Управление сильноточными тиристорными преобразователями систем самовозбуждения синхронных генераторов при коротких замыканиях в энергосистеме и отказах параллельных вентильных ветвей
На правах рукописи
Горшков Константин Евгеньевич УПРАВЛЕНИЕ СИЛЬНОТОЧНЫМИ ТИРИСТОРНЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ СИСТЕМ САМОВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ И ОТКАЗАХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВЕНТИЛЬНЫХ ВЕТВЕЙ Специальность 05.09.12 – «Силовая электроника»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Челябинск – 2013
Работа выполнена на кафедре «Электрические станции, сети и системы» ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) Научный руководитель – Гольдштейн Михаил Ефимович, кандидат технических наук, профессор.
Официальные оппоненты: Цытович Леонид Игнатьевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО ЮУрГУ (НИУ), заведующий кафедрой «Электропривод и автоматизация промышленных установок»;
Гайнуллин Ришат Рафкатович, кандидат технических наук, ЗАО «Комплексные энергетические системы» – КЭС Холдинг (г. Москва), главный специалист электрик.
Ведущая организация – ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» (г. Екатеринбург).
Защита диссертации состоится 14 февраля 2013 г., в 10 часов, на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при ФГБОУ ВПО «Южно Уральский государственный университет» (НИУ) по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, аудитория 1001.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.
Автореферат разослан «» 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор Ю.С. Усынин
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Сегодня многие синхронные генераторы (СГ) оснащаются цифровыми системами самовозбуждения (ССВ) с сильноточными тиристорными преобразователями (ТП) с несколькими параллельными вен тильными ветвями в каждом плече. Отказ параллельных ветвей в таком преоб разователе снижает его нагрузочную способность, что приводит к ограничению режимов работы синхронного генератора и, в ряде случаев, запрету на форси ровку при коротких замыканиях (КЗ) в энергосистеме. В связи с тем, что фор сировка генератора это основное, а часто и единственное средство восстанов ления напряжения при КЗ в энергосистеме, снижение ограничений и повыше ние эффективности работы преобразователей ССВ с целью сохранения функ циональных возможностей синхронных генераторов в таких режимах является актуальной научно-технической задачей.
Работа синхронного генератора в режиме форсировки нормируется крат ностью форсировки по напряжению и току ротора, а также длительностью фор сировки. Эти параметры взаимосвязаны и у генераторов с самовозбуждением зависят от вида и удаленности КЗ, числа параллельных ветвей в плечах, алго ритма управления плечами и способа синхронизации системы импульсно фазового управления тиристорами с напряжениями питающей сети. Поэтому исследование взаимосвязи этих параметров с учетом перечисленных факторов с использованием возможностей микропроцессорного управления создает пред посылки для разработки эффективных алгоритмов управления тиристорным преобразователем, снижающих ограничения на форсировку генератором внеш них КЗ при отказах параллельных вентильных ветвей.
Вопросами расчета и анализа режимов работы синхронных машин с вен тильными системами возбуждения в разное время занимались А.А. Горев, В.А. Веников, С.А. Ульянов, А.А. Ковач, Е.Я. Казовский, И.П. Крючков, А.А. Юрганов, А.С. Куцик, А.Х. Есипович, Е.К. Лоханин и др., а в работах И.А. Глебова, А.А. Виноградова, В.Я. Вейгандта, В.С. Костелянца, Б.Н. Абра мовича, О.Г. Плахтины, А.Г. Логинова, А.И. Федотова и др. синхронные гене раторы анализируется и в совокупности с их вентильными системами самовоз буждения. Однако в этих работах ограничения кратности форсировки по току возбуждения СГ при отказах параллельных вентильных ветвей не рассматри ваются во взаимосвязи с кратностью по напряжению и допустимой длительно стью форсировки. Поэтому для исследования возможности снижения этих ограничений первоначально следует создать математическую модель, связыва ющую электротепловые процессы в тиристорном преобразователе ССВ с элек тромагнитными переходными процессами в обмотках СГ, а затем на ее основе разработать эффективные алгоритмы управления тиристорным преобразователем.
Цель работы – сохранение функциональных свойств сильноточных ти ристорных преобразователей систем самовозбуждения синхронных генерато ров при коротких замыканиях в энергосистеме и отказах параллельных вен тильных ветвей путем повышения эффективности управления тиристорами.
Идея работы – разработка эффективных алгоритмов управления сильно точными тиристорными преобразователями систем самовозбуждения синхрон ных генераторов с микропроцессорным управлением при отказах параллельных вентильных ветвей на основе исследования взаимосвязи допустимых кратно стей форсировки по напряжению и току с допустимой длительностью форсиро вания при разных способах управления тиристорами и разных видах КЗ в энер госистеме.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту 1. Показана целесообразность перераспределения длительностей работы плеч сильноточного тиристорного преобразователя системы самовозбуждения, а также изменения способа синхронизации системы импульсно-фазового управ ления тиристорами при форсировке синхронным генератором внешних КЗ с от казом параллельных вентильных ветвей. При этом обеспечивается снижение нагрева тиристоров, оставшихся в работе.
2. Уравнение внешней характеристики тиристорного преобразователя ССВ при форсировке синхронным генератором внешних КЗ, учитывающее вид и удаленность внешнего КЗ, схему и группу соединения обмоток преобразова тельного трансформатора, режим работы преобразователя, способ управления ти ристорами и способ синхронизации системы импульсно-фазового управления.
3. Математическая модель, связывающая электротепловые процессы в сильноточном тиристорном преобразователе системы самовозбуждения при от казах параллельных вентильных ветвей с электромагнитными процессами в синхронном генераторе, особенностью которой является учет влияния на работу преобразователя способов управления тиристорами и коротких замыканий в энер госистеме.
