ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

Важнейшим аспектом внешней энергетической политики РАО “ЕЭС России” является организация крупномасштабного экспорта-импорта электроэнергии. До настоящего времени наибольший по объему экспорт электроэнергии из России осуществлялся в энергосистему NORDEL через несинхронную связь – Выборгскую выпрямительноинверторную подстанцию (ВИП). Для увеличения экспорта было принято решение об усилении межсистемной связи, для чего осенью 2002 г. была введена в строй третья ВЛ 400 кВ переменного тока между ОЭС Северо-Запада и NORDEL, сооружение которой дало возможность почти в полтора раза повысить объем экспортных поставок как за счет роста установленной мощности ВИП, так и путем выделения энергоблока ¹1 СевероЗападной ТЭЦ на параллельную работу с NORDEL.

С декабря 2002 г. Северо-Западная ТЭЦ работает в составе NORDEL. Этому предшествовала большая подготовительная работа, частью которой являлась оптимизация настроек систем регулирования возбуждения генераторов парогазового энергоблока (ПГУ) станции, выполненная на цифровой модели энергосистемы и проверенная при проведении системных испытаний.

Энергоблок Северо-Западной ТЭЦ представляет собой уникальную для российских условий энергетическую установку, включающую различ- ные турбины (две газовые и одну паровую). На одной из газовых турбин и паровой турбине ПГУ установлены генераторы типа ТФГ-160-2У3 и ТФП-160-2У3 соответственно с идентичными параметрами. В процессе эксплуатации генератор второй газовой турбины был заменен на генератор ТФГ-160-2МУ3, имеющий существенно отличные электрические параметры. Кроме того, генераторы газовых и паровой турбин энергоблока в отличие от западных аналогов ПГУ оснащены разнотип-

ными системами регулирования напряжения и стабилизации режимов. Вместе с тем “жесткая” схема работы Северо-Западной ТЭЦ в ОЭС СевероЗапада (пропускная способность линий, отходящих от станции, в 10 раз превышает ее установленную мощность) не позволяла оценить эффективность и согласованность функционирования систем регулирования энергоблока в более тяжелых схемно-режимных условиях.

Параллельная работа Северо-Западной ТЭЦ с NORDEL по одноцепной линии ОРУ 330 кВ СевероЗападной ТЭЦ – автотрансформатор 330/400 кВ – подстанция 400 кВ Yullikkala (Финляндия) отвеча- ет случаю работы станции на энергосистему через протяженную электропередачу, что предъявляет повышенные требования к системам регулирования мощности и напряжения. Для проверки этих систем и были проведены испытания энергоблока в составе трех параллельно работающих генераторов Северо-Западной ТЭЦ сначала на искусственно созданный протяженный транзит 330 кВ в ОЭС Северо-Запада, а затем и в системе NORDEL. Созданная искусственная схема с достаточной точностью воспроизводила реальные условия работы энергоблока в NORDEL, что позволило выполнить проверку каждой из систем регулирования по отдельности и при их совместном функционировании и получить переходные характеристики регуляторов возбуждения генераторов при подаче тестовых возмущений.

Это, в свою очередь, помогло проверить адекватность цифровых моделей регуляторов возбуждения генераторов и использовать эти модели для настройки АРВ энергоблока.

Амплитудно-частотные характеристики регуляторов возбуждения генераторов энергоблока Северо-Западной ТЭЦ. Генераторы газовых

турбин энергоблока (далее Г1 и Г2) оснащены регуляторами возбуждения PSS-ST1A фирмы Sie-

mens. Эти регуляторы функционально состоят из двух частей – регулятора напряжения и системного стабилизатора (power system stabilizer – PSS). Регулятор напряжения имеет сложную передаточ- ную функцию, реализующую пропорционально- интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования. Частотная характеристика регулятора напряжения изображена на ðèñ. 1.

На этом же рисунке построена и частотная характеристика канала по поддержанию напряжения регулятора возбуждения АРВ-СДП1 завода “Электросила” генератора паровой турбины (далее Г3). Из сравнения частотных характеристик видно, что зависимость коэффициентов усиления регуляторов напряжения от частоты имеет различный характер, что создает дополнительные сложности при согласовании настроек регуляторов.

