Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Обоснование упрощенного представления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электроэнергетических систем

АНАЛИЗ РЕЖИМНЫХ СТАТИЧЕСКИХ

ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА

С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

ВОЗБУЖДЕНИЯ

Методические указания

Дисциплина «Автоматизация электроэнергетических систем»

Специальность 140205, д/о

Киров 2010

УДК 621.311.1 (07)

И-88

Составитель: кандидат технических наук, доцент кафедры

электроэнергетических систем Т.А.Плешкова

Рецензент: старший преподаватель кафедры

электрических станций Н.В. Петров

Подписано в печать Усл. печ. л.

Бумага офсетная. Печать

Заказ № Тираж

Текст напечатан с оригинал-макета, представленного составителем.

610000, г.Киров, ул. Московская, 36

Оформление обложки, изготовление – ПРИП ВятГУ © Вятский государственный университет, 2010

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Целью данной работы является исследование влияния регулирования возбуждения по отклонению напряжения синхронного генератора (СГ) на предел передаваемой мощности электрической системы, а также на точность поддержания напряжения на шинах станции.

При выполнении лабораторной работы определяются предел передаваемой мощности системы при регулировании возбуждения по отклонению напряжения с коэффициентом усиления , а также оценивается точность регулирования напряжения при различных .

Анализ работы автоматических регуляторов

Возбуждения синхронных гененраторов

В установившихся режимах. Влияние коэффициента усиления по отклонению напряжения

На точность регулирования

Генераторы электрических станций оснащаются системами автоматического регулирования возбуждения, предназначенными для изменения напряжения и тока возбуждения при изменении режима работы генератора в энергосистеме.

Одной из основных задач автоматического регулирования возбуждения (АРВ) генераторов является поддержание с заданной точностью напряжения на шинах электрической станции при эксплуатационных изменениях режима ее работы. На АРВ возлагаются также и другие задачи: обеспечения статической и динамической устойчивости, повышения предела передаваемой мощности электропередачи.

Поясним назначение автоматического регулирования возбуждения на примере простейшей схемы, содержащей эквивалентный генератор с АРВ, работающий через трансформатор Т и линию электропередачи W на шины неизменного напряжения U ₀ (рис.1).

Рис. 1. Расчетная схема энергосистемы

Схема замещения рассматриваемой электрической системы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема замещения электрической системы

На рис. 3 показана векторная диаграмма этой электропередачи.

Рис. 3. Векторная диаграмма

Вектор э.д.с. получен геометрическим сложением вектора с вектором падения напряжения в синхронном индуктивном сопротивлении и в индуктивном сопротивлении внешней сети :

; (1)

. (2)

Электродвижущая сила , развиваемая синхронным генератором пропорциональна току возбуждения (если не учитывать насыщение). Таким образом, ток возбуждения генератора определяет его э.д.с. , а также напряжение на зажимах генератора . Это напряжение связано с э.д.с. соотношением:

, (3)

где угол между векторами .

Отсюда напряжение на шинах синхронного генератора будет равно:

. (4)

В процессе работы электрической системы непрерывно происходят изменения выдаваемой генераторами мощности, следовательно, ток нагрузки генератора и его коэффициент мощности также меняются. Из выражения (4) видно, что при отсутствии автоматического регулирования возбуждения, т.е. при с увеличением тока генератора напряжение на его выводах будет уменьшаться (рис. 4а).

Рис. 4. Изменение э.д.с. и напряжения при изменении нагрузки:

а) без АРВ; б) при регулировании возбуждения,

обеспечивающем

Для поддержания напряжения на шинах генератора неизменным при возрастании нагрузки система автоматического регулирования возбуждения должна обеспечить увеличение тока возбуждения генератора, а, следовательно, и увеличение э.д.с. , как это представлено на рис. 4б.

Устройства АРВ в зависимости от параметра, на который они реагируют и характера этой реакции, разделяются на две большие группы:

- пропорционального действия (АРВ ПД);

- сильного действия (АРВ СД).

АРВ ПД реагируют на знак и отклонение напряжения от установленного значения, а также на отклонение модуля тока статора.

В АРВ СД регулирование возбуждения осуществляется не только по отклонению напряжения, но и по его производной, а также по отклонению и производной каких-либо режимных параметров, т.е. параметров стабилизации, например, частоты э.д.с. или частоты напряжения шин станции, или тока статора.

