Энергосистема

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Саевтскмк

Социалистических ресиубккк ())) 817856 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 04.01.79 (21) 2704805/24-07 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет— (51) M. Кл,э

Н 02 J 3/24

Генуллрстненный кемнтет

CCCP (53) УДК 621.311, .016.33 (088.8) Опубликовано 30.03.81. Бюллетень №12

Дата опубликования описания 05.04.81 нв лемм нзейретеннй и аткрытнй

И. В. Бородина, А. М. Вейнгер, А. Л. Виницкий, М. Н. Кузьмин, И. М. Серый, А. А. Я ко-Триницкий, Б. П. Климов, Л. Г. Мамиконянц, Т. В. Плотни ова и .-F-.4Ûàêàðçí

Уральский ордена Трудового Красного Знам ни-политехнический ", институт им. С. М. Кирова и Всесоюзный науч)но-исс)ледоват)ельский институт электроэнергетики ).-.-::; (72) Авторы изобретения (71) Заявители (54) ЭНЕРГОСИСТЕМА

Изобретение относится к группе устройств применяемых в энергетических системах для решения целого комплекса проблем, связанных с надежностью и качеством функционирования этих систем. К числу указанных проблем относится и проблема стабилизации на заданных уровнях частоты. и обменной мощности объединенной энергетической системы (ОЭС) при изменении ее активной нагрузки.

В настоящее время эта проблема решается в рамках систем автоматического регулирования частоты и активной мощности (АРМЧ), строящихся по иерархическому принципу с широким использованием ЭВМ (1) . (2) и (3) .

Достигнутый уровень развития характе- 15 ризуется способностью систем АРМЧ осуществлять стабилизацию лишь среднего уровня частоты и обменной мощности ОЭС, оставляя вне сферы воздействия колебания указанцых величин, вызываемые нерегулярными толчками активной нагрузки ОЭС. Одна из причин этого заключается в недостаточном быстродействии самого нижнего иерархического уровня систем АРМЧ, т.е. системы автоматического регулирования скорости и мощности турбоагрегатов. Их быстродействие таково, что они просто не успевают реагировать на нерегулярные колебания активной мощности ОЭС. Это приводит к появлению нерегулярных колебаний частоты и обменной мощности существенно снижающих использование пропускной способности

«слабых> связей ОЭС и надежность параллельной работы.

Наиболее близким по технической сущности и изобретению является компенсатор колебаний мощности, который в энергосистеме, содержащей турбоагрегаты с первичным и вторичным регулятором подключен на шины нагрузки, Этот компенсатор выполнен в виде асинхронизированной синхронной машины (АСМ) с маховиком, ротор АСМ через преобразователь частоты подключен к питающей сети. Управляющие входы преобразователя частот связаны с выходом регулятора скорости и напряжения. Устройство содержит также датчики фазных напряжений и токов статора, подключенные к упомянутому регулятору и источник напряжения постоянной величины (4) .

817856

50

В электроприводе также 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 машину (АСМ) с маховиком. ротор которой подсоединен к регулирусмому источнику питания, например тиристорному, цепи управления которого по гкл1очсны к выходм рсгу "IHTopd скорости и напри.кcHHH, входы которого подключены к выхода:4 датчиков углового положения ротора относительно синхронно вращающейся сис1смы координат, скорости, фазовых токов cTaTopd и ротора, напряжения фаз

i. T ç . ор 1 и d I 8TH è êà модъля наг1ряжения электрической сети асинхронизированная синхронная машина подключена к шинам турбоагрегd Та, а система снабжена дат1кком частоты и активной мощности энерго, нстемы, рсгулятором среднего уровня

cHoIIocTH АСМ, с источником сигнала зада".ия регулятором dKTHBHQH мощности турбо«грсгата, фильтром, регулятором частоты

:iIIcpIocHcTLivIhI, с источником сигнала зада11ия, причем вход задания регулятора скорости АСМ сосдинен с выходом регулятора часэнеl)1ocHOTHMHI, Bxo)j oljp3THQH которого соединен с выходом датчика час1х1ты энергосиситемы, а управляющий вход соединен с источником сигнала задания часroTlI энергосистемы, а вход задания вторичк>го регулятора ту рбины соединен через согласующий фильтр с выходом регулятора

«ктивной 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.

На фиг. 1 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 машину 1, статические (например тиристорные) реверсивные ре5

1О

2О

25 зо

45 гулируемые источники 2 питания фаз ротора, управляемые сигналами

U«, датчик 3 углового положения ротора сакэ относительно синхронно вращающеися системы координат c(;- P т.е. системы координат жестко связанной с вектором напряжения питающей сети V>, датчик 4 скорости (тахогенератор); регулятор 5 АСМ; задатчик 6 модуля напряжения питающей сети; регулятор 7 частоты; датчик 8 частоты энергосистемы; датчик 9 активной мощности синхронного генератора; фильтр 10 с постоянной времени Т6; регулятор 11 активной мощности синхронного генератора; регулятор 12 среднего уровня скорости АСМ, синхронный генератор 13, турбину 14 (элементы, определяющие задание 4о,„,, > = const и са> .4,4=

= const соответственно регулятора 7 частоты 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 Т =

= 0,2 - 0,3 с и новый канал, включающий

АСМ с маховиком и системой регуляторов, обеспечивающих быстродействующее генерированив активной мощности обеих знаков и, как следствие этого, обеспечивающий быстрое восстановление баланса активных мощностей (генерируемых и потребляемых)

03С и быструю стабилизацию частоты. Быстродействие этого канала характеризуется постоянной времени Т,4 = 0,002 - 0,005 с и ограничено в основном возможностями тиристорного преобразователя частоты, являющегося возбудителем АСМ.

Работа энергосистемы протекает следующим образом.

В статических режимах ОЭС, когда

Ы „,4, = 0 баланс активных мощностей обеспечивают синхронным генератором при нулевой активной мощности АСМ. При этом частота ОЭС и скорость вращения синхронного генератора за счет работы регулятора 7 частоты и регулятора турбины поддерживается на уровне задания

cu = ю = up =COnSt, счст, т скорость вращения АСМ в результате работы регуляторов 5 и 12 скорости оказывается на уровне задания ю„„,= 409, „„= const активный ток АСМ равен нулю, а ее реактивный ток определяется заданием и равен

8 17856

35 нулю, если U = Us, когда Ь(15 = bU =

= О.

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 „ст в 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 переходного процесса заканчивается, когда АСМ оказывается на холостом ходу, а всю дополнительную активную нагрузку ЬР„с, принимает на себя синхронный генератор, АСМ при этом работает на пониженной скорости, равной

Ю -4 — — — — 9- —, Тб,йРкаъ

Р лн где T> — инерционная постоянная АСМ с учетом маховика;

Р„„— 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

Р, и Р,связанным ЛЭП с обменной мощностью P „и снабженным астатическими регуляторами турбин. К первой энергосистеме подключают АСМ, которая моделируется по полной системе уравнений с учетом системы автоматического регулирования.

Передаточная функция регулятора частоты имеет вид: у Тэ.с.l +Ээ.с. (1) зт„Н1Р где T D с — параметры, характеризующие энергосистему.

Передаточная функция регулятора активной мощности синхронного генератора имеет вид (P) — зт3Р +3Toр E ат к,, l0 где Тц, К0 эквивалентные постоянная времени и коэффициент усиления штатного регулятора турбоагрегата.

Регулятор среднего уровня скорости

АСМ имеет передаточную функцию

Передаточные функции регуляторов и р.с.

Передаточные - ункцик 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 4о и ао объединенных

ЛЭП с обменной мощностью Р „,.

Передаточная функция регулятора 7 частоты выбрана так, чтобы компенсировать инерционность первой энергосистемы, в которую включен АСК, с учетом инерционностей контуров регулирования скорости и акЗо тивного тока АСМ. С учетом (1) передаточная функция замкнутого контура частоты от щс к ао1 определяется

W (Р)3+ee e P +32m P ÷.6×Òü Рз+6Ч Т4 . Рч

= Щрт ), (e) соответствующим фильтру Боттерворса четвертого порядка с постоянной времени Т,„

Для совмеренных электроприводов и компенсаторов с шеститактным НПЧ минимальная постоянная может быть взята равной

Т „= 0,002-0,005с. Эта постоянная опреляет быстродействие контура частоты АСК, которое оказывается приблизительно на

45 два порядка выше быстродействия контура регулирования частоты турбоагрегата.

Передаточная функция регулятора ll активной мощности генератора выбрана так, чтобы приближенно осуществить компенсацию инерционностей турбоагрегата, 50 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 Т передаточная функ55 ция замкнутого контура активной мощности синхронного генератора от Р„к Р„определяется выражением (Р)= —.— — — -- -- -- (РТ6) э (5)

pf 1+2%P Ф. Т p .>

817856

Формула изобретения

55 соответствующим фильтру Боттерворса второго порядка с постоянной времени Т@>»

>>Т Для 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 со, „К а„,„„определяется выржением воср(1+ Т Р+8 Р +81 Р— Зз Р соответствуюшим 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 (PA«, ЬР„, и hf>) затухают за одно колебание с небольшим перерегулированием. Нерегулируемые величины (ЬР р и Ы Q более склонны к качаниям, но их абсолютные значения очень сильно понижены за счет действия АСМ.

По кривой Р м (фиг. 2) видно, что ступенчатый наброс нагрузки ЬР„ц,Р быстро воспринимает АСМ, обладающая пятикратной перегрузочной способностью. Как показывают расчеты, на это АСМ затрачивает время (0,05 с), за которое активная мощность синхронного генератора (фиг. 2, кривая hPri> практически не успевает измениться. После восприятия нагрузки, скорость АСМ понижается (фиг. 2, кривая Ьсолсм — — auмм— в, ) и за счет действия рассмотреннйх смир. выше контуров регулирования активная мощность АСМ передается на синхронный генератор, так что с течением времени АСМ из генераторного режима (P >О) переходит в двигательный режим (Р,„(О) 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; Рзс< а ем+ гi Ð

25 зо (фиг. 2, кривая ЬР ), 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 меньше колебаний нагрузки в первой энергосистеме (фиг. 2, кривые ЬР, и ЬР©,5), тогда как без АСМ эти колебанйя приблизйтельно 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

hP = 1О/о. Из 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 М»„, (фиг. 2) и ЬР (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.

Энергосистема, содержащая турбоагрегат с первичным и вторичным регуляторами, асинхронизирова иную 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 стато ра и задатчика модуля напряжения электрической сети, отличающаяся тем, что с целью улучшения -качества электрическои энергии путем осуществления быстродействующей стабилизации частоты и обменной мощности объединенной энергосистемы при нерегулярных толчках ее активной нагрузки, асинхронизированная синхронная машина подключена к шинам.турбоагрегата, а система снабжена датчиками частоты и активной мощности энергосистемы, регулятором среднего уровня скорости АСМ с источником сигнала задания регулятором активной мощ817856 гагр

1 ности 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 асинхронизи рова иной 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 СССР-.-«Электричество», 1977. № 8.

2. Павлов П. А. Автоматизация энерге1о тических систем, Л., «Энергия», е. 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 P 7/62, 1975.

817856 (Оиг. 2

Щг. 3

Составитель В. Фотина

Редактор И. Ковальчук Корректор А. Бойкас Корректор Г. Решетник

Заказ 1435/72 Тираж 675 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП .«Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4