Устройство для связи двух энергосистем

 

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 статорных 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

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 J 3/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фие,2 (21) 4619479/07 (22) 14.12.88 (46) 23.10.91. Бюл. М 39 (75) P.Ñ. Цгоев (53) 621.316.728 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР гЬ 695471, кл. Н 02 J 3/06, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ СВЯЗИ ДВУХ

ЭНЕРГОСИСТЕМ (57) Изобретение относится к электроэнергетике. Цель изобретения — расширение области применения путем согласования напряжений, а также повышение зкономич,5U„„1686595 А1 ности путем увеличения пропускной способности, Если частоты объединяемых энергосистем 1 и 2 равны в и (а, а частота вращения ротора cap, то под действием ЭДС прямой последовательности по вторичным обмоткам трехобмоточного трансформатора в статорных 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 на1686595 пряжением сети 1 с частотой N1 0>p+ mr (cdr— частота тока возбуждения), Аналогично под действием ЭДС обратной последовательности в статорных обмотках каждой машины текут токи обратной последовательности, имеющие частоту в>= вр-mr и создающие магнитные поля во вторичных обмотках трансформатора 9. Эти поля суммируются, 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.

Нэ фиг,1 представлена схема устройства с двумя синхронными машинами и двумя трехобмоточными трансформаторами; на фиг.2 — схема устройства с тремя синхронными машинами и двумя четырехобмоточными трансформаторами; на фиг.3 — схема регулятора; на фиг.4 -- схема преобразователя координат.

В устройстве (фиг.1) для связи энергосистем 1 и 2 первичная обмотка трехобмоточного трансформатора 3 соединена с первой энергосистемой 1. Валы 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,Tr/ 2 и подключены к выходам преобразователя 6 частоты (нап ример, 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 тре><обмотоного трансформатора 9, э дополнительный вывод статорной обмотки синхронной маши Ibl 5 подсоединен к второй вторичной обмотке трансформатора 9. Вторичные обмотки трансформатора 9 включены встречно, Устройство работает следующим образом.

45 но так как вторичные обмотки включены встречно, то в первичной обмотке трансформатора 9 наводится ЭДС с частотой са=

= вр-mr . 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, Пусть частоты объединяемых энергосистем соответственно равны в1 и в2, э частота вращения ротора устройства равна вр, При питании обмотки возбуждения каждой синхронной машины переменным током (например, синусоидальным) некоторой частоты в в нем создается знакопеременное магнитное поле той же частоты mr . 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 (+mr), а обратное поле — с частотой -mr) . Эти поля в статорных обмотках каждой машины наводят

ЭДС прямой последовательности с частотой (mp+ в ), и ЭДС обратной последовательности с частотой(вр-mr).

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 m1= вр+ вг) .

Аналогично, под действием ЭДС обратной последовательности в статорных обмотках машины текут токи обратной последовательности. Эти токи имеют частоту в>= mp-mr, протекают через вторичные обмотки трехобмоточного 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 ce- mp-mr и, Эта ЭДС взаимодействует с напряжением энергосистемы 2 с частотой cog, Условие существования установившегося режима устройства выполняется как по отношению к энергосистеме 1

m1= mp+ mf (1) так и по отношению к энергосистеме 2

04= mp (2) 1686595

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

Допустим

N2(В1 (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) (4)

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

В1 +В2 (5)

На входы регулятора 7 поступают сигналы частот в1 и в2 объединяемых энергосистем, вр и вектор напряжения одной из систем, Регулятор 7 формирует сигналы управления с частотой cur, 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 вы, полнение 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

Ш = J вр (хз111 + х,из 14 + хиз 15); (6)

02 = J вр (xg2 i1 + xp 14 + kg i5); (7)

Ox34l4+ l1+xp3l5+xv4l4+(4+х g4i4+

+ +912 хи915 (8)

O=x34l5+xp3 11+х/4 3 4+хи5 l5+j (5+

+х95! 5 xц914 хи9 l 2, где U1, U2 — векторы напряжений энергосистем 1 и2; в1 — частоты вращения ротора;

11 12, l4, 13 — векторы токов соответственно в цепях энергосистем 1 и 2 и MBLUNH 4 и 5; х31, х34, x35 — сопротивления трех обмоток трансформатора 3, присоединенных соответственно к энергосистеме 1, машинам 4 и 5. хауз — сопротивление взаимной индукции между обмотками траснформатора 3; х92, х94, х95 сопротивления трех обмоток трансформатора 9. присоединенных соответственно к энергосистеме 2; хи9 — сопротивление взаимной индукции между обмотками трансформатора 9.