4. Алгоритмы управления сильноточным тиристорным преобразователем системы самовозбуждения при отказах параллельных вентильных ветвей, отли чающиеся учетом числа ветвей, оставшихся в работе, их параметров, а также уче том распределения длительностей работы плеч, вида и удаленности КЗ, и обеспе чивающие форсировку либо нормируемой длительности при ограничении кратно сти по току, либо нормируемой кратности по току при сокращении длительности.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов под тверждается аргументированностью принятых допущений и исходных посылок, вытекающих из основ электротехники и силовой электроники, корректным при менением известных моделей элементов и методов расчета исследуемых цепей, проверкой корректности и адекватности полученных уравнений и соотношений в средах научного моделирования NI LabVIEW, Simulink (MATLAB), MathCAD.
Научная новизна работы 1. Предложен способ перераспределения нагрузок и температур нагрева вентилей сильноточного тиристорного преобразователя, позволяющий снизить тепловые потери и нагрев тиристоров, оставшихся в работе при отказах парал лельных вентильных ветвей в плече, посредством целенаправленного несим метричного управления плечами.
2. Предложен способ снижения нагрузок и температур нагрева вентилей тиристорного преобразователя при форсировке синхронным генератором несимметричных КЗ, обеспечивающий нормируемую форсировку при отказах «резервных» вентильных ветвей в плечах преобразователя за счет изменения способа синхронизации системы импульсно-фазового управления тиристорами с напряжениями питающей сети.
3. Получены аналитические выражения для внешней характеристики ТП ССВ, длительностей работы его плеч и кратности форсировки по напряжению синхронного генератора, обобщенные для различных видов и удаленностей внешних КЗ, схем и групп соединения обмоток преобразовательного трансфор матора, способов синхронизации системы управления тиристорами с напряже ниями питающей сети, симметричного и несимметричного управления плечами преобразователя ССВ.
4. Разработана математическая модель, включающая синхронный генератор и сильноточный тиристорный преобразователь системы самовозбуждения, на ос нове совместного аналитического решения системы дифференциальных уравне ний Парка-Горева с уравнением обобщенной внешней характеристики ТП ССВ, учитывающая электротепловые процессы в преобразователе и алгоритмы управ ления им при КЗ в энергосистеме и отказах параллельных вентильных ветвей.
Практическое значение работы 1. Разработаны эффективные алгоритмы управления сильноточным тири сторным преобразователем системы самовозбуждения синхронного генератора при форсировке внешних КЗ, сопровождающихся отказами параллельных вен тильных ветвей, обеспечивающие работу генератора при значительно меньших функциональных ограничениях по сравнению с требованиями, регламентиро ванными ГОСТ.
2. Показан положительный эффект, достигаемый реализацией предлагае мых алгоритмов, на примере анализа работы блока ТГВ-200-2М Челябинской ТЭЦ-3 на математической модели синхронного генератора с тиристорной си стемой самовозбуждения при различных видах и удаленностях внешних КЗ в случае отказа параллельных вентильных ветвей в ТП ССВ.
3. Интеграция полученной математической модели синхронного генера тора с тиристорной системой самовозбуждения в программные комплексы рас чета токов КЗ позволяет в ряде случаев отказаться от применения широко распро страненного метода типовых кривых при расчете токов КЗ для произвольных моментов времени и тем самым повысить функциональность таких программ.
Реализация результатов работы Получены положительные решения о применении разработанных алго ритмов и их реализации при модернизации систем возбуждения турбогенерато ров мощностью 200 МВт на Челябинской ТЭЦ-3 ОАО «Фортум» и при рекон струкции систем возбуждения турбогенераторов мощностью 300 и 500 МВт на Троицкой ГРЭС ОАО «ОГК-2». Материалы диссертации используются в учеб ном процессе в дисциплинах «Электромагнитные переходные процессы», «Вентильные системы возбуждения синхронных генераторов» и «Системы электроэнергетики с силовыми полупроводниковыми преобразователями».
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы доложены, рассмотрены и одобрены на конференциях: Международная конференция «Электроэнергетика и Автоматизация в металлургии и машиностро ении» (г. Магнитогорск, АНО «Персонал», 22–24 октября 2008 г.), IV Всероссий ская научно-практическая конференция с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, ТГУ, 12– 15 мая 2009 г.), XV Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, ТПУ, 4–8 мая 2009 г.), I Научная конференция аспирантов и докторантов Южно-Уральского государственного университета (г. Челябинск, ЮУрГУ, 27–30 апреля 2009 г.), XVI Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (г. Томск, ТПУ, 12–16 апреля 2010 г.), Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, УрФУ, 17–19 ноября 2010 г.), III Международная научно-техническая конференция глазами молодежи» «Энергетика (г. Екатеринбург, УрФУ, 22–26 октября 2012 г.), ежегодные научно-технические конференции профессорско-преподавательского состава ЮУрГУ (2007–2012 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, из них 5 в реферируемых изданиях ВАК, также получено 2 свидетельства на реги страцию программных разработок для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 238 наименований и 13 приложений.
Основной материал содержит 261 страницу машинописного текста, 110 иллю страций, 5 таблиц. Общий объем работы составляет 316 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассматриваются особенности управления тиристорным возбуждением синхронных генераторов в режиме форсировки при отказах па раллельных вентильных ветвей. Анализируются требования, предъявляемые ГОСТ 215-58.2000 и международным стандартом IEC 60034-16 к управлению цифровыми системами самовозбуждения турбогенераторов с сильноточными тиристорными преобразователями при КЗ в энергосистеме. Выявляются осо бенности работы сильноточных ТП при разных видах внешних КЗ генератора.
Оценивается влияние вида и удаленности КЗ на величину кратности форсиров ки по напряжению генератора и токораспределение между плечами ТП ССВ.
