Открытое акционерное общество
«Научно-технический центр Федеральной Сетевой Компании
Единой Энергетической Системы»
(ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)
На правах рукописи
Мнев Роман Дмитриевич
Законы регулирования и режимы работы
асинхронизированного компенсатора в энергосистеме
Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические системы
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук
Научный руководитель: доктор технических наук, профессор
Шакарян Юрий Гевондович
Москва - 2013
Оглавление
Введение 6
1Математическое моделирование асинхронизированного компенсатора 16
2Исследование статической устойчивости асинхронизированного компенсатора 45
3Режимы работы асинхронизированного компенсатора с маховиком 99
4Технико-экономические показатели асинхронизированного компенсатора с маховиком 115
5Исследование режимов работы АСК на примере ПС «Бескудниково» 160
6Заключение 180
7Список литературы 182
Приложение А. Протокол испытаний натурного образца АРВ на компьютерном стенде 185
Напряжение сети 186
Напряжение сети 187
Напряжение статора 187
Напряжение сети 187
Напряжение статора 187
Напряжение 188
Реактивная мощность 188
Введение
Актуальность темы
Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС) требует введения новых способов и методов управления режимами ЭЭС, а также новых устройств, позволяющих обеспечить выполнение непрерывно возрастающих требований к качеству электроэнергии и надёжности энергоснабжения. Эти тенденции нашли своё выражение в концепции интеллектуальных сетей [1].
На сегодняшний день основной технологией реализации концепции интеллектуальных сетей является технология FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems — гибкие системы передачи переменного тока). К технологии FACTS относится целый ряд устройств, выполняющих различные функции, различного принципа действия и исполнения. Классификация устройств FACTS согласно [1] приведена на Рисунок .
В устройствах FACTS возможна реализация двух принципов регулирования: скалярного и векторного. Под скалярным принципом регулирования понимается способ управления, при котором для регулирования доступна только одна величина (напряжение или реактивная мощность). Векторный принцип предполагает управление двумя независимыми параметрами режима устройства. В случае устройств FACTS, как правило, регулируемыми величинами являются напряжение (реактивная мощность) в качестве одной и активная мощность (электромагнитный момент) в качестве другой.
Оба принципа регулирования могут быть реализованы на базе как статических, так и электромашинных устройств. К электромашинным устройствам FACTS относят следующие машины и агрегаты:
-
синхронные машины (СМ):
синхронный компенсатор (СК);
синхронный компенсатор с отрицательным возбуждением (СКО);
-
асинхронизированные машины (АСМ):
асинхронизированный генератор (турбо- или гидро-);
асинхронизированный компенсатор (АСК);
асинхронизированный компенсатор с маховиком (АСКМ);
асинхронизированный электромашинный преобразователь частоты (АС ЭМПЧ).
Рисунок Классификация устройств FACTS
Режимы работы статических устройств FACTS исследованы достаточно подробно [1], тогда как свойства сетевых электромашинных устройств FACTS с векторным управлением изучены ещё недостаточно.
Традиционно основными электромашинными компенсирующими устройствами были синхронные компенсаторы, однако в процессе развития ЭЭС всё яснее становятся их недостатки, главный из которых – несимметрия рабочего диапазона: в режиме потребления СК может нести не более 40% номинальной мощности, а также СК имеет ограниченный диапазон устойчивых режимов, тогда как при работе на длинную линию этот недостаток приобретает важное значение. Несмотря на то, что работа на длинную линию с точки зрения режима работы машины совпадает с режимом выдачи реактивной мощности, работа на длинную линию принципиально отличается от режима потребления реактивной мощности с точки зрения статической и динамической устойчивости.
Для того, чтобы сохранить достоинства СК и в то же время уменьшить его недостатки, а именно расширить диапазон регулирования реактивной мощности, был разработан компенсатор с отрицательным возбуждением. Серийно выпускались компенсаторы мощностью 50-160 МВАр серии КСВБО (компенсатор синхронный с водородным охлаждением с бесконтактным возбудителем и отрицательным возбуждением) [2]. Действующие компенсаторы этой серии были установлены, в частности, на подстанциях московского региона «Ногинск», «Пахра», «Голутвин» и «Дровнино». Однако опыт их эксплуатации показал, что конструктивные решения и исполнение в части отрицательной обмотки возбуждения были не совсем удачными. В большинстве случаев отрицательное возбуждение было выведено из работы.
Конструкция СКО в целом подобна конструкции традиционного СК, за исключением дополнительной обмотки на роторе. МДС этой обмотки составляет примерно 15% от МДС основной обмотки, причём её вектор направлен встречно по отношению к вектору основной обмотки [2]. Совместное использование обеих обмоток, каждая из которых может создавать МДС только одного направления, позволяет получить знакопеременное возбуждение компенсатора. Знакопеременное же возбуждение, в свою очередь, позволяет компенсатору работать с ненулевым углом ротора, вплоть до 90 эл. град. Такое положение ротора существенно увеличивает магнитное сопротивление машины, а значит, для её намагничивания требуется потребление большей мощности, чем для намагничивания традиционного СК при нулевом возбуждении. Это объясняется тем, что если максимальное потребление у СК определяется сопротивлением по продольной оси xd, то у СКО ограничивающим параметром является xq:
Поскольку сопротивление xq, как правило, значительно меньше, чем xd, потребляемая мощность СКО в режиме работы с отстающим током составляет до 80% от номинальной. Регулирование реактивной мощности СКО происходит путём изменения угла ротора [3].
