книги из ГПНТБ / Болотин, Б. И. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций

улучшению качества электроэнергии при одиночной работе агрегата, однако обусловило снижение устойчивости при параллельной работе и в ряде случаев вызвало колебания.

Другая причина заключается в том, что не производятся расчеты устойчивости работы агрегата, как единого комплекса, включающего в себя и генератор и первичный двигатель с соответствующими систе­ мами регулирования. Не проводятся также расчеты, связанные с вы­ яснением возможности возникновения колебаний режимных парамет­ ров при параллельной работе ГА, используемых в одной электростан­ ции. Требования устойчивости параллельной работы являются обяза­ тельными и оговариваются в технических условиях на поставку агрегата, поэтому заводами производится оценка устойчивости, но де­ лается это на уже изготовленном и прошедшем испытании по одиноч­ ной работе агрегате, т. е. тогда, когда принять радикальное решение по устранению колебаний практически невозможно. Практика пока­ зывает, что особенно трудно устранить колебания, которые возникают при параллельной работе вновь проектируемых агрегатов. Устране­ ние подобных колебаний требует особо больших затрат времени и средств.

При проектировании систем автоматизации СЭС также не произ­ водится расчетов устойчивости системы в комплексе с устройствами автоматизации. Это приводит к тому, что неустойчивость системы об­ наруживается лишь при испытании САЭС и вызывает, как правило, большие материальные потери.

Книга посвящена исследованию и разработке методов расчета ко­ лебаний в САЭС, которые, независимо от их природы (неустойчи­ вость «в малом», автоколебания, вынужденные колебания), рассмот­ рены с единых позиций теории автоматического регулирования.

Вопросы статической устойчивости 1-го рода, устойчивости на­ грузки, динамической устойчивости имеют самостоятельное значение и в книге не рассмотрены.

§2. Обзор работ, посвященных устойчивости

иколебаниям в автономных электростанциях

Задачи обеспечения устойчивости параллельной работы синхрон­ ных генераторов, работающих в составе одной электростанции и при­ водимых разнородными двигателями (в том числе двигателями с не­ равномерным моментом вращения) принадлежат к тем задачам, ко­ торые в процессе развития электротехники были практически забыты. Поэтому их пришлось решать заново.

Проблема колебаний синхронных генераторов (СГ) в автономных электростанциях впервые возникла в конце прошлого века, т. е. в на­ чальной стадии развития синхронных машин.

В тот период в связи с внедрением электроэнергии в производство стал осуществляться перевод промышленного оборудования на ин­ дивидуальный привод. Для обеспечения собственных нужд в электро­ энергии предприятия стали строить электростанции, в которых обычно

11

использовалось несколько генераторных агрегатов. В качестве пер­ вичных двигателей на таких электростанциях применялись паровые машины с возвратно-поступательным движением, обладавшие боль­ шой неравномерностью развиваемого момента. Так как первые синх­ ронные генераторы соединялись со своими двигателями ременной пе­ редачей, то такая неравномерность, как правило, не вызывала коле­ баний при параллельной работе агрегатов. С ростом мощности отдель­ ных генераторов неудобства, связанные с ременной передачей, стали весьма значительными, поэтому приблизительно с начала 90-х годов прошлого столетия генераторы соединяли с первичными двигателями непосредственно, с помощью жестких муфт. Такое соединение привело к тому, что генератор оказался более чувствительным к неравномер­ ности хода первичных двигателей, в результате чего в системе парал­ лельно работающих СГ часто возникали колебания.

Исследования, проводимые в этот период как иностранными (Бушеро [59], Капп [62], Георгес [60, 61], Блондель [58], Арнольд [55] и др.), так и русскими (В. В. Дмитриев [17], Г. А. Люст [31 ]) учеными позволили установить, что в основном колебания носят резонансный характер и обуславливаются близостью частоты вынуждающих сил, действующих в системе и вызываемых неравномерностью хода пер­ вичных двигателей, к частоте собственных колебаний параллельно работающих генераторов.