Выявлено, что, во-первых, при форсировке генератором близких несиммет ричных КЗ возможен перегрев тиристоров при отказе даже одного («резервного») вентиля в плече, когда длительность его проводящего интервала превышает нор мируемую из-за несимметрии переменных напряжений. Во-вторых, показано, что положение ГОСТ о полном запрете на форсировку напряжения на выводах СГ при отказе двух и более параллельных ветвей в одном плече ТП ССВ не обосно вано, если длительность форсировки не превышает времени нагрева тиристоров до предельно допустимых температур. В-третьих, установлено, что ГОСТ не учи тывает возможность форсировки с отказом параллельных вентильных ветвей в плечах ТП ССВ при фактических кратностях по току ротора и длительностях фор сирования меньше нормируемых. В связи с этим сделан вывод о необходимости разработки более эффективных алгоритмов управления тиристорным преобразо вателем, учитывающих его реальную нагрузочную способность и расширяющих применение форсировки при отказах параллельных вентильных ветвей.
Для этого выделены основные факторы, влияющие на нагрев ТП ССВ.
Это число параллельных ветвей в плечах преобразователя, их параметры и спо соб охлаждения, распределение длительностей работы плеч за период, вид, удаленность и длительность форсируемого КЗ, предшествующий замыканию режим работы СГ. Также определены способы снижения нагрева и пути предотвращения перегрева ТП ССВ в процессе форсировки.
Предложено: перераспределять длительности работы плеч при отказе двух и более тиристоров в одном плече путем целенаправленного несиммет ричного управления плечами;
при форсировке несимметричных КЗ с отказом только одной («резервной») параллельной ветви в плече снижать длительность его работы, меняя способ синхронизации системы управления тиристорами (СУТ) с напряжениями питающей сети;
ограничивать кратность форсировки по току ротора при отказах параллельных вентильных ветвей до величины, обес печивающей ее нормируемую длительность, либо сокращать длительность форсировки с нормируемой начальной кратностью по току ротора до величины предельно допустимой по условию нагрева тиристорного преобразователя.
Разработка алгоритмов управления на основе этих принципов требует ис следования взаимосвязи кратности форсировки по напряжению и току ротора с допустимой длительностью при разных способах управления тиристорами и может быть выполнена на математической модели, связывающей электро тепловые процессы в тиристорном преобразова теле ССВ с электромагнитными переходными процессы в обмотках СГ. Для этого определены (n) K требования к такой модели, выполнен анализ существующих моделей и сформулирован под ход, отвечающий поставленной задаче. Он предполагает аналитическое решение системы дифференциальных уравнений СГ с уравнением внешней характеристики ТП ССВ, обобщенной ТБ для разных видов и удаленностей КЗ генератора и возможных способов управления тиристора ми, с учетом электротепловых процессов в пре образователе. В соответствии с выбранным под ТСВ ходом сформулированы задачи и определена методология дальнейшего исследования.
Во второй главе исследуется взаимосвязь СГ параметров режима системы самовозбуждения и ТП ее тиристорного преобразователя при разных способах управления тиристорами. Для блока Рис. 1. Электрическая схема генератор-трансформатор, изображенного на блока генератор-трансформатор рис. 1, с применением метода симметричных со (СГ – синхронный генератор;
ставляющих в аналитической форме получены ТБ – трансформатор блока;
ТСВ – трансформатор системы выражения для переменных напряжений тири возбуждения;
ТП – тиристорный сторного преобразователя ССВ при разных ви преобразователь) дах КЗ (n) за повышающим трансформатором блока, а также уравнение обобщенной внешней x ( n ) характеристики ТП ССВ, выражения для кратно сти форсировки по напряжению СГ и длительно- xвн.(1) стей работы плеч ТП при разных видах и удален ностях КЗ, способах управления тиристорами xm (симметричном, несимметричном, несимметрич xвн.) (n ном пофазном) и способах синхронизации СУТ с напряжениями питающей сети.
Схема замещения прямой последовательно сти блока генератор-трансформатор при КЗ вида n x K тсв (1) приведена на рис. 2. На схеме СГ представлен d сверхпереходными параметрами E A и xd, повы шающий трансформатор блока и преобразова- E xтсв A тельный трансформатор системы возбуждения ( ) U An(1) (ТСВ) – соответственно сопротивлениями xт и xтсв, а цепь, отделяющая выводы СГ от точки КЗ, Рис. 2. Схема замещения блока (n ) генератор-трансформатор – внешним сопротивлением x, получаемым вн.
прямой последовательности суммированием эквивалентного сопротивления прямой последовательности всех ее элементов xвн.(1) с добавочным сопротивле нием x ( n ), зависящим от вида замыкания.
В соответствии с рис. 2 и схемой замещения обратной последовательно сти выражение для линейных напряжений на вводах ТП ССВ при произвольной схеме и группе соединения обмоток ТСВ, задаваемой как «+N» для схем соеди нения обмоток Y/Y и Y/ и «–N» для схемы /Y, имеет вид:
U л = U л e j л, (1) ( xвнn.) + k ( n ) x2 ) ( 4 xвн.) k ( n ) x2 sin 2 л (n Eг x(n) + k (n ) x л = л arctg вн.) ( n ) 2 ctg л ;
где U л = ;
K тcв ( xd + xвн.) ) (n ( n xвн. k x2 ( N +1) 6, для U CB ;
0, при n = 3;
0, при л 2 ;
л = ( N + 9) 6, для U AC ;
л = (n) = 1, при n = 2;
k, при 0 л.
+1, при n = 1. ( N + 5) 6, для U BA.
Для вывода уравнения внешней характеристики ТП ССВ, обобщенного для разных способов управления тиристорами, введены углы отклонения управляющих импульсов плеч T 1, T 2, …, T 6 от среднего значения ср.
