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

В первую группу могут быть включены все устройства (системы), воздействующие на структуру цепи главного тока (т. е. на систему распределения электроэнергии), на потребителей и на сигнализацию. К этой группе относятся устройства: УВР, УРГ (УТЗ), УСГ, УПП, ЗОФН, УКИ, УЗС и т. д.

Во вторую группу могут быть включены все устройства (системы), осуществляющие автоматическое регулирование режимных парамет­ ров ГА: САР частоты вращения первичных двигателей (САРС); САР напряжения генераторов (САРН); система автоматического распреде­ ления реактивной мощности; система автоматического распределения активной мощности (САРАМ), использующая устройства типа УРЧН или УРМ-35; система автоматического регулирования частоты (САРЧ), использующая устройство типа ПРЧ.

Несмотря на то, что обе эти группы образуют на первый взгляд одинаковые замкнутые контуры, воздействующие на электростанцию, между ними существует принципиальная разница.

Системы с устройствами первой группы не контролируют резуль­ татов своего воздействия (т. е. не имеют обратных связей) и потому

зультатов своего воздействия (т. е. имеют обратные связи по регули­ руемым режимным параметрам) и потому являются замкнутыми си­ стемами, которые могут обуславливать колебания в САЭС.

Таким образом, при исследовании устойчивости работы САЭС и изучении колебаний в них должно оцениваться влияние именно этих систем и устройств.

§ 4. Особенности параллельной работы генераторов в СЭС

Режим параллельной работы ГА в судовых условиях имеет сущест­ венные отличия от режима параллельной работы агрегатов и станций в береговых условиях. Вместе с тем эти отличия, оказывающие основ­ ное влияние на устойчивость работы систем, не нашли достаточно чет­ кого отражения в существующей литературе.

Рассмотрим условия обеспечения статической устойчивости 1-го рода при работе береговых и судовых электростанций.

Как известно, в настоящее время отдельные береговые электро­ станции объединяются в большие системы, причем между станциями существуют протяженные линии электропередач, обладающие значи­ тельными реактивными сопротивлениями хл.

В принципе возможные схемы параллельной работы станций (агре­ гатов) в береговых условиях могут быть сведены к трем схемам [35]:

— схема «станция—шины» неизменного напряжения и частоты с простой связью (рис. I. 1, а), т. е. при отсутствии на электропере­ даче, связывающей эту станцию с приемной системой, промежуточных

20

—схема «станция—шины» неизменного напряжения и частоты со сложной связью (рис. 1.1, б), т. е. при наличии на электропередаче местных или промежуточных отборов мощности;

—схема «станция—станция» в общем случае со сложной связью

(рис. 1.1, в) при Р-с~ < 10.

Р1

Общим для всех этих схем является наличие реактивного сопро­ тивления линии электропередачи хл, которое вносит определенную особенность в расчеты, играет существенную роль в вопросах устой­ чивости параллельной работы береговых систем.

Эта особенность может быть обнаружена при рассмотрении наибо­ лее простого случая работы генератора на шины неизменного напря­ жения и частоты в береговых и судовых условиях (в соответствии с рис. 1.1, а).

Рис. 1.1. Возможные схемы параллельной работы ГА в береговых условиях: а — схема «станция—шины» неизменного напряжения и частоты с простой связью; 6 — схема «станция—шины» не­ изменного напряжения и частоты со сложной связью; в — схема «станция—станция» со сложной связью

Как известно, в судовых условиях реактивное сопротивление ли­ нии передач мало и может быть принято по отношению к сопротивле­ нию xd генератора равным нулю. В этом случае отдаваемую генерато­ ром активную мощность при неучете явнополюсности можно опреде­ лить по известной формуле:

э. д. с. Ed и напряжением и сети бесконечной мощности.

Как показано в работе [15], при передаче номинальной нагрузки угол 61ном в этих условиях (при хл = 0) составляет 10—25°.

Предел передаваемой генератором мощности (максимальная мощ­ ность, которая может быть передана генератором без выпадения его из синхронизма), определится из известного условия бг = 90°, т. е.

21

Запас устойчивости kcl этой системы при условии, что Ел — const, равен [19]:

В береговых условиях (при хл ф 0) активная мощность, передавае­ мая генератором, может быть определена по формуле

В современных энергосистемах угол 62 при передаче генератором

Таким образом, отсутствие длинных линий передач 'в СЭС обеспе­ чивает для этих станций, в отличие от береговых станций, большой запас статической устойчивости 1-го рода.