В 20-х годах в связи с сооружением мощных электростанций, на которых в качестве первичных двигателей используются лишь гидрав­ лические и паровые турбины (обладающие равномерным моментом вращения), и объединением этих станций в общие энергосистемы через длинные линии передач (в нашей стране такое объединение было про­ ведено в результате выполнения плана ГОЭЛРО) вопрос колебаний синхронных генераторов, работающих параллельно в одной станции, снова утратил свою остроту. Основной проблемой стала проблема ста­ тической и динамической устойчивости параллельной работы разных станций, соединенных длинными линиями передач. Эта проблема свя­ зана с наличием относительно большого реактанса таких линий, что обуславливает передачу мощности при углах более близких к предель­ ным, при которых происходит выпадение станции из синхронизма.

Практически вся литература последующего периода, затрагиваю­ щая вопросы параллельной работы синхронных генераторов, была посвящена этой проблеме (например, монографии Крылова Н. М. и Боголюбова Е. И., Жданова П. С., Веникова В. А. и др.).

За прошедшие несколько десятилетий параллельная работа СГ, приводимых двигателями с неравномерным моментом в автономных электростанциях, не применялась и вопрос о колебаниях в таких электростанциях практически не затрагивался ни у нас, ни за рубе­ жом. Правда, в 1933 г. была опубликована статья М. Стоуна [64],

ния агрегата. Стоун показывает, что увеличение демпфирования (регулятора скорости или генератора) так же, как увеличение мо­ мента инерции, не всегда снижает амплитуду колебаний.

12

В 1935 г. была опубликована статья 1В. К- Житомирского [19], в которой рассматривалось действие вынужденных сил при параллель­ ной работе дизель-генераторов.

Начавшееся в 40-х годах внедрение на судах переменного тока при­ вело к разработке новых типов генераторных агрегатов, оснащенных автоматическими регуляторами скорости и напряжения, обладающими большим быстродействием, высокими коэффициентами усиления и чувствительностью, обеспечивавшими получение во всех режимах одиночной работы электроэнергии высокого качества. Проектирова­ лись такие агрегаты, как уже указывалось, не всегда с учетом возмож­ ной работы их в параллель. Когда потребовалось создать судовые стан­ ции, предусматривающие параллельную работу, оказалось, что неко­ торые типы генераторных агрегатов (в том числе и турбогенераторы) в параллель работать не могут из-за больших колебаний. Автомати­ зация подобных станций осложнила положение, так как внесла в си­ стему параллельно работающих генераторов новые контуры регули­ рования, которые могли оказывать определенное воздействие на устойчивость системы и обуславливать появление колебаний частоты и активной мощности.

Наличие подобных систем, так же, как и упомянутых выше регу­ ляторов, сделало проблему колебаний СГ качественно иной, чем прежде. Если ранее, в основном, колебания обуславливались дейст­ вием вынуждающих сил, то в современных САЭС природа колебаний ГА при параллельной работе стала сложнее.

Наряду с вынужденными колебаниями, в некоторых случаях воз­ никали автоколебания, комбинационные колебания, вызываемые од­ новременным действием вынужденных колебаний и автоколебаний, и пр.

Наиболее тяжелым положение оказалось в середине 60-х годов, когда выявилась невозможность из-за наличия колебаний параллель­ ной работы генераторных агрегатов некоторых типов (ДГР 100/750;

ДГР 100/1500; ДГР 150/750; ДГР 200/1500, ЗЭП-7 и др.).

В1967 г. в Ленинграде состоялось общесоюзное отраслевое сове­ щание по автоматизации дизель-генераторных агрегатов. На этом совещании были рассмотрены вопросы колебаний СГ при параллельной работе. Материалы совещания показывают всю сложность проблемы колебаний.

Подобное положение сложилось и за рубежом. Так, значительные колебания СГ наблюдались на ряде судов иностранной постройки, эксплуатируемых нашим флотом. Вследствие этого в ряде стран были начаты работы по изучению колебаний СГ.

Так, в ФРГ в 1963—1964 гг. были начаты работы по исследованию качаний СГ, связанных с изменением крутящего момента, происходя­ щего из-за режима работы топливной аппаратуры. Эти работы прово­ дились исследовательским объединением тепловых двигателей под руководством Вальтера Бенца.