При анализе регулируемых электроэнергетических систем важное значение имеет изучение свойств АРВ в условиях установившихся процессов.

Вне зависимости от вида АРВ (сильного или пропорционального действия), основным является канал регулирования по отклонению напряжения: в случаях снижения контролируемого напряжения работа АРВ приведет к возрастанию тока возбуждения, а, следовательно, и к росту синхронной э.д.с. . В установившихся режимах поведение регулируемого генератора определяется именно каналом регулирования по отклонению напряжения, поскольку каналы стабилизации в АРВ СД действуют только в переходных процессах. Таким образом, действие АРВ в установившемся режиме описывается уравнением (рис. 5):

, (5)

где - вынужденная э.д.с., т.е. напряжение возбуждения СГ;

- значение э.д.с. синхронного генератора при отсутствии сигнала на выходе АРВ, т.е. при в установившемся режиме. Значение обычно выбирают из условия обеспечения равенства в номинальном режиме работы генератора;

- коэффициент усиления канала регулирования по отклонению напряжения, связывающий отклонение напряжения с изменением э.д.с. ;

- заданное напряжение на зажимах генератора, уставка АРВ по напряжению. Напряжение уставки выбирают обычно равным или несколько большим номинального напряжения СГ.

Единицей измерения коэффициента усиления является .

За единицу напряжения принимают номинальное напряжение генератора, за единицу возбуждения – напряжение возбуждения генератора (приведенное к обмотке статора), обеспечивающее номинальное значение напряжения в режиме холостого хода, т.е. единица измерения сокращенно записывается .

Работу АРВ в установившемся режиме иллюстрирует рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема регулируемой электрической системы

для установившегося режима

Канал регулирования по отклонению напряжения стремится поддерживать в соответствии с заданным значением. Если , то на выходе регулятора сигнал равен нулю, регулятор не изменяет э.д.с. возбуждения . При снижении напряжения на шинах генератора ниже заданного сигнал становится положительным, что приводит к увеличению вынужденной э.д.с. генератора , к увеличению тока возбуждения, а, следовательно, и к увеличению э.д.с. , напряжение на выводах генератора также увеличивается.

При превышении напряжения над заданным () происходит снижение напряжения, приложенного к обмотке возбуждения , следовательно, ток возбуждения и пропорциональная ему э.д.с. также снижается. Снижение э.д.с. вызовет и снижение напряжения на зажимах генератора .

Анализ выражения (5) показывает, что точность поддержания напряжения на шинах генератора в установившихся режимах работы СГ определяется значением коэффициента усиления по отклонению напряжения .

Количественная оценка этой взаимосвязи может быть установлена на основе вариантных расчетов путем построения зависимостей , при различных значениях и изменении угла от 0 до 140 . Для построения этих зависимостей в лабораторной работе используется программа АРВ, реализующая решение системы уравнений, связывающих параметры установившегося режима простейшей электрической системы (рис. 1, рис. 2) с учетом :

, (6)

, (7)

. (8)

В результате преобразований после подстановки (5), (6), (7) в (8) получаем квадратное уравнение относительно напряжения на шинах генератора при заданном коэффициенте .

(9)

где ; ; ;

уставка АРВ по напряжению (при расчетах принимается );

э.д.с. генератора при отсутствии сигнала на выходе АРВ, т.е. при , т.е. в номинальном режиме;

полный угол электропередачи.

Задаваясь рядом значений угла для выбранного значения определяются напряжение на шинах генератора из выражения (8), э.д.с. из выражения (5), активная мощность из выражения (6).

Очевидно, что чем выше коэффициент регулирования по отклонению напряжения , тем выше точность поддержания напряжения на выводах генератора. Повышение точности работы системы при увеличении физически связано с тем, что то же изменение выходной величины регулятора напряжения –возбуждения, а в конечном итоге и тока возбуждения – происходит при меньшем отклонении выходной величины объекта, т.е. напряжения генератора .