Каналы стабилизации регуляторов Г1, Г2 и Г3 также выполнены принципиально по-разному: в качестве параметра стабилизации в регуляторе PSS-ST1A используется активная мощность генератора, а в АРВ-СДП1 – линейная комбинация частоты и производной частоты напряжения на ши-

нах генератора.

Колебательная устойчивость генераторов энергоблока Северо-Западной ТЭЦ при параллельной работе с энергосистемой NORDEL и оптимизация настроек каналов стабилизации его регуляторов возбуждения. Исследования ко-

лебательной устойчивости и расчеты динамиче- ской устойчивости при работе Северо-Западной ТЭЦ на энергосистему NORDEL были выполнены по комплексу программ EUROSTAG. Использование этого комплекса позволило осуществить адекватное моделирование регуляторов возбуждения АРВ-СДП1 и PSS-ST1A генераторов энергоблока. Цифровые модели перечисленных регуляторов были созданы с помощью встроенного в EUROSTAG редактора макроблоков. Исследования колебательной устойчивости выполнялись по изложенной в [1, 2] методике, которая предполагает проведение тестовых расчетов динамической устойчи- вости в цифровой модели энергосистемы.

В этой модели полностью отображены сети 400 и 220 кВ, а также основные электрические станции части NORDEL, представляющей энергосистему Финляндии1. Íà ðèñ. 2 показана эквивалентная схема энергосистемы. Расчетная схема содержит 46 узлов, 63 ветви и 19 эквивалентных генераторов, на пяти из которых установлены регуляторы возбуждения с системными стабилизаторами. В схеме также подробно представлен энергоблок ¹ 1 Северо-Западной ТЭЦ (три генератора с подробными моделями систем возбуждения и АРВ).

Для получения областей устойчивости при адекватном представлении регуляторов возбуждения специально была выполнена модернизация программного комплекса “Область” и осуществле-

H 2 /. &

$/ .* / $ G$

' '< &? * )' +

1 – регулятор АРВ-CДП1 Г3 (ОАО “Электросила”); 2 – регулятор PSS-ST1A Г1, Г2 (фирмы Siemens)

на его стыковка с комплексом EUROSTAG. Это позволило расчетным путем получить области устойчивости для системных стабилизаторов регуляторов возбуждения фирмы Siemens и выбрать оптимальную настройку каналов стабилизации АРВ-СДП1 Г3 с учетом настроек системных стабилизаторов Г1 и Г2.

Íà ðèñ. 3 (кривые 1 – 6 ) представлены области устойчивости Г1 (области для Г2 незначительно отличаются вследствие отличия параметров генераторов) энергоблока для различных режимов его работы – нормального режима, соответствующего выдаче номинальной мощности станции в полной схеме энергосистемы (кривые 1, 2 ), режима малого возбуждения (при незначительном приеме реактивной мощности из системы, кривые 3, 4, 6 ) и при выдаче номинальной мощности в схеме, предшествующей опыту короткого замыкания (КЗ), когда пропускная способность электропередачи, отнесенная к установленной мощности энергоблока, изменилась с 3,3 до 1,95 за счет отключения от шин 400 кВ подстанций Yullikkala и Huutokoski шунтирующих связей 220 кВ (кривая 5 ). Рабочая точка настройки 7 соответствует значению коэффициента усиления Ks в PSS – блоке системной стабилизации.

Настройка PSS осуществляется путем изменения одного коэффициента усиления – Ks, поэтому области устойчивости построены в плоскости одного параметра (вторая координата не имеет смысла). Таким образом, область устойчивости расположена на оси абсцисс и точки пересечения кривой с этой осью очерчивают границы области.

Из рассмотрения рисунка видно, что граница областей устойчивости весьма мало зависит от схемы энергосистемы. Вместе с тем, при переходе

1Исходные данные для расчетов предоставлены специалистами энергокомпании Fingrid.

генератора в режим потребления реактивной мощности эта область зависит от настройки каналов стабилизации АРВ Г3 и уменьшается при увеличе- нии интенсивности его стабилизирующего воздействия. Так, при настройке 1 (Kf = 2 äåë., K f = 2 дел.) эта область практически не отличается от области при выведенных каналах стабилизации АРВ-СДП1, а при настройке 2 (Kf = 4 äåë., K f = 4 дел.) она существенно сужается (кривые 3, 4, 6). Это предъявляет повышенные требования к выбору настройки каналов стабилизации АРВСДП1 Г3 энергоблока.