Благодаря такому решению диапазон возможных режимов работы СКО существенно расширяется по сравнению с СК. Однако поскольку изменение реактивной мощности СКО связано как с изменением тока в обеих обмотках, так и с механическим поворотом ротора, этот процесс происходит достаточно медленно. Так, включение регулятора угла синхронного компенсатора, предварительно установленного для поддержания угла δ = 90°, занимает порядка 3 с [4].
В целом СКО присущ тот же набор достоинств и недостатков, что и традиционному СК, хотя его бесспорным преимуществом является расширенный диапазон регулирования реактивной мощности. Однако способ реализации регулирования накладывает ограничение на скорость регулирования реактивной мощности и на пределы устойчивости.
Среди электромашинных КУ глубокое потребление реактивной мощности (вплоть до номинального значения) могут обеспечить только асинхронизированные машины (АСМ).
Конструктивно статор асинхронизированной машины не отличается от синхронной машины, а на роторе располагается многофазная система обмоток [5]. В частном случае конструкция АСМ аналогична АМ с фазным ротором. Наличие на роторе АСМ многофазной системы обмоток позволяет осуществлять раздельное управление двумя независимыми параметрами режима, например напряжением статора и активной мощностью машины. Такое управление достигается за счет т.н. асинхронизированного принципа управления – формирование напряжения, подводимого к кольцам ротора с частотой скольжения ротора относительно поля статора [6].
Наиболее распространёнными асинхронизированными машинами в России являются турбогенераторы (АСТГ). Им посвящено значительное количество исследований. АСТГ являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 50 лет назад по идее и под общим руководством проф. Ботвинника М.М. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учёными Шакаряном Ю.Г., Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Лабунцом И.А., Кузьминым В.В., Плотниковой Т.В., Лохматовым А.П., Пинчуком Н.Д. и др.[5][6][7][8][9]
Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштынской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введён в эксплуатацию второй такой же турбогенератор. На станциях московского энергоузла АСТГ установлены на ТЭЦ-22, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21 и Каширской ГРЭС.
Использование дополнительной (поперечной) обмотки на роторе СК как средства повышения управляемости рассматривалось в работах Соколова Н.И. [4], [10] и продолжены Каспаровым Э.А. [11]. Однако при предложенных ими принципах управления машина оставались синхронной.
В то же время асинхронизированные компенсаторы в российских энергосистемах практически отсутствуют – в настоящий момент в работе находится только два АСК, мощностью 100 МВАр каждый, установленные на ПС «Бескудниково» и введённые в эксплуатацию в 2012 году. Теоретическая база АСК также проработана в недостаточной степени.
Кроме того, не проводилось исследований, посвящённых особенностям работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения.
Под термином «АСК» (асинхронизированный компенсатор) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора с постоянной частотой вращения.
Под термином «АСКМ» (асинхронизированный компенсатор с маховиком) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора, с переменной частотой вращения.
Термин «асинхронизированный компенсатор» является общим и включает в себя как собственно АСК, так и АСКМ, поскольку отличие между этими машинами заключается в работе с постоянной либо переменной частотой вращения, что отражается только в особенностях структуры регулятора возбуждения, как будет показано ниже. Наличие либо отсутствие маховика диктуется конкретными условиями работы машины. Использование терминов «АСК» и «АСКМ» подчёркивает только функциональные особенности конкретной машины.
Функционально АСК с постоянной частотой вращения является компенсатором реактивной мощности, а с переменной частотой вращения – кроме того, демпфером колебаний активной мощности, т.е. АСКМ может выполнять функции АСК и дополнительно нести ряд функций как демпфер колебаний активной мощности.
Как известно, любая АСМ конструктивно может быть выполнена в одном из следующих исполнений:
с шихтованным ротором и симметричными обмотками ротора;
с массивным ротором и симметричными обмотками ротора;
с массивным ротором и несимметричными обмотками ротора.
Конструкция машины с массивным ротором не позволяет ей работать с переменной частотой вращения, а значит, такая машина может выполнять только функции регулятора реактивной мощности. Обмотки ротора при этом могут быть как симметричными, так и несимметричными, что определяется конструкторскими соображениями. Важно отметить, что, несмотря на работу только с синхронной частотой вращения, АСК остаётся асинхронизированной машиной по принципу управления.
В то же время шихтованный ротор позволяет работать как с постоянной, так и с переменной частоту вращения, а значит, машина такого исполнения может выполнять функции АСКМ.
В настоящей работе изучена работа АСК в простейшей энергосистеме, впервые установлены пределы статической устойчивости при традиционном регулировании возбуждения, и разработан новый закон регулирования, расширяющий эти пределы.
Рассматривается работа АСКМ как демпфера колебаний активной мощности. Предложены и рассмотрены варианты его применения в ЭС, разработаны специфические алгоритмы работы регулятора возбуждения, а также даны методические рекомендации по внедрению АСКМ в ЭС.
Теоретические выводы настоящей работы проверены экспериментально в ходе испытаний АСК на ПС «Бескудниково».
|