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

Складывая и вычитая уравнения (8) и (9), из системы уравнений (6)- (9) получим — 201 = j вр (2 хз 10i1 + 2хи q (i1 + ц + l5) )(10) — 202 = j вр (2xg2c81 + 2xp g (i1 + ц + i5) )(11)

0=)вр(2 хиз(и+ 4+ а 5)+(2Х34сг+х м4) (ц+ 5)+(4+j l5))) r Q >

0=jcdp(2xpg(i2+i3-34)+(2х340+хм4) (l4 15)+(4 jl5)))(S 3)

ГДЕ Xm4 = Х„5 = Хм — СОПРОТИВЛЕНИЯ СтатОРНЫХ обмоток машин 4 и 5; х31п, хзау, х92сг- сопротивления рассеяния соответственно обмоток Х31, Хз4, Xg2.

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+ i4+ i5= ip =О, откуда (ц+ i5) = — i1; (14)

l2 + 14 i5 = 3,и =О, откуда (14 15) = "2 (15)

Из системы уравнений (10)-(13) получим

-01=1Вр((хЗ КУ+хджУ+хм /2) i1-0,5(И j l5)); (16)

-Ь2=)вр((х92о+х94о+хм/2)11-0,5(i4+jl5)). (17)

Из (16) И (17) очевидно, что так как прямой вектор ЭДС равен (=-,4+)(5, а сопряженный ему вектор ЭДС равен f. (4 — jj5, 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 двух асинхронизированных синхронных машин. При объединении двух энергосистем предлагаемым устройством могут быть случаи, когда линия электропередачи рассчитана на передачу мощности (нэпример, 300

МВт), большую пропускной способности (на п ример, 200 M Вт) и редлагаемого устройства (фиг.1). B этом случае включать параллельно два агрегата экономически не выгодно, так как они постоянно будут недоиспользоваться (в нашем примере — на 100

МВт). Предлагаемое устройство для объединения двух энергосистем (фиг.2) позволяет в таких случаях повысить экономичность устройства путем увеличения пропускной способности. 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 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 соединены последовательно, третий выход управляемого преобразователя частоты подключен к обмотке возбуждения синхронной машины 10, магнитные оси обмоток воз1686595 буждения синхронных машин 1,5 и 10 сдвинуты в пространстве друг относительно друга на 27г/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 10друготносительно друга и относительно трех векторов напряжения на дополнительных выводах тех же обмоток статоров на угол 2ЫЗ 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, тдт 3 - 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 потока),и учитывая оговоренные условия, запишем контурные уравнения р- — jp (,(8)

O=U, 2 +jpJp(r4(44(4 ) "2 1

° ® о j(r«2p ) -J(f+<20 ) < Оо

О = (jP 2 + j G3 JJ (X Z i Z+ P - J+ (J

Я ((9) о J ((+24 a 1 -j((@ 240 J J 24pо

0=(J,.Å ijpJJ,(X«T«P«) Uy 2

2 г (20)

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

Умножим уравнение (19) на е (, уравнение (20) — на е, и сложим уравнения

-j24O (18)-(20). Умножим уравнение (19) на е j120 уравнение (20 — на е и сложим уравнения (18) — (20). При этом окончательно получим

Р(3 (21) — U2 = j йЭр (— 12 + Ц. (22)

Уравнения (21) и (22) аналогичны уравнениям (16) и (17) и представляют собой уравнения, описывающие эквивалентное устройство для связи двух энергосистем иэ 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

5 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.3 приведена

10 схема регулятора 7 с двумя выходами, представляющего собой один из автоматических регуляторов возбуждения (APB) устройства для связи двух энергосистем из двух асинхрониэированных синхронных машин с датчиками параметров ре15 жима, Входы пропорционально-интегрального регулятора 11 соединены с выходами блока 12 коэффициента регулирования ф>, датчика 13 напряжения и блока 14 задания установки напряжения, а на выходе формиру20 ется сигнал напряжения управления в канале реактивной мощности, обеспечивающего поддержание напряжения 01 на статоре машины и в соответствии с уставкой U10

U(ypj = Д+ Ь 1(01o — U 1) + kuz,/ (U1о — U )с(с, (23)

25 где Рр, ku1, ku2 — коэффициенты регулирования.

Входы пропорционального регулятора

15 соединены с выходами блока 16 задания

30 коэффициента регулирования а, датчиков

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

35 ротораю:

0гу (=ао + ks (вр ), (24) где в1, са — частоты объединяемых энергосистем;

40 „k>- коэффициенты регулирования.