при несимметричном управлении тиристорами и углы смещения моментов включения плеч 1,4, 2,5 и 3,6 для фазных и линейных напряжений синхро T T T низации каналов СУТ с одноканальным и многоканальным управлением при несимметричном питании преобразователя. Так как несимметричное питание и управление преобразователем могут приводить к режимам работы ТП отлич ным от чередования включенных вентилей группами по два и по три (режим «2–3»), то для этих режимов, используя выражение (1), найдены в аналитиче ской форме граничные условия их появления. Для этого выведены формулы для выпрямленных значений тока ротора, при которых возможно появление комбинаций включенных вентилей «2–3–3» и «2–3–3–3» и в соответствии с ни ми определены выражения для дополнительных углов запаздывания включения тиристоров T 1, T 2, …, T 6, появляющихся в этих режимах. Это позволило обобщить уравнение внешней характеристики ТП ССВ для разных способов управления тиристорами и способов синхронизации СУТ с учетом возможной при КЗ несимметрии переменных напряжений и представить его в виде:
E 3 2 Ud ( Id ) = E A + E B cos ср. + arctg A x + r ср. I d, 2 (2) 3 EB где EA = U AC sin (T 1,4 +T 1 + T 4 ) cos (T 1 T 4 ) +UCB sin (T 2,5 +T 2 +T 5 ) cos (T 2 T 5 ) + +U BA sin ( 3,6 +T 3 +T 6 ) cos (T 3 T 6 );
T EB = U AC cos ( T 1,4 +T 1 +T 4 ) cos (T 1 T 4 ) +UCB cos (T 2,5 +T 2 +T 5 ) cos ( T 2 T 5 ) + +U BA cos ( 3,6 +T 3 +T 6 ) cos (T 3 T 6 );
T Ti = ( Ti +Ti ) 2, i = 1…6.
На основе уравнений (1) и (2) выведены выражения для кратности форси ровки по напряжению KU с коэффициентами, определяющими ее зависимость от ранее выделенных факторов (вида и удаленности КЗ, способов управления ти ристорами и способов синхронизации СУТ, параметров синхронного генератора и предшествующего замыканию режима его работы), а также длительностей работы плеч. Эти длительности представлены в виде интервалов проводимости тиристо ров (ИПТ) tT, рассчитываемых, как промежутки между моментами включения сменяющих друг друга вентилей. Затем получены выражения для средних мощно стей тепловых потерь в тиристорах ТП ССВ на проводящем интервале PT (AV) и при их выключении PRQ (AV) с учетом формы кривой тока ротора генератора, наблюда емой при форсировке внешних КЗ.
Полученные зависимости позволили исследовать влияние на нагрев тири сторов ТП ССВ таких факторов, как число параллельных ветвей в плечах, дли тельности их работы за период при разных способах управления тиристорами, наличие периодических токов в цепи ротора. По результатам исследований сделан вывод о необходимости учета этих факторов при разработке математи ческой модели СГ с ССВ и даны соответствующие рекомендации.
В третьей главе разрабатывается математическая модель синхронного генератора с системой самовозбуждения с сильноточным тиристорным преоб разователем «СГ с ССВ – ТП», связывающая электротепловые процессы в преоб разователе ССВ с электромагнитными переходными процессами в обмотках СГ при КЗ в энергосистеме. Выполняется ее интеграция в программный комплекс расчета токов КЗ. Оценивается корректность и адекватность полученной модели.
При разработке модели рассматривалась система дифференциальных уравнений Парка-Горева, записанная в операторной форме для токов в d, q-осях ротора генератора в долях их базисных значений с учетом основных допуще ний, обычно принимаемых при расчетах токов КЗ в электроэнергетических си стемах напряжением свыше 1 кВ.
Первоначально, используя выражения (1) и (2), система уравнений была преобразована к виду:
( xd + xвн.) ) p xq + xвн.) xaq id (n (n xad p xad p xaq p iq ( xd + xвн. ) ( xq + xвн. ) p (n ) (n ) xad xad I d = U d, rf + x f p 0 xad p xad p I rkd + xkd p 0 xad p xad p kd rkq + xkq p I kq 0 0 0 xaq p uб ( xвн. + k x2 ) 4 xвн.k x2 sin m (n) (n) (n ) (n) где U d = re id + iq rd I d ;
re = U KR ;
2 K тсв fб r = k x + k r, d x r а затем решена аналитически относительно средних значений токов общеиз вестным способом, описанным в работах И.А. Глебова. При этом для учета в полученном решении управляющих воздействий на тиристорный преобразова тель со стороны автоматического регулятора возбуждения (АРВ) и СУТ было предложено пересчитывать сопротивления re и rd по методу конечных интер валов, разбивая ось времени на интервалы с малым шагом T. Это позволило получить итерационные выражения для токов в виде:
id (Ti ) = id (Ti 1 ) e pd 1(Ti1)T +id (Ti 1 )e pd 2 (Ti1)T ;
pq (Ti1 )T iq (Ti ) = iq (Ti 1 ) e ;
(3) 2 im (1) (Ti ) = id (Ti ) + iq (Ti ) ;
I T = I T e pd 1(Ti1)T + I T e pd 2 (Ti1)T.
d ( i ) d ( i 1 ) d ( i 1 ) и сформировать на их основе общую структуру математической модели.
Схема модели «СГ с ССВ – ТП» показана на рис. 3. Здесь выражения (3) приняты в качестве ее ядра. В соответствии с параметрами ядра, пересчитывае мыми в конце каждой итерации расчета, по полученным в диссертации форму лам вычисляются мгновенные значения периодических, апериодических и пол ных токов в цепи статора iA, iB, iC, периодических токов основной If () и двойной частоты If (2) и полного тока в цепи ротора, мгновенные значения фазных uA, uB, uC и линейных напряжений на выводах СГ и ТСВ, напряжение на обмотке воз буждения Uf, ИПТ плеч преобразователя, токи тиристоров iT и т.д.
Для исследования электротепловых процессов в ТП ССВ модель допол нена выражениями расчета мгновенных значений мощностей тепловых потерь в наиболее нагруженных тиристорах плеч на проводящем интервале PT и при их выключении PRQ и температур нагрева их полупроводниковых структур (ТПС) T. Расчет ТПС основывается на предварительной аппроксимации кри вой динамического теплового сопротивления «переход–среда» тиристорного модуля суммой экспоненциальных зависимостей, каждая из которых соответ ствует определенному участку или слою этого модуля.
