -по определенному критерию.
Настоящая работа ориентируется на применение методов, требующих определения реальных динамических характеристик энергосистемы, так как учет системы регулирования экспериментальными частотными и переходными характеристиками наиболее полно отражает исследуемый объект и его свойства. Частотные характеристики электрической системы, несущие полную информацию о ее свойствах, могут служить эталоном при решении задач эквивалентирования системы и критерием справедливости принятых схем замещения элементов энергосистемы.
Экспериментальное исследование систем регулирования возбуждения
Экспериментальные исследования по определению динамических характеристик регулируемых генераторов и влияния настройки систем возбуждения на качество переходного процесса проводили на Сырдарьинской ГРЭС (СД ГРЭС) в режиме нормальной эксплуатации без введения каких-либо ограничений по режиму и технологии производства и передачи электроэнергии.
Станция состоит из десяти энергоблоков, оснащенных генераторами типа ТВВ-320-2 и турбинами К-300-240. Первая группа машин (генераторы 1-4) работает на шины 220 кВ и имеет высокочастотные системы возбуждения с регуляторами напряжения типа ЭПА. Остальные шесть генераторов работают на шины 500 кВ, из них генераторы 5,6 оснащены высокочастотными системами возбуждения, а генераторы 7-Ю - независимыми тиристорними системами возбуждения с регуляторами АРВ СД. Регуляторы скорости паровых турбин снабжены электрогидравлическими приставками типа ЭПК-300. На шинах 500 кВ станции замыкается основное кольцо линий 500 кВ энергосистемы. Шины 220 кВ связаны сетями 220 кВ с Юго-Западной частью ОЭС Средней Азии.
Для отработки методики и проверки основных методических положений, приведенных в главе I, испытания проводили подачей гармонического сигнала на дополнительный вход АРВ СД одного генератора, работающего на шины 500 кВ. Частоту возмущающего сигнала изменяли в пределах реальных значений частот электромеханических колебаний роторов турбогенераторов от 0,1 до 30 рад/с. Амплитуда возмущающего сигнала, выбираемая из расчета обеспечения реакции системы и минимального влияния на стационарный режим энергосистемы, составляла 50/ 4 . Максимальная амплитуда колебаний режимных параметров генератора не превышала при этом 5 % от номинальных значений.
Обзор способов и устройств ограничения минимального уровня возбуждения
Постоянное развитие электрических сетей и повышение номинальных напряжений линий электропередачи, неравномерность суточных графиков нагрузок энергосистем и рост числа потребителей с высокой степенью компенсации реактивной мощности являются объективными причинами перевода турбогенераторов в режим потребления реактивной мощности. Переход турбогенератора в режим недовозбужде-ния сопровождается снижением запаса статической устойчивости и повышением нагрева активных конструктивных элементов торцевой зоны статора ][ 4-1-4-3 . Надежность работы в этом режиме обеспечивается оснащением регулятора возбуждения устройством ограничения минимального уровня возбуждения (ОМВ), ограничивающим потребляемую реактивную мощность либо по условию нагрева торцевой зоны статора, либо по условию обеспечения статической устойчивости турбогенератора.
Было предложено несколько вариантов ОМВ. Простейшие из них осуществляют ограничение тока ротора по заданной уставке. Недостаток этого способа в том, что ОМВ вступает в работу при малых активных нагрузках значительно раньше достижения границы по устойчивости или условию сохранения теплового режима [ 44] . Частично устранить его помогает устройство, изменяющее уставку ограничения по току ротора в зависимости от положения сервомоторов турбины 45] , однако при этом не всегда обеспечивается однозначность между положением сервомоторов и активной мощностью.
Известны также устройства, использующие принцип ограничения заданного значения внутреннего угла синхронной машины, но они эффективны лишь для синхронных компенсаторов [4б] .
Дополнительные требования к управлению автоматикой повышения уровня напряжения по условию устойчивости энергосистемы
Автоматика повышения уровня напряжения на шинах станции (АПУН) реализует способ принудительной форсировки возбуждения турбогенераторов станции в аварийных режимах [53-55.] . Форси-ровку и развозбуждение выполняют путем изменения уставки АРВ генераторов. Положительный эффект от кратковременного повышения уставки АРВ по напряжению достигается тем, что первые, наиболее опасные, три-четыре цикла качаний после возникновения аварийного возмущения проходят при повышенном уровне напряжения в системе. За счет применения АПУН удается уменьшить разгрузку ГРЭС до величины, необходимой для обеспечения заданного уровня устойчивости в послеаварийном режиме. При этом снижаются требования к быстродействию системы разгрузки, что позволяет в ряде случаев отказаться от такого экономически невыгодного способа аварийной разгрузки, как отключение генераторов, ограничившись импульсной разгрузкой по каналу электрогидравлической приставки.
Автоматика повышения уставки напряжения состоит из пускового устройства, центрального и блочного исполнительных устройств. Пусковое устройство воздействует на центральную и исполнительную части по факту отключения выключателей линий 500 и 220 кВ. При срабатывании пускового устройства центральное исполнительное устройство приводит в действие первую ступень АПУН всех блочных исполнительных устройств, которые изменяют уставку АРВ генераторов на 10 с таким образом, что напряжение на шинах 220, 500 кВ возрастает на 10%. Через 10 с центральная исполнительная часть АПУН автоматически переключает блочные исполнительные устройства на вторую ступень, которая обеспечивает поддержание напряжения на шинах 220, 500 кВ на 5% выше исходного. Действие второй ступени продолжается в течение 15 мин, после чего для нормализации теплового состояния обмоток роторов генераторов на 7 мин автоматически вводится запрет на срабатывание АПУН. После снятия запрета устройство вновь может быть приведено в действие.
Особенности технических требований к аппаратуре регистрации частотных характеристик
Для частот, далеких от резонансной, амплитуда колебаний выходных параметров может быть на порядок ниже. Регистрация отклонений выходных электрических параметров с такими малыми амплитудами связана с определенными трудностями, что приводит к необходимости отказа от измерения полных величин выходных параметров, так как величина их отклонения лежит в пределах погрешности измерительной аппаратуры, и ограничиться регистрацией отклонений от исходного режима.
Определение отклонений выходных электрических параметров от установившихся значений дает необходимую информацию для вычисления частотных характеристик, поэтому для выделения и усиления сигналов таких отклонений важно иметь специальные датчики малых отклонений.
При оценке требуемой точности преобразования следует учитывать, что задачи по разработке алгоритмов регулирования и определению качества переходных процессов относятся к классу задач, для которых на первое место выдвигаются не абсолютные результаты, а их относительные значения. В этих условиях погрешность эксперимента следует оценивать как погрешность преобразования измерительными датчиками. Поэтому при создании датчиков малых отклонений электрических параметров к ним целесообразно предъявлять такие же требования точности, как и для фиксации абсолютных значений электрических параметров установившегося режима, т.е. на уровне 0,5 1%,
Не менее важная характеристика датчиков отклонений электрических параметров - их быстродействие. Поскольку с помощью частотных методов находят функциональную зависимость амплитуды и фазы выходного сигнала от частоты гармонического воздействия, точность представления объекта энергосистемы частотной характеристикой полностью определяется временными характеристиками датчика малых отклонений.
При регистрации переходных процессов в энергетических системах временные характеристики датчиков должны удовлетворять требованию фиксации максимального порядка гармонической составляющей сигнала.