Сигналы (23) и (24) на постоянном токе, образующие закон управления 0(у, далее в блоках 20 и 21 преобразования координат соответственно умножаются на вектор напряжения от датчика 22 и единичный вектор

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

5p k раэ сигналы напряжений возбуждения с учетом сигналов обратных связей потокам роторов ц и jr от датчиков 26 и 27, обеспечивающих жесткие отрицательные обратные связи по этим токам и тем самым линеаризующих каналы регулирования устройства ((е цц . 4((Я Р1 ЧЧД и. 5(ЦФ Ч е t. - еие

-4,(ц,ц,,М(, . " 1 е "

1686595

10 где а1 =вр =cur, xqr I>= I<. с жестко соединенными валами, статорная

Учитывая,,что в больших значениях ко- обмотка каждой из которых имеет два выэффициента ke(ke ) величина фазы тока вода, блок управления возбуждением с yrlротора рг будет стремиться к фазе сигнала равляемым преобразователем частоты, напряжения управления р можно запи- 5 выходы которого подключены к обмоткам

;в, +q, возбуждения указанных машин, трехобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к зажимам для под(25) ключения к одной из объединяемых энергоБлоки 20 и 21 преобразования коорди- 10 систем, две вторичные обмотки включены нат (фиг.4) содержат блоки 28 — 31 проиэве- согласно и вывод каждой иэ них подключен дения и сумматоры 32 и 33, Связи между к первому выводу статорной обмотки своей элементами и функциональное назначение синхронной машины, о т л и ч а ю щ e e c я этих элементов очевидны иэ приведенных тем, что,сцельюрасширенияобластииспольсхем. Уравнения(21) и(22)совместно сурав- 15 зования путем согласовэния напряжений, донениями (23Н25) представляют полную си- полнительно введен второй трехобмоточный стему уравнений устройства для связи двух трансформатор, первичная обмотка котороэнергосистем. Устройство для связи двух ro подсоединена к зажимам для подключеэнергосистем может быть установлено в лю- ния к второй энергосистеме, а вторичные бом месте линии электропередачи. Однако 20 обмотки включены встречно и каждая иэ них для наиболее рационального использования подсоединена к второму выводу статорной многообмоточных трансформаторов их пер- обмотки своей машины. вичные обмотки выполняются высоковольт- 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е еными и подключаются к высоковольтным с я тем, что, с целью повышения экономичлиниям электропередачи. При этом трехоб- 25 ности путем увеличения пропускной спомоточные трансформаторы используются не собности, дополнительно введена третья только как необходимые элементы предлага- синхронная машина с двумя выводами стаемого устройства, но и как повысительные тоРной обмотки, вал которой жестко соедитрансформаторы. Эти же обмотки позволяют нен с валом двух других синхронных в принципе испольэовать в агрегате машины 30 машин, а оба трансформатора снабжены разных номинальных статорных напряжений, третьими вторичн ыми обмотками, управчто позволяет расширить область примене- ляемый преобразователь частоты выполнен ния устройства. Предлагаемое устройство по- с третьим выходом, при этом статорная обзволяет применять его как в начале линии мотка третьей синхронной машины и электропередачи, так и между секциями 35 третьи вторичные обмотки трансформатоэлектростанций. ров соединены послЕдовательно, третий выход

Преимуществом является то, что в предла- УпРавлЯемого пРеобРазователЯ частоты гаемом устройстве используются синхронные подключен к обмотке возбуждения третьей машины и обычные трех- и четырехобмоточ- синхРонной машины, обмотки возбУждениЯ ные трансформаторы. Кроме того, нет необ- 40 тРех синхРонных машин агРегата выполнеходимости специально формировать токи ны сдвинутыми в пространстве друг отновозбуждения по аргументу, равному поло- . сительно друга на 2 г/3 эл.град, вторичные вине угла между векторами напряжений обмотки обоихтрансформаторовсоединеэнергосистем, так как в предлагаемом уст- ны в группы, обеспечивающие взаимный ройствеэтодостигаетсясхемойсоединения 45 сдвиг трех векторов напряжений на перэлементов в сочетании c APB. Bce это рас- вых выводах обмоток статоров трех синхширяет возможности и упрощает устройст- Ронных машин друг относительно друга и во в целом. относительно трех векторов напряжения на

Формула изобретения вторых выводах тех же обмоток статоров на

1, Устройство для связи двух энергоси- 50 угол 2 г13 эл.rpад. стем, содержащее две синхронные машины

1686595

Составитель M. Полякова

Редактор Л. Гратило Техред М,Моргентал Корректор, М. Шэроши

Заказ 3606 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5

Производственно-издательский комбинат *Патент",.г, Ужгород, ул.Гагарина, 101