Íà ðèñ. 4 (кривые 1 – 4) показаны области устойчивости Г3 для перечисленных режимов работы энергоблока при выведенных и введенных PSS Г1, Г2. Из рисунка видно, что отсутствие PSS негативно сказывается на положении низкочастотной границы области устойчивости этого генератора (кривая 4 ), что также предъявляет повышенные требования к выбору настройки коэффициентов усиления каналов стабилизации АРВ-СДП1.

Оптимизация настройки каналов стабилизации регулятора возбуждения Г3 энергоблока выполнена расчетным путем на цифровой модели энерго-

системы NORDEL. При этом выбраны такие коэффициенты усиления, которые, с одной стороны, обеспечили бы хорошее качество демпфирования маловозмущенного движения и стабилизацию стационарного режима, а с другой, – хорошее качество демпфирования больших послеаварийных колебаний.

Расчеты показали, что при тестовых возмущениях в энергосистеме NORDEL возникают медленно затухающие колебания режимных параметров на низких частотах порядка 0,25 – 0,55 Гц. Эти колебания наблюдаются и в активной мощности по линии, связывающей Северо-Западную ТЭЦ и NORDEL. При этом было установлено, что системные стабилизаторы регуляторов возбуждения Г1 и Г2, обеспечивая хорошее демпфирование колебаний на частотах, близких к собственным ча- стотам колебаний генераторов (0,75 – 0,85 Гц), в силу выбранного параметра стабилизации практи- чески не оказывают влияния на демпфирование системных колебаний более низкой частоты. Поэтому настройка коэффициентов усиления каналов стабилизации АРВ-СДП1 была выбрана в общей части области устойчивости вблизи ее высо-

5 : )3 @ G$ < & ? * ) $ ! ) G$&

)'IJKLMN+

1 – нормальный режим; 2 – нормальный режим без стабилизации АРВ Г2; 3 – режим недовозбуждения, PSS Г3 выведена; 4 – режим недовозбуждения, настройка 1 АРВ Г3; 5 – схема опыта КЗ; 6 – режим недовозбуждения, настройка 2 АРВ Г3; 7 – горячая точка

кочастотной (безопасной) границы с учетом необходимости демпфирования системной составляющей движения. Это позволило обеспечить наилуч- шее качество демпфирования низкочастотной составляющей при удовлетворительном (но не оптимальном) качестве демпфирования колебаний на собственной частоте (настройка 2, ðèñ. 4).

Íà ðèñ. 5 è 6 построены режимные частотные характеристики генераторов энергоблока СевероЗападной ТЭЦ при его работе с номинальной загрузкой в схеме опыта КЗ при введенных и частич- но выведенных каналах стабилизации.

Из рассмотрения рисунков видно, что при выведенных PSS регуляторов возбуждения Г1 и Г2 энергоблока резко ухудшается качество демпфирования на частоте собственных колебаний этих генераторов (ðèñ. 5, кривая 1), а при выведенных каналах стабилизации АРВ-СДП1 Г3 существенно проявляется низкочастотная составляющая движения (ðèñ. 6, кривая 1). Из рисунков также видно, что выбранная комбинация настроек каналов стабилизации (сплошные кривые) обеспечивает хорошее подавление колебаний как в области низких частот, так и на частоте колебаний генераторов энергоблока.

Испытания энергоблока Северо-Западной ТЭЦ в энергосистеме NORDEL. Программа ис-

пытаний энергоблока ¹ 1 Северо-Западной ТЭЦ в энергосистеме NORDEL содержала два основных раздела:

1.Проверка правильности функционирования систем регулирования возбуждения генераторов и эффективности каналов стабилизации АРВ при малых возмущениях режима.

2.Проверка правильности и эффективности функционирования систем возбуждения при больших аварийных возмущениях.

K'f, äåë.

8 : )3 @5 G$ < & ? * ) $ ! ) G$&

)'IJKLMN+

1 – нормальный режим; 2 – режим недовозбуждения; 3 – схема опыта КЗ; 4 – схема опыта КЗ (PSS Г1, Г2 выведены); 5 – квадрат настройки; 6 – настройка 1; 7 – настройка 2

Для реализации первой части программы выполнялись специальные тестовые возмущения, заключавшиеся в подаче ступенчатого воздействия на изменение уставки генераторов по напряжению при различных настройках и различном состоянии каналов стабилизации (введены – выведены).