Для моделирования установившегося режима форсировки и управления преобразователем ССВ в модель генератора включены основные алгоритмы ав im (1) (Ti ) id (Ti ), iq (Ti ) i A (Ti ), iB (Ti ), iC (Ti ) re (Ti ), rd (Ti ) Статор I d (Ti ) u A (Ti ), uB (Ti ), uC (Ti ) Ротор U f (Ti ) I f ( ) (Ti ), I f (2 ) (Ti ) T (Ti ), ТСВ u A (Ti ), uB (Ti ), uC (Ti ) T (Ti ) БОР T (Ti ) iT (Ti ) PT (Ti ), PRQ (Ti ) АРВ АРН Тиристоры (Ti ) T T (Ti ) СУТ Рис. 3. Общая структура математической модели синхронного генератора с тиристорной системой самовозбуждения «СГ с ССВ – ТП» (АРВ – автоматический регулятор возбужде ния;
АРН – автоматический регулятор напряжения;
БОР – блок ограничения тока ротора) томатического регулятора возбуждения. На схеме АРВ представлен каналами управления напряжением статора (блок АРН) и током ротора СГ (блок БОР) с пропорционально-интегральными законами регулирование (см. рис. 3).
С целью анализа и расчета режимов форсировки генератора с самовоз буждением при разных удаленностях и длительностях КЗ в энергосистеме и разработки алгоритмов управления ТП ССВ математическая модель «СГ с ССВ – ТП» интегрирована в программный комплекс расчета токов КЗ на ЭВМ «ToKo», разработанный на кафедре ЭССиС ЮУрГУ и применяемый в ряде организаций.
На рис. 4 показаны кривые, полученные с помощью модели для сильноточного преобразователя ССВ блока ТГВ-200-2М ЧТЭЦ-3 при форсировке близкого T, ° C i f i fном, u f u fном 3, T 3, 2, Uf 2, 1,5 if 1, 0, uf 0, T1 T t, c t, c -0, 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0, 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0 25 50 75 100 125 25 50 75 100 125 а) б) Рис. 4. Кривые тока возбуждения if, напряжения на роторе uf (а) и температур нагрева наибо лее нагруженных вентилей плеч тиристорного преобразователя ССВ (б) при форсировке турбо генератором ТГВ-200-2М двухфазного КЗ за блочным повышающим трансформатором двухфазного КЗ на интервале 0…0,3 с. Сравнение зависимостей, полученных на модели, с осциллограммами реальных КЗ показало, что разброс значений, вно симый принимаемыми при разработке модели допущениями, находится в пре делах 5–15%. Также отмечено, что интеграция модели в программный ком плекс позволила в ряде случаев отказаться от применения в расчетах токов КЗ широко распространенного метода типовых кривых и тем самым повысить функциональность комплекса. В ходе расчетов разница между значениями то ков фаз, найденными этими способами, не превысила 5%. Поэтому полученная математическая модель будет полезна не только при разработке алгоритмов управления ТП ССВ, но и при расчете токов КЗ на ЭВМ.
В четвертой главе с использованием модели «СГ с ССВ – ТП» разрабаты ваются алгоритмы управления сильноточным тиристорным преобразователем си стемы самовозбуждения при КЗ в энергосистеме с отказом параллельных вен тильных ветвей. Анализируется работа системы самовозбуждения с предложен ными алгоритмами при форсировке генератором разных видов и удаленностей внешних КЗ. Оценивается эффективность алгоритмов и даются рекомендации по их реализации и применению.
Первоначально рассмотрена задача снижения ограничений, вводимых на работу ТП ССВ при отказах параллельных вентильных ветвей, за счет целена правленного перераспределения нагрузок плеч. Для этого предложено изменять интервалы проводимости тиристоров путем расчета корректирующих углов включения плеч анодной и катод max ной групп в соответствии с задан- у1 (Ti ) ным критерием управления у1 ( Ti ) у ( Ti ) (рис. 5). В рабочих режимах гене ратора в качестве критерия опре- у 3 ( Ti ) делено снижение мощностей теп- БРН у 3 (Ti ) у ( Ti ) ловых потерь в вентилях до мак симально допустимых по условию у 5 ( Ti ) их нагрева. При форсировке близ у 5 ( Ti ) у ( Ti ) min ких КЗ введен критерий – макси мум кратности форсировки по у ( Ti ) напряжению. При форсировке СУТ АРВ остальных КЗ – снижение ИПТ плеча с отказавшими ветвями до Рис. 5. Схема алгоритма перераспределения максимально допустимого значе- нагрузок плеч ТП ССВ при отказах тиристоров ния рабочего режима при ограни- (БРН – блок распределения нагрузок плеч) чении кратности форсировки по току ротора или равенство ТПС наиболее нагруженных вентилей плеч (на этапе разгрузки преобразователя) в случае ограничения длительности форсировки. Для каждого из критериев получены выражения для расчета искомых ИПТ плеч.
Так максимально допустимая величина ИПТ плеча в рабочем режиме ге нератора находится из условия, что при отказе параллельных вентильных ветвей потери в оставшихся не превысят максимально допустимых, нормируемых при токе ротора If max = 1,1Ifном:
1,1 j j +1, tTj max =, (4) I f 2j j + I f UT ( TO ) ( N + N p m j ) UT ( TO ) N If где j = j = If = ;
;
.
rT I fном KНj rT I fном KНj I fном Величина j названа параметрическим коэффициентом тока j-го плеча и зависит от числа «основных» N и «резервных» Np ветвей в плече, числа отка завших ветвей mj, коэффициента неравномерности деления тока плеча по оставшимся ветвям K Нj и от каталожных параметров тиристоров UT (TO), rТ.
Из формулы (4) получены выражения для расчета минимального I f min и максимально допустимого I f max тока ротора рабочего режима при несиммет ричном управлении тиристорами. После чего сформулирован алгоритм расчета дополнительных углов включения yj (Ti ), yj 2 (Ti ), yj +2 (Ti ), корректиру ющих ИПТ плеч в анодной и катодной группах согласно критерию управления.