В1966 г. во Франкфурте на Майне состоялся специальный коллок­ виум, посвященный проблеме колебаний СГ, в которых приняли уча­ стие представители многочисленных фирм, изготавливающих отдель­

13

ные элементы генераторных агрегатов (первичные двигатели, генера­ торы, регуляторы и т. д.).

Рассмотрим коротко основные работы последнего периода, посвя­ щенные проблеме обменных колебаний.

Следует отметить исследования иностранных ученых В. Бенца [56, 57] и Д. Румпеля [63]. Исследование колебаний дизель-генера­ торов В. Бенц проводит на основании векторной диаграммы моментов, действующих на вал агрегата со стороны дизеля и генератора. Пред­

суммарном угле, превышающем 90°) и показывает, что уменьшение обменных колебаний может быть достигнуто за счет возрастания GD2, увеличения временной степени неравномерности регулятора скорости и правильного выбора параметров демпферной клетки. Последнее, как показывает автор, позволяет значительно снизить маховые массы агрегата. Весьма интересным является предложение автора опреде­ лять параметры дизель-генераторов для построения векторных диа­ грамм с помощью частотных характеристик объекта (первичного дви­ гателя с САР частоты вращения, генератора с САР напряжения). Бенц считает нерациональным использование для исследования обменных колебаний общепринятых дифференциальных уравнений ввиду того, что учесть реальные параметры объекта не представляется возможным.

В работах Д. Румпеля исследование колебаний производится путем анализа частотных характеристик так называемого комплексного ко­ эффициента синхронизации k6, полученного из уравнений ГореваПарка. Коэффициент k6, представляя собой отношение момента к углу 6, является, по существу, ПФ генератора. Действительная часть этого коэффициента соответствует синхронизирующему моменту, мнимая— демпферному. Используя частотные характеристики этого коэффи­ циента, можно определить параметры колебательного процесса (ам­ плитуду, собственную частоту и т. д.).

Внашей стране интенсивное исследование колебаний СГ началось

всередине 60-х годов. Эти исследования основывались на известных работах Л. П. Веретенникова о переходных процессах в СЭС, а также на работах И. Д. Урусова о колебаниях синхронных машин.

В1960 г. была издана монография И. Д. Урусова [52], в которой проведен анализ свободных и вынужденных колебаний синхронных машин. Несмотря на то, что в монографии рассматривается работа ге­ нераторов на сеть бесконечной мощности и не учитывается САР ча­ стоты вращения агрегата, она явилась базой для работ большинства современных отечественных ученых.

В1965 г. были начаты серьезные экспериментальные и аналитиче­ ские исследования обменных колебаний мощности параллельно ра­ ботающих дизель-генераторов типа ДГР 100/1500 и ДГР 200/1500. Исследования, продолжавшиеся несколько лет, показали, что ос­ новной причиной колебаний является неустойчивость системы парал­ лельно работающих ДГ на некоторых режимах [50, 24]. Некоторое уменьшение колебаний было получено путем конструктивного изме­

14

нения регулятора скорости и включения емкости в блок параллельной работы, эквивалентного введению в регулятор напряжения сигнала по активной мощности. В 1966 г. были выявлены обменные колебания мощности, которые возникали при автоматической синхронизации турбогенератора и дизель-генератора мощностью 1,5 мВт. Прове­ денные аналитические исследования этого явления, а также исследова­ ния с использованием экспериментальных данных [25, 48], позволили установить его автоколебательную природу, а также причины возник­ новения и пути устранения этих колебаний.

Наиболее разносторонние экспериментальные и аналитические

Из работ последнего периода, посвященных вопросу колебаний синхронных генераторов, интересна работа [2], в которой исследуются вынужденные колебания в установившихся режимах. В этой работе предлагается метод определения допустимого значения колебаний по тепловой перегрузочной способности генератора, исследуется влияние колебаний на работу систем защиты, производится анализ возможно­ стей уменьшения колебаний путем искусственного демпфирования генератора автоматическим регулированием возбуждения по произ­ водным нагрузки. Следует отметить, что часть материала этой работы является повторением работ периода 1890—1910 гг.