В качестве аварийных возмущений в энергосистеме NORDEL были выполнены опыты, связанные с коммутациями линий 400 кВ Выборг – Yullikkala и Yullikkala – Koria, коммутации шунтирующего реактора на подстанции Yullikkala, а также опыт проходящего трехфазного короткого замыкания длительностью 0,13 с на шинах 400 кВ этой подстанции.

Испытания выявили ряд особенностей регуляторов возбуждения PSS-ST1A, основной из которых является их существенно более низкое по сравнению с регулятором АРВ-СДП1 быстродействие. Это хорошо видно на ðèñ. 7, на котором показано изменение статорного напряжения Г3 и Г1 при тестовом возмущении (ступенчатое программное изменение уставки по напряжению), подава-

A, îòí. åä.

3,0

2

2,5

2,0

1

1,5

1,0

0,5

9 . 3 2 &

<F @5 G$ < &? * ) &

! ) G$) IJKLMN 2 &

'-?%+

1 – PSS Г1, Г2 – введены; 2 – PSS Г1, Г2 – выведены

A, îòí. åä

0,12

2

0,08

0,04

1

. 3 2 OPP& PQ R @ G$ < &? * ) &

! ) G$) IJKLMN 2

-?%+

1 – стабилизация АРВ Г3 введена; 2 – стабилизация АРВ Г3 выведена

емом на регулятор возбуждения Г2. Из рассмотрения рисунка видно, что это внешнее и одинаковое по отношению к Г3 и Г1 возмущение режима PSSST1A “отрабатывает” гораздо медленнее и с гораздо большим перерегулированием, чем АРВ-СДП1.

Вместе с тем, несмотря на различные структуры регуляторов возбуждения PSS-ST1A и АРВСДП1 и их существенно различные характеристики, ни в одном из экспериментов взаимного негативного влияния регуляторов обнаружено не было: при всех возмущениях, связанных с коммутациями во внешней сети, системы регулирования возбуждения энергоблока обеспечили хорошее демпфирование послеаварийных колебаний мощности по линии, которые затухали за 1 – 2 колебания. Наиболее наглядно это продемонстрировал опыт проходящего трехфазного короткого замыкания длительностью 0,13 с на шинах 400 кВ подстанции Yullikkala, выполненный в ослабленной схеме сети. На ðèñ. 8 è 9 приведены осциллограм-

U, êÂ

15,10

1

15,05

2

15,00

14,95

14,90

8 10 12 14 16 18 20 t, c

# $ /. / @ @5 G$ < &? * ) 6

'@,+

1 – Ã1; 2 – Ã3

Pã, ÌÂò

7 2 6 ) $

G$ < &? * ) 2B$ -?' ' * 0 'STUUVWWXUX+

1 – Ã1; 2 – Ã2; 3 – Ã3

мы изменения активных мощностей генераторов энергоблока и изменение перетока по линии и напряжения на шинах 330 кВ Северо-Западной ТЭЦ при этом КЗ.

Это позволяет сделать вывод о высокой эффективности выбранной настройки структуры стабилизации АРВ-СДП1 Г3, которая обеспечила хорошее демпфирование низкочастотной (системной) составляющей возмущенного движения, скомпенсировав отсутствие стабилизации этой составляющей регуляторами PSS-ST1A.

Следует отметить, что указанный дефект характерен для большинства импортных АРВ, структура стабилизации которых (по активной мощности) выбрана исходя из условий работы станции в системах с плотной электрической сетью, не содержащей слабых связей. Структура стабилизации по частоте напряжения отечественных АРВ, даже в их устаревшей на данный момент реализации, учитывает особенности российских энергосистем, характеризующихся наличием ослабленных и сильно загруженных связей.

Еще более совершенными в этом отношении представляются нелинейные структуры стабилизации современных отечественных цифровых АРВ разработки предприятий ОАО “Электросила” или НИИЭлектромаш. Опыт настройки таких регуляторов, приобретенный ОАО “НИИПТ”, в частности, при испытаниях натурных микропроцессорных регуляторов (АРВ-М) для генераторов Са- яно-Шушенской ГЭС на электродинамической модели, отражающей основные особенности работы ОЭС Сибири, полностью подтвердил отмеченное обстоятельство [3].

Выводы

Особенностью парогазового энергоблока Севе- ро-Западной ТЭЦ является оснащение его генераторов разнотипными регуляторами возбуждения,