С целью предотвращения перегрева ТП ССВ при форсировке близких несимметричных КЗ с отказом только одной («резервной») параллельной ветви в плече разработан алгоритм управляемой синхронизации для системы импуль сно-фазового управления тиристорами при симмет ричном управлении плечами (рис. 6). В основу ал- АРВ горитма положен выбор напряжений синхронизации каналов многоканальной СУТ Uсинх. = (UA, UB, UC, UAС, UCB, UBA) в соответствии с несимметрией пере у (Ti ) менных напряжений ТП, при которых ИПТ плеча с БОН отказавшей ветвью tT (Uсинх.) не превышает норми у (Ti ) руемого и обеспечивается максимально возможная кратность форсировки по напряжению KU (Uсинх.). U синх. ( Ti ) СУТ Обобщенный критерий выбора напряжения синхронизации в режиме форсировки несимметрич ного КЗ при отказе «резервной» ветви в j-м плече Рис. 6. Схема алгоритма управляемой синхронизации ТП ССВ получен в виде:
при несимметричных КЗ у max ( Tj +2 (U синх. ), Tj (U синх. ));
(БОН – блок ограничения (5) K R (U синх. ) max, нагрузок плеч) где у – текущий угол управления преобразователем;
Tj, Tj+2 – углы отклоне ния управляющих импульсов плеч от моментов их естественного включения, получаемые при синхронизации каналов СУТ по напряжению U синх..
Для форсировки генератором внешних КЗ с нормируемой длительностью при отказе двух и более параллельных вентильных ветвей в одном плече силь ноточного ТП ССВ разработан алгоритм расчета предельно допустимой крат ности форсировки по току возбуждения при симметричном и несимметричном управлении тиристорами (рис. 7). Для каждого плеча с отказавшими тиристо рами в соответствии с их параметрическими коэффициентами j и j определяются макси mj мально допустимый T3 T T ток ротора рабочего Да Нет mj T T2 T4 режима СГ I f max j и предельно допусти I f max j = I max j I f max j = 1,1 мая кратность форси f ровки по току K I j.
MIN Необходимые для tTj K I j = K I j K I j = 2, этого выражения, по I f max, K I лученные для сим I d (Ti ) Канал метричного и несим I f max j, K I j БОР АРВ метричного управле ния тиристорами, Рис. 7. Схема алгоритма расчета уставок блока ограничения приведены в табл. 1.
тока ротора при отказах параллельных вентильных ветвей Из рассчитанных зна чений выбираются наименьшие I f max и K I, а из них формируются уставки для блока ограничения тока ротора в рабочем режиме и в режиме форсировки.
Таблица Выражения для расчета уставок БОР при отказе параллельных вентильных ветвей в j-м плече ТП ССВ Вид управления Вели чина Симметричное Несимметричное j j j +1,1 I f max j 4,4 + j j 1, 2 j j tTj max j ( j + 2) 2 1 I f max ( j + I f max )( j + 2) 8 + j j + j j K I j 2 j 2 1,1( j +1,1) tTj Для форсировки генератором внешних КЗ при отказе двух и более парал лельных вентильных ветвей с нормируемой кратностью по току ротора разра ботан алгоритм ограничения длительности форсировки (рис. 8). Ограничение длительности выполняется непосредственно в процессе форсировки путем снижения тока ротора пропорционально приращению верхней огибающей кри вой мгновенной ТПС Tenv наиболее нагруженного вентиля ТП ССВ над за данным предельным значением Tпред.. Тем самым ограничивается рост ТПС тиристора и не допускается перегрев преобразователя. Такой алгоритм целесо образен, в связи с тем, что на практике время отключения КЗ в энергосистеме обычно значительно меньше нормируемой длительности форсировки.
На схеме максимально допустимая кратность форсировки по току ротора определяется как K I (Ti ) = K I (Ti 1 ) + K пр. (Tпред. Tenv (Ti )). (6) iT 16 (Ti ) Учитывая инерционность тепловых про Tenv цессов в вентильных преобразователях, величи ну Tenv предложено вычислять программным Tenv (Ti ) способом, а значение Tпред. – задавать в долях V от каталожной величины Tm в форме линейной Tпред.
V (Ti ) Tпред. зависимости от скорости нарастания ТПС V:
Vmax (Tпред. Tпред. )V T, (7) KI = f (Tenv,V ) Tпред. (Ti ) = Tпред. ( i) Vmax K I ( Ti ) где.,. и Vmax – задаваемые уставки.
I d (Ti ) Tпред Tпред Канал БОР В завершение на модели «СГ с ССВ – ТП» АРВ исследованы условия самовозбуждения син Рис. 8. Схема алгоритма ограни хронного генератора с рассмотренными алго чения температур нагрева тири ритмами при внешних КЗ и определен критерий сторов в процессе форсировки успешного самовозбуждения в виде минимально необходимой кратности форсировки по напряжению KU min. На основании его сформулирован алгоритм выбора того или иного способа управления преобразо вателем. Показано, что при KU KU min и отказе параллельных тиристоров следует ограничивать длительность форсировки, обеспечивая тем самым максимальное восстановление напряжения на выводах генератора в начале КЗ. В остальных слу чаях целесообразно ограничивать кратность форсировки по току ротора и сохра нять перегрузочный запас ТП ССВ, что обеспечит ее нормируемую длительность.