В работе [46 ] дан подробный анализ явления колебаний СГ и про­ ведены экспериментальные исследования влияния САР частоты вра­ щения и напряжения на колебания. На базе подробных уравнений с помощью ЭВМ проведены аналитические исследования, позволившие автору проверить и подтвердить выдвинутые им новые гипотезы воз­ никновения колебаний (неустойчивость в малом САР напряжения,, автоколебания из-за наличия люфта в САР частоты вращения агрегата).

В статье [3 ] содержатся интересные данные об условиях устойчи­ вости параллельной работы генераторов. Оригинальный метод иссле­ дования колебаний СГ, основывающийся на положениях аналитиче­ ской динамики, предложен в работе [34].

Особо следует сказать о работе [50]. Четкое представление физики колебаний при параллельной работе дизель-генераторов, особенно в механической части системы, позволило автору получить простые математические выражения для описываемых явлений. Значительный материал монографии посвящен вопросам, связанным с природой воз­ мущений, с характером влияния на колебания параметров систем ре­ гулирования частоты вращения и напряжения. Использование авто­ ром частотных методов позволяет упростить проведение исследований. Эта монография совместно с работой [52], где более подробно рассмот­ рена электрическая часть системы, в наибольшей степени обобщают материал по колебаниям синхронных генераторов.

Менее исследован вопрос колебаний, обуславливаемых системами автоматизации СЭС. Это объясняется тем обстоятельством, что разви­ тие подобных систем началось сравнительно недавно. Можно отметить ряд работ [8, 39], в которых анализируется состояние этого вопроса, обобщается опыт колебаний в них и намечаются пути их устранения.

15.

ГЛАВА I

СУДОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ КАК ОБЪЕКТ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ.

УСТОЙЧИВОСТЬ САЭС

§3. Характеристика современных судовых электростанций

иих систем автоматизации

Судовая электростанция является единым электротехническим комплексом, предназначенным для бесперебойного снабжения потре­ бителей электрической энергией требуемого количества и качества.

В судовую электростанцию входят следующие элементы: —- источники электроэнергии (ГА);

—распределительные устройства — главный распределительный щит (ГРЩ), пульт управления (ПУ);

—устройства автоматизации.

В настоящее время в СЭС используются 3 типа ГА: турбогенера­ торы (ТГ), газотурбогенераторы (ГТГ) и дизель-генераторы (ДГ). Для их пуска, контроля режимов и остановки разработаны и вне­ дрены в производство системы дистанционного автоматического уп­ равления (ДАУ).

п р я ж е н и я и ч а с т о т ы в р а щ е н и я .

В качестве систем регулирования напряжения на судовых генера­ торах применяются в основном статические системы амплитудно-фа­ зового компаундирования с корректорами, т. е. комбинированные (двухимпульсные) системы с воздействием по возмущению (току) и отклонению регулируемой величины (напряжению).

В качестве систем регулирования частоты вращения первичных двигателей используются статические системы с воздействием по от­ клонению. В последнее время в связи с ужесточением требований к точности поддержания частоты в статических и динамических ре­ жимах разработаны и внедряются комбинированные (двухимпульсные) системы регулирования частоты вращения с воздействием по отклоне­ нию частоты вращения и по возмущению.от нагрузки. Применение таких регуляторов позволило добиться значительного повышения качества переходных процессов и точности работы ГА в статических режимах. Однако возможность получения большей точности ограни­ чена нечувствительностью механического измерителя частоты враще­ ния и отсутствием обратной связи по регулируемой координате (ча­ стоты вращения) в контуре воздействия по нагрузке. Вследствие этого

16

ного генераторного агрегата, которая выводит агрегат на заданную частоту вращения. По достижении частоты вращения 90—95% номи­ нального значения производится возбуждение генератора. На этом запуск агрегата считается законченным. (Аналогичную операцию устройство УВР осуществляет также и при длительном снижении напряжения до величины 50—60% номинального значения.) Кроме того, при снижении нагрузки на электростанции до заданной величины устройство УВР отключает резервный агрегат.