Значение коэффициента регулирования по отклонению напряжения в современных отечественных конструкциях АРВ СД обычно устанавливается в пределах . Установка таких значительных коэффициентов регулирования вызвана стремлением достаточно точно поддержать напряжение на шинах генератора во всех возможных режимах его работы. В современных конструкциях микропроцессорных регуляторов АРВ-М для этих целей используют пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования, обеспечивающий астатическое регулирование. В АРВ ПД коэффициент регулирования по отклонению напряжения устанавливается значительно меньшим , поскольку предельная величина этого коэффициента ограничивается условиями устойчивости: при значительных в электрической системе с АРВ ПД может возникнуть самораскачивание. В электрической системе с АРВ СД при таких значительных коэффициентах ( ) самораскачивания не происходит, поскольку в АРВ СД приняты специальные меры для обеспечения устойчивости: регулирование не только по отклонению напряжения, но и по его производной, а также по стабилизирующим параметрам. Точность поддержания напряжения на зажимах генератора в установившихся режимах его работы определяется коэффициентом усиления по отклонению напряжения . В лабораторной работе выясняется это влияние на примере простейшей схемы, содержащей эквивалентный блок (рис. 1).

Точность регулирования можно оценить по двум показателям:

а) по относительному отклонению напряжения СГ при изменении его нагрузки от 0 до номинальной:

%, (10)

где - напряжение на зажимах генератора при номинальной нагрузке ;

- напряжение на зажимах генератора в режиме холостого хода, т.е. при .

б) по коэффициенту статизма . Он характеризует степень изменения регулируемого параметра при увеличении возмущающего воздействия, вызвавшего это изменение. В лабораторной работе анализируется статизм по активной мощности:

%, (11)

где - номинальная активная мощность генератора;

- активная мощность генератора в режиме холостого хода.

Неизменность контролируемого регулятором параметра при изменениях режима работы системы является признаком астатического регулирования. При таком регулировании коэффициент статизма , а отклонение регулируемого параметра (в рассматриваемом случае напряжение ) в диапазоне режимов отсутствует ().

При статическом регулировании контролируемый параметр зависит от режима работы системы: каждому новому значению возмущающего воздействия () соответствует свое новое установившееся значение регулируемой величины ().

Автоматическое регулирование возбуждения одновременно с повышением точности поддержания напряжения на зажимах генератора изменяет и характеристики передаваемой активной мощности .

В лабораторной работе предлагается оценить влияние изменения коэффициента усиления на величину максимальной передаваемой в систему мощности , а также и на коэффициент запаса по мощности, определяемый по выражению:

%, (12)

где - мощность генератора в номинальном режиме.

Повышение предела передаваемой мощности, обусловленное действием АРВ, расширяет диапазон возможных режимов работы генераторов передающей станции, а в ряде случаев является единственным средством обеспечения нормативных коэффициентов запаса по мощности в нормальных и послеаварийных режимах.

ОБОСНОВАНИЕ УПРОЩЕННОГО ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

ГЕНЕРАТОРОВ С АРВ

Анализ выражений (6-9) показывает, что аналитические выражения, по которым могут быть построены статические характеристики , , , при автоматическом регулировании возбуждения достаточно сложны даже для простейшей схемы электрической системы.

При расчетах установившихся режимов, при упрощенных расчетах устойчивости, при определении пропускной способности электропередачи на стадии проектирования используются упрощенные схемы замещения регулируемых синхронных машин.

Установка значительных коэффициентов регулирования по отклонению напряжения ( и более) в АРВ СД позволяет получить астатическую характеристику регулирования – практически постоянное напряжение на шинах генератора во всем диапазоне режимов. Это обстоятельство позволяет при расчетах режимов регулируемых систем упрощенно замещать генератор с АРВ СД параметрами , .

АРВ пропорционального действия ввиду существенно меньших, чем в АРВ СД, коэффициентов регулирования не обеспечивает постоянство напряжения на шинах генератора во всем диапазоне режимов – регулирование при АРВ ПД будет статическим.

Синхронные генераторы с АРВ пропорционального действия упрощенно могут быть представлены э.д.с. , приложенной за сопротивлением .

В лабораторной работе предлагается опытным путем доказать правомерность такой упрощенной модели синхронной машины. С этой целью следует построить на рисунке, где представлено семейство статических характеристик при различных , также и характеристику , рассчитанную при :

; (13)

где - переходная э.д.с. генератора.

Примерное совпадение максимума характеристики мощности , полученной при реальных коэффициентах регулирