Введение к работе
Актуальность проблем;. Тенденция к увеличению степени использования активных материалов, ярко проявившаяся при создании турбо и гидрогенераторов , предельных мощюстеЯ, прослех'Еаотся и в отношении генераторов среднеЯ мощности. В течение последних 10+15 лет Сили разработаю; и изготовлены генератори нового поколения мощюстью 800 4 3000 кВт, предназначенные для работы в автономных системах электроснабжения различного назначения и отличающиеся повышенными электромагнитными нагрузкам!. Последнее обстоятельство позволило достичь суиоствешгого снижения веса и габаритов генераторов, однако повлекло за собоЯ возрастание индуктивных сопротивлении и снижение маховых масс, что привело к снижению показателеЯ устойчивости и ухудшению качества электроснабжения.
В то ко время совершенствование систем автоматического регулирования возбуждения, имеших в качестве выходных устройств преобразователи на основе полупроводниковых приборов, позволяет скомпенсировать ухудшение параметров и характеристик високоис-пользовашшх синхронних мазин и обеспечить заданные показатели качества протекания различных динамических процессов. В отличие от моатых генераторов, системі возбуждения мэсин средней мосно-сти работают с достаточными запасам! и могут обеспечить воздействия значительной интенсивности, амплитуды которых ограничиваются только характеристикам! изоляции ротора.
Широко" использование вычислительной техники, автоматизация процесса ггргектироизнкя позволяет существенно повысить качество проектирования и обеспечить комплексную оптимизацию конструкции агрегата вместе с системой регулирования возбуждения. Однако качество процесса проектирования в значительной мере зависит от полноты математических моделей элементов системі электроснабжения, в первую очередь синхронных генераторов. Учитывая весьма интенсивные воздействия на обмотку возбуждения генераторов, важ-!гнм методическим уточнением является учет насыщения магнитопро-вода синхронных машин. Насыщение сердечшіков машин обуславливает изменение их параметров, как объектов регулирования, в условиях параллельной работы с автономной или объединетюй энергосистемой. Учет насыщения необходим ігри выборе настроек регуляторов возбуждения и других устройств автоматического управления, обес~, печирамщ!х надежность и качество электроснабжения.
В связи с этим в диссертации рассмотрено влияние насыщения стали синхронных генераторов средней мощности на установившееся и переходные режимы автономных электроэнергетических систем, а также на их статическую устойчивость и демпферные свойства. Работа выполнялась в рамках проведения исследований по программам Минвуза СССР и Минэнерго СССР и была связана с исследованиями, проводившимися в ЛПЭО "Электросила".
Целью работы является исследование влияния насыщения стали на установившиеся режимы, электромагнитные переходные процессы и колебательную статическую устойчивость синхронных генераторов средней мощности с различными системами возбуждения, работающих в автономных электроэнергетических системах.
В соответствии с этим были поставлены'и разрешены следующие основные задачи:
-
Разработка математических моделей трех систем возбуждения - диодной бесщеточной системы (ДБС), тиристорной бесщеточной системы (ТБС) и системы фазового компаундирования (СФК).
-
Разработка математических моделей автономных ЭЭС с генераторами, оснащенными любой из трех систем возбуждения. Модели предназначены для расчета нормальных установившихся режимов, переходных процессов при конечных Еозмущениях и анализа устойчивости работы электроэнергетической системы при малых возмущениях. К конечным возмущениям относятся изменение величины и состава нагрузки, возникновение аварийных режимов как в случае сохранения симметрии, так и при ее нарушении и переход от аварийного режима к нормальному.
-
Анализ влияния насыщения стали синхронных генераторов различных мощностей и типов на параметры установившихся режимов, в том числе на угловые характеристики мощности.
-
Анализ влияния насыщения стали генераторов средней мощности на характер протекания переходных процессов при типовых возмущениях, проверка точности разработанных моделей путем сопоставления результатов расчетов и натурных экспериментов.
-
Сравнение эффективности различных систем возбуждения в отношении качества регулирования напряжения в переходных процессах. Определение перспективных направлений конструирования систем возбуждения.
-
Анализ влияния насыщения стали на статическую устойчивость работы ЭЭС и выбор настроек АРВ генераторов, обеспечивающих удовлетворительное-качество протекания переходных процессов.
Методика выполнения исследований. Мололи синхронних генераторов базируются на применении теории цепей. Учет насыщения сердечников выполняется с помощью схем замещения магнитной цепи при различной степени их детализации. Исходя из схем замещения магнитной цепи получаются соотнесения, связывающие потокосцепления и токи контуров синхронной мащннн, что позволяет выполнить переход к уравнениям, близким по форме к уравнениям Парка - Горева.
Насыщение на путях могиитішх потоков рассеяния учитывается с помощью зависимостей, связывающих значения индуктивных сопро-тивлений рассеяния статора, обмотки возбуждения и демпферных контуров с токами, протекающими по соответствующим контурам.
Полученная система уравнений, дополненная нелинейными характеристикам! участков магнитной цепи, использовалась для расчета установившихся рекимов, переходных процессов, а также как основа для построения моделей системы электроснабжения для исследования статической устойчивости.
Оценка демпферных свойств ЭЭС и оптимизация настроек регуляторов возбуждения выполнялась на основе анализа корней характеристического уравнения, соответствугоего системе линсаризовзн-ных уравнений переходных ігроаоссов автономной энергосистемы. Корни находились с помощью процедуры, реализующей СП - алгоритм.
Основные научные результаты и их новизна:
-
Разработаны математические модели автономной ЭЭС, предназначенные для расчета установившихся рекимов, переходных процессов при коночных возмущениях и устойчивости при малых возму-иониях. В моделях учитывается насі;щ»ш!о стали синхронных генераторов на путях основного магнитного потека и потоков рассеяния.
-
!'!;пслн<-1ш расчеты установившихся рекимов генераторов различных типов, и мощностей. При этом выявлено значительное насыщение сталі! на пути основного потока, проявляющееся в изменении параметров магнии и ее характеристик, в том число угловых характеристик мощности.
-
выполнены расчеты типовых переходных процессов синхронного генератора средней мощности СБГ-8ОО-75О-0М4, оборудованного различными системам: возбуждения. Результаты расчетов проанализированы с двух точек зрения.
Во-первых, оценивалось влияние насыщения стали на протекание электромагнитных переходных процессов генераторов и качество регулирования напряжения при возмущениях типа коротких замыканий и толчков нагрузки. Выявлено как благоприятное влияние, выразив-
- і -
соеся в некотором снижении броскоЕ напряжения и времени его і ос-становления, так и отрицательное, проявившееся в росте величины ударного тока короткого замыкания. Отмечена необходимость повышения мощности системы возбуждения.
Во-вторых, проводился сравнительный анализ эффективности различных систем возбуждения. Наилучшие показатели качества регулирования обнаружены у тиристорной Оесщеточной системы.
4. Выполнены расчеты по определению влияния насыщения на демпфирование колебаний в случае применешія диодной бесщеточной системы возбуждения. Обнаружена повышенная вероятность возникновения колебательной неустойчивости режимов генераторов < АРВ данного типа. Для компенсации этого явления требуется специальный выбор настроек АРВ. Обнаружено некоторое увеличение степени устойчивости работы насыщенного генератора по сравнению с ненасыщенным и сильное влияние насыщения на расположение зон максимума степени статической устойчивости. Выбраны оптимальные настройки регуляторов возбуждения.
Практическая значимость работы и ее внедрение. Полученные в диссертационной работе научные положения, выводы и рекомендации, а также разработанное программное обеспечение могут быть использованы в проектных, научно-исследовательских и эксплуатационных организациях для определения запасов статической и динамической устойчивости автономных ЭЭС, качества регулирования напряжения, а также для оптимизации настроечных параметров регуляторов возбуждения. В частности* они применяются в практике конструирования синхронных генераторов средней мощности и их систем возбуждения в ЛГОО "Электросила", и при выполнении научно-исследовательских работ кафедры "Электрические системы и сети" СПбГТУ (ЛПИ) по программе "Энергосистема".
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинаре кафедры "Электрические системы и сети" СПбГТУ. (ЛПИ)-и на научно - технической конференции молодых ученых и специалистов Архангельского лесотехнического института.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 106 страниц основного текста, 14.таблиц, 6Т иллюстраций, библиографический список из 114 наименований.