Практически вопрос о статической устойчивости 1-го рода для СЭС не ставится также в силу того обстоятельства, что в нормальных ре­ жимах работы ГА, применяемые в СЭС, имеют в соответствии с техни­ ческими условиями ограничение по моменту, развиваемому первичным двигателем, лежащее в пределах (1,3 ч- 1,35) Мном. Следовательно, предельная мощность, которая может быть получена от судового ГА, в нормальных режимах не может быть больше Р тах = 1,1 ч- 1,35 Р ном,

Таким образом, вопрос статической устойчивости 1-го рода явля­ ется определяющим только в береговых электростанциях в силу ма­ лого запаса устойчивости. Правда, применение сильного регулиро­ вания возбуждения (увеличение Ed в соответствии с возрастанием нагрузки, вследствие чего, как видно из формулы (1.2), прежнее зна­ чение мощности может передаваться при меньшем угле) повышает коэффициент запаса устойчивости 1-го рода, но приводит к уменьше­ нию запаса устойчивости 2-го рода, так как увеличивает коэффициент усиления системы по контуру возбуждения.

22

нием производных для форсировки возбуждения с целью удержания ГА в синхронизме при сильных возмущениях.

Неправильный выбор закона регулирования, обеспечивая устой­ чивость 1-го рода, может привести к колебательной неустойчивости системы [35, 38].

Для СЭС вопрос обеспечения устойчивости 2-го рода связан с по­ вышением требований к точности регулирования. Действительно, од­ ной из специфичных особенностей СЭС является соизмеримость мощ­ ностей ГА и потребителей. Поэтому в системе при включении и отклю­

меримо больше мощности отдельных потребителей, поддержание ча­ стоты и напряжения, как правило, не требует таких больших коэффи­ циентов усиления и быстродействия.

Значительную роль в возникновении колебаний в системе играют возмущающие силы, действие которых, в зависимости от их происхож­ дения, сказывается или на моменте, развиваемом первичным двигате­ лем, или на электромагнитном моменте.

В береговых электростанциях в качестве ГА применяются в настоя­ щее время агрегаты, обладающие при нормальных условиях работы вполне равномерным моментом вращения. Для береговых систем ха­ рактерно также использование на электростанции только однотип­ ных ГА.

Таким образом, результирующий двигательный момент, развивае­ мый первичными двигателями береговой электростанции, равномерен. Вынуждающие силы со стороны первичных двигателей отсутствуют. Электромагнитный момент у береговых систем в силу несоизмеримо­ сти в большинстве случаев мощности электростанции и отдельных по­ требителей не содержит периодических возмущений, частота которых была бы соизмерима с собственной частотой колебаний системы. По­ этому в береговых энергетических системах практически отсутствуют колебания, обуславливаемые действием вынужденных сил как со сто­ роны нагрузки, так и со стороны первичных двигателей (за исклю­ чением некоторых аварийных режимов, например, асинхронного хода).

Работа судовых электростанций существенно отличается. Для СЭС характерно широкое применение дизель-генераторов, обладающих неравномерным моментом вращения. Кроме того, из-за соизмеримо­ сти мощностей агрегатов в СЭС с мощностью отдельных потребителей имеются периодические возмущения со стороны нагрузки при работе импульсных потребителей, в режиме погрузо-разгрузочных работ и т. д. Поэтому практически в каждой СЭС, предусматривающей па­ раллельную работу ГА (особенно дизель-генераторов), присутствуют вынужденные колебания, амплитуда которых определяется близостью частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний системы.

23

Характерным для СЭС является также применение разнотипных ГА с резко отличающимися моментами инерции. При внезапных из­ менениях режимных параметров СЭС с такими ГА (например, при из­ менениях нагрузки) имеет место относительное движение роторов па­ раллельно работающих ГА. Эти свободные колебания системы про­ должаются определенное время, зависящее от демпфирования си­ стемы.

§ 5. Характеристика колебательных процессов в САЭС

Практика испытаний современных САЭС показывает, что колеба­ тельные процессы в них разнообразны и встречаются часто. Колеба­ ния могут происходить на всех режимах работы САЭС и обуславли­ ваться действием любой системы автоматического регулирования, а также некоторыми другими факторами.

Чтобы показать разнообразие колебательных явлений в САЭС и сложность их устранения, рассмотрим несколько типичных случаев колебаний, с которыми авторам приходилось сталкиваться при испы­

—изменением передаточного числа механизма управления часто­ той вращения первичного двигателя, благодаря чему снижался темп изменения частоты вращения (например, в одной из систем для полу­ чения устойчивой работы темп изменения частоты вращения был сни­ жен с 2 до 1% 1/с);

—уменьшением коэффициента усиления и расширением зоны не­ чувствительности магнитного усилителя. При этом не всегда можно было обеспечить требующуюся точность распределения активных на­

грузок.

Колебания мощности, обусловленные действием САРАМ.с устрой­ ствами УРМ-35, имели место при испытании параллельной работы газотурбогенераторов мощностью 1,5 и 0,6 мВт (рис. 1.3). Амплитуда колебаний в этом случае составляла 40%, а частота 0,3 Гц.

Колебания были устранены путем изменения начала импульсного регулирования УРМ-35 с 10 до 20% рассогласования по активной мощ­ ности. Такое изменение равносильно уменьшению коэффициента уси­ ления в системе непрерывного действия.

Характерным для этого вида колебаний является то, что они со­ провождаются, как правило, колебаниями реактивной мощности (мень­ шей амплитуды) и тока возбуждения с той же частотой.

Колебания частоты, сопровождающиеся колебаниями активной мощности при действии систем с устройствами типа УРЧН (УРМ) и ПРЧ. Такие колебания наблюдались при параллельной работе ТГ и

24

Рис. 1.2. Осциллограмма колебаний активной мощности при действии САРАМ с устройством УРЧН

Апе=0,085Гц 4 рк=0

,^Ап15=0,11Гц

Рис. 1.3. Осциллограмма колебаний активной мощности при действии САРАМ с устройством УРМ-35

26

'Рггуцтах-ЗЗгкВт ^Ргтм5т1^ЩкВт

Ягт.Уб *=50ГLf

/

\ П-ГТ.У15 =50Гц

1сА (ПРЧ) 1са (УРМ-35)

/

Рис. 1.5. Осциллограмма колебаний частоты и активной мощности при действии САРЧ с устройством ПРЧ и САРАМ с устройством УРМ-35

ts9

ОС

Рис. 1.6. Осциллограмма колебаний реактивной и активной мощности при параллельной работе ГА, обусловленных дей­ ствием систем регулирования возбуждения

Тщательная настройка систем регулирования напряжения, свя занная с более точным совмещением внешних характеристик генера­ торов, при котором распределение реактивной нагрузки не превышало допустимой по техническим условиям (т. е. 12%), позволила снизить амплитуду колебаний. Полностью колебания были устранены в ре­ зультате уменьшения коэффициента усиления магнитного усилителя корректора напряжения.

Колебания, обусловленные системой регулирования напряжения, были отмечены в период испытаний турбогенераторов ТД-1000, а также при испытании газотурбогенераторов мощностью 1,5 и 0,6 мВт. Во всех случаях частота колебаний была относительно низкой (менее 1Гц), амплитуда колебаний реактивной мощности не превышала 20—30% номинальной мощности наиболее маломощного агрегата, ра­ ботающего параллельно. Устранение колебаний было достигнуто в пер­ вом случае изменением знака обратной связи магнитного усилителя, а во втором — более точным совмещением внешних характеристик генераторов.

проведения специальных экспериментальных и аналитических иссле­ дований, имел место при стендовых испытаниях параллельной работы турбогенератора и дизель-генератора мощностью 1,5 мВт. Колебания возникали лишь при резких возмущениях (сбросах-набросах предель­ ных нагрузок, синхронизации с положительным скольжением «сверху» ненагруженного агрегата с нагруженным при разности частот более

синхронизации нагруженного на 1200 кВт турбогенератора с дизельгенератором, работающим на холостом ходу при разности частот син­ хронизируемых генераторов 0,3 Гц.

Как видно из рисунка, частота колебаний активной мощности со­ ставляет 4,3 Гц, амплитуда колебаний равна примерно половине сум­ марной мощности (600 кВт). Амплитуда колебаний скорости дизельгенератора Дпдг составляет 1,1%. Амплитуда колебаний частоты вра­ щения топливных насосов соответствует изменению подачи топлива в статических режимах при изменении мощности на 600 кВт.

Для выяснения причин колебаний ГА была проведена проверка параллельной работы каждого из агрегатов с заводской сетью в раз­ ных условиях синхронизации.

Параллельная работа ТГ с сетью при любых режимах синхрониза­ ции протекала устойчиво. Синхронизация ДГ с сетью происходила удовлетворительно, когда его частота была ниже частоты сети. В слу­ чае, когда частота ДГ была больше частоты сети и превышала 0,3 Гц, возникали колебания. На рис. 1.8 представлена осциллограмма этих колебаний.

29