После этого выполнена оценка эффективности разработанных алгоритмов и даны рекомендации по их реализации. На рис. 9 приведены кривые напряже ния на выводах синхронного генератора при форсировке КЗ в энергосистеме, полученные на модели для турбогенератора ТГВ-200-2М ЧТЭЦ-3. Из сравне U g U ном U g U ном 0,7 1,0 а 1 Н есим метричное 0, управление (б в) 0, 0, 3 (с несимметричным 3 (с несимметричным 0, управление м) управление м) 0, б 0, 3 (с симметричным 0, в Симметричное управлением) 2 управление (а б) 2 0, 0, t, c t, c 0,2 0, 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 8 16 4 а) Отказ 2-x тиристоров из 4-х в плече б) Отказ 3-x тиристоров из 4-х в плече Рис. 9. Кривые напряжения на выводах СГ при форсировке удаленного трехфазного КЗ xвн(1)/xт = 2 (а) и близкого двухфазного КЗ xвн(1)/xт = 0 (б) с отказом параллельных тиристоров в одном из плеч ТП ССВ (1 – без отказа;
2 – запрет форсировки;
3 – алгоритм ограничения кратности форсировки по току ротора;
4 – алгоритм ограничения длительности форсировки) ния кривых видно, что разработанные алгоритмы обеспечивают режим форси ровки с отказом двух параллельных тиристоров в плече (см. рис. 9а) вопреки запрету, устанавливаемому ГОСТ. При этом несимметричное управление пле чами позволяет выполнить форсировку и в случае отказа большего числа па раллельных ветвей в одном плече (см. рис. 9б), чем это указано в требованиях ГОСТ. Поэтому применение этих алгоритмов в системах самовозбуждения с микропроцессорным управлением должно повысить функциональность син хронных генераторов при отказах параллельных вентильных ветвей.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В диссертационной работе рассмотрена актуальная научно-техническая за дача о сохранении функциональных свойств сильноточных тиристорных преобра зователей систем самовозбуждения синхронных генераторов при коротких замы каниях в энергосистеме, сопровождающихся отказами параллельных вентильных ветвей, путем повышения эффективности управления тиристорами. Для этого при разных способах управления тиристорами исследована взаимосвязь кратности форсировки по напряжению с предельно допустимыми кратностью форсировки по току ротора и ее длительностью и разработаны алгоритмы управления тири сторным преобразователем системы самовозбуждения, обеспечивающие форси ровку генератора при отказах параллельных вентильных ветвей. При этом полу чены следующие основные результаты.
1. На основе анализа требований к тиристорным системам самовозбужде ния синхронных генераторов показана возможность снижения функциональных ограничений в работе их преобразователей при отказах параллельных вентиль ных ветвей за счет более эффективного управления тиристорами, а также опре делены пути снижения этих ограничений. Показано, что для снижения ограни чений следует установить влияние способов управления тиристорами на элек тромагнитные переходные процессы в обмотках синхронного генератора и электротепловые процессы в преобразователе ССВ при форсировке генерато ром внешних КЗ и создать соответствующую математическую модель.
2. Для анализа режимов работы тиристорного преобразователя при КЗ в энергосистеме получены аналитические выражения переменных напряжений на вводах ТП ССВ, уравнение внешней характеристики тиристорного преобразо вателя и выражения для расчета кратности форсировки по напряжению и дли тельностей работы плеч, обобщенные для разных видов, удаленностей КЗ, схем и групп соединения обмоток преобразовательного трансформатора, при сим метричном и несимметричном способах управления плечами и разных алго ритмах работы системы импульсно-фазового управления тиристорами.
3. Для исследования взаимосвязи параметров режима синхронного гене ратора, системы самовозбуждения и ее тиристорного преобразователя и разра ботки алгоритмов управления тиристорами при внешних КЗ генератора с отка зом параллельных вентильных ветвей разработана математическая модель син хронного генератора с тиристорной системой самовозбуждения «СГ с ССВ – ТП». В основу модели положено совместное приближенное аналитическое ре шение системы дифференциальных уравнений Парка-Горева с обобщенным уравнением внешней характеристики ТП ССВ. В модели представлены элек тромагнитные и электротепловые процессы в тиристорном преобразователе ССВ с учетом электромагнитных процессов в синхронном генераторе.
4. Для исследования режимов работы тиристорного преобразователя ССВ при разных удаленностях КЗ выполнена интеграция математической модели в программный комплекс расчета токов КЗ на ЭВМ, что позволило в ряде случа ев отказаться от применения широко известного метода типовых кривых при расчете токов КЗ для произвольных моментов времени и тем самым повысить функциональность программного комплекса.
5. Разработан и проверен на математической модели «СГ с ССВ – ТП» ал горитм снижения нагрева тиристоров, оставшихся в работе при отказе парал лельных вентильных ветвей в плечах ТП ССВ, путем расчета корректирующих углов включения плеч, показавший целесообразность перераспределения дли тельностей работы тиристоров и позволивший снизить ограничения по току ро тора генератора, накладываемые на его работу при таких отказах.
6. На основе попеременного сочетания симметричного и несимметрично го управления плечами, выбора напряжения синхронизации цифровой СУТ, а также ограничения кратности по току ротора и длительности форсировки с уче том числа оставшихся в работе тиристоров и их параметров, разработаны эф фективные алгоритмы управления сильноточным тиристорным преобразовате лем ССВ при форсировке синхронным генератором разных видов и удаленно стей внешних КЗ с одновременным отказом параллельных вентильных ветвей, обеспечивающие форсировку с ограничениями значительно меньшими в сравне нии с требованиями, регламентированными ГОСТ.
7. На примере синхронного генератора ТГВ-200-2М Челябинской ТЭЦ-3 на математической модели «СГ с ССВ – ТП» определено условие самовозбуждения генератора при внешних КЗ, и с его учетом выполнен анализ эффективности предложенных алгоритмов при отказах параллельных вентильных ветвей. По ре зультатам анализа даны рекомендации по применению и реализации алгоритмов.
8. Показано, что разработанные алгоритмы реализуемы в микропроцес сорных системах управления сильноточными тиристорными преобразователя ми как в виде алгоритмов, так и отдельных цифровых устройств, так как опери руют либо параметрами доступными микроконтроллеру управления системой самовозбуждения, либо параметрами, вычисляемыми в соответствии с сигна лами, поступаемыми на его входы.
В завершение отмечено, что некоторые из алгоритмов управления могут быть применены для сильноточных преобразователей, эксплуатируемых не только в системах возбуждения синхронных генераторов, но в других областях.
ПУБЛИКАЦИИ В реферируемых изданиях ВАК 1. Гольдштейн, М.Е. Исследование работы системы самовозбуждения син хронного генератора при внешних несимметричных коротких замыканиях [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2008.
– Вып. 10. – № 26(126). – C. 36–41.
2. Гольдштейн, М.Е. Токораспределение между тиристорами в преобразова теле системы самовозбуждения синхронного генератора при внешних несимметрич ных коротких замыканиях в энергосистеме [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2009. – Вып. 11. – № 15(148). – C. 10–16.
3. Гольдштейн, М.Е. Математическая модель синхронного генератора с си стемой самовозбуждения в режиме форсировки при несимметричных коротких за мыканиях в энергосистеме [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2009. – Вып. 12. – № 34(167). – C. 4–11.
4. Гольдштейн, М.Е. Алгоритмы управления сильноточными тиристорны ми преобразователями систем самовозбуждения синхронных генераторов при от казах параллельных вентилей в режимах коротких замыканий [Текст] / М.Е. Голь дштейн, К.Е. Горшков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2010. – Вып. 14.
– № 32(208). – C. 10–15.
5. Гольдштейн, М.Е. Моделирование электротепловых процессов в вен тильном преобразователе системы самовозбуждения синхронного генератора при коротких замыканиях в энергосистеме [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». – 2011. – Вып. 16. – № 34(251). – C. 8–14.
В других изданиях 6. Гольдштейн, М.Е. Особенности работы систем самовозбуждения син хронных генераторов при внешних несимметричных коротких замыканиях [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Электроэнергетика и Автоматизация в метал лургии и машиностроении: сборник докладов Международной конференции. Магни тогорск, 22–24 октября 2008 г. – Магнитогорск: АНО «Персонал», 2008. – С. 205–208.
7. Гольдштейн, М.Е. Влияние группы соединения обмоток трансформатора системы самовозбуждения синхронного генератора на ее работу при несимметрич ных коротких замыканиях в энергосистеме [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е. Горшков // Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии: сборник трудов IV Международной научно-технической конференции. Тольятти, 12–15 мая 2009 г. В 3-х ч. – Тольятти: ТГУ, 2009. – Ч. 2. – С. 123–126.
8. Горшков, К.Е. Расчет тепловых потерь тиристоров системы самовозбужде ния синхронного генератора при несимметричных коротких замыканиях в энергоси стеме [Текст] / К.Е. Горшков // Современные техника и технологии: сборник трудов XV Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и мо лодых ученых. Томск, 4–8 мая 2009 г. – Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – Т. 1. – С. 32–34.
9. Горшков, К.Е. Перегрев тиристоров преобразователя системы самовозбуж дения синхронного генератора при внешних несимметричных коротких замыканиях [Текст] / К.Е. Горшков // Научный поиск: материалы I научной конференции аспи рантов и докторантов. Секция технических наук. Челябинск, 27–30 апреля 2009 г. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009.– С. 246–250.
10. Горшков, К.Е. Интеграция макромодели синхронного генератора в про граммы расчета токов короткого замыкания [Текст] / К.Е. Горшков // Конкурс грантов студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Челябинской области:
сборник рефератов науч.-исслед. работ аспирантов. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2007. – С. 94.
11. Горшков, К.Е. Управление тиристорным преобразователем системы самовозбуждения синхронного генератора в режиме форсировки как средство по вышения надежности работы энергосистемы [Текст] / К.Е. Горшков // Современ ные техника и технологии: сборник трудов XVI Международной научно практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск, 12– 16 апреля 2010 г. В 3-х т. – Томск: Изд-во ТПУ, 2010. – Т. 1. – С. 30–32.
12. Горшков, К.Е. Моделирование переходных процессов в синхронном ге нераторе с системой самовозбуждения при внешних несимметричных коротких замыканиях [Текст] / К.Е. Горшков // Наука ЮУрГУ: материалы 62-й научной конференции. Секция технических наук. Челябинск, май 2010 г. – Челябинск: Из дательский центр ЮУрГУ, 2010. – Т. 3. – С. 71–74.
13. Гольдштейн, М.Е. Управление возбуждением синхронных генераторов при отказах тиристоров при коротких замыканиях в энергосистеме [Текст] / М.Е.
Гольдштейн, К.Е. Горшков // Электроэнергетика глазами молодежи: научные тру ды Всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург, 17–19 ноября 2010 г. В 2-х т. – Екатеринбург: УрФУ, 2010. – Т. 2. – С. 103–106.
14. Горшков, К.Е. Оценка кратности форсировки по напряжению синхронного генератора с тиристорной системой самовозбуждения при разгрузке плеча или моста в случае отказа параллельных ветвей [Текст] / К.Е. Горшков // Наука ЮУрГУ: материа лы 63-й научной конференции. Секция технических наук. Челябинск, май 2011 г. В 3-х т. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2011. – Т. 2. – С. 164–169.
15. Гольдштейн, М.Е. Несимметричное управление тиристорным преобра зователем системы самовозбуждения синхронного генератора в режиме форсиров ки при отказах параллельных вентильных ветвей [Текст] / М.Е. Гольдштейн, К.Е.
Горшков // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды III Междуна родной научно-технической конференции. Екатеринбург, 22–26 октября 2012 г. В 2-х т. – Екатеринбург: УрФУ, 2012. – Т. 2. – С. 150–154.
Свидетельства о регистрации программ для ЭВМ 16. Виртуальная модель синхронного генератора с тиристорной системой са мовозбуждения «SG-SES-HCTR»: свидетельство о государственной регистрации про граммы для ЭВМ № 2012617385 / К.Е. Горшков, М.Е. Гольдштейн. – заявл. 22.06.2012;
зарег. 16.08.2012;
опуб. 20.12.2012;
Бюл. Роспатента RU ОБПБТ № 4(81). – С. 333.
17. Zth-Approximation: свидетельство о государственной регистрации про граммы для ЭВМ № 2012617384 / К.Е. Горшков, М.Е. Гольдштейн. – заявл. 22.06.2012;
зарег. 16.08.2012;
опуб. 20.12.2012;
Бюл. Роспатента RU ОБПБТ № 4(81). – С. 333.