По окончании запуска частота вращения агрегата с помощью системы автоматической синхронизации, использующей устройства типа УСГ-1П или УСГ-35, подгоняется к частоте вращения работаю­ щего (базового) агрегата. Сигнал на включение генераторов на па­ раллельную работу подается синхронизатором только в том случае, если разность частот и разность напряжений находится в заданных пределах. Подача сигнала производится с заданным временем опере­ жения, учитывающим время срабатывания автомата таким образом, чтобы замыкание контактов автомата происходило в нуле огибающей биений, что соответствует совпадению векторов э. д. с. генераторов. После введения ГА в параллель синхронизатор отключается.

Одновременно с замыканием контактов автомата синхронизации

ройств УРЧН (УРМ-35) производит пропорциональное распреде­ ление активной нагрузки между параллельно работающими агрега­ тами совмещением статической характеристики подключаемого агре­ гата с характеристикой базового агрегата, (т. е. воздействует на ме­ ханизм управления частотой вращения первичного двигателя). Эта система остается включенной постоянно и корректирует распределе­ ние нагрузки во всех режимах параллельной работы.

Постоянно включена также и с и с т е м а р е г у л и р о в а н и я ч а с т о т ы , использующая прибор типа ПРЧ, который позволяет с высокой точностью поддерживать частоту на всех режимах незави­ симо от внешних условий. Кроме того, система воздействует на меха­ низм управления частотой вращения, производя соответствующее смещение механической характеристики базового агрегата. Исполь­ зование этой системы без системы автоматического распределения активной нагрузки при параллельной работе синхронных генерато­ ров невозможно, так как, перемещая статическую характеристику базового агрегата, она тем самым производит перераспределение ак­ тивных нагрузок. Следовательно, для того чтобы пропорционально распределить нагрузки при новом положении статической характери­ стики базового агрегата, необходимо совместить с ней характеристики остальных параллельно работающих агрегатов.

При переходе станции к более напряженному режиму происходит включение еще одного резервного агрегата (в той же последователь­

18

(в заранее заданной последовательности) отключение части неответст­ венных потребителей электростанции при перегрузке генераторных агрегатов (либо по полному, либо по активному току).

Если на судне имеется две электростанции, то в случае недопусти­ мого уменьшения частоты или напряжения в одной из них ответствен­ ные потребители могут переключаться на питание от другой электро­

вого фидера используется устройство автоматической защиты от об­ рыва фазы и снижения напряжения типа ЗОФН, которое производит отключение в случае обрыва фазы и подает световой сигнал или зву­ ковой сигнал при снижении напряжения фидера берега сверх допу­ стимой величины.

Для контроля состояния электростанции используется система световой сигнализации с устройством типа УС (мигающий свет) и си­ стема световой и звуковой сигнализации с устройством типа УЗС. К группе контролирующих устройств принадлежит и устройство кон­ троля сопротивления изоляции типа УКИ (ПКИ), которое предназна­ чается для непрерывного контроля сопротивления изоляции сетей переменного тока. При уменьшении сопротивления изоляции до зна­ чения, определяемого сопротивлениями уставок, происходит сраба­ тывание световой и звуковой сигнализации.

Таким образом, современная САЭС с точки зрения управления процессом производства и распределения электрической энергии оп­ ределенного качества и количества может быть разделена на следую­ щие основные части [20]:

1.Объект управления, включающий в себя ГА.

2.Управляющая часть комплекса, которая своими устройствами осуществляет автоматическое регулирование режимных параметров генераторных агрегатов (напряжения, частоты, распределения ак­

тивной нагрузки и т. д.) и управление структурной цепи главного тока (т. е. системой распределения электроэнергии).

3. Управляющая часть комплекса, с помощью которой осущест­ вляется ручное управление режимными параметрами генераторных агрегатов (изменение уставок по частоте, напряжению и т. д.) и структурой цепи главного тока. Для этого оператор считывает инфор­ мацию о состоянии СЭС; осуществляет ее переработку, на основании которой (в соответствии с инструкцией) принимает решение; реали­ зует принятое решение управляющими воздействиями (через органы управления) на объект управления (на источники, распределительную систему или потребители).

Оценивая функции рассмотренных выше устройств и созданных на их базе систем, можно отметить, что по своему воздействию на элек­ тростанцию они могут быть разделены на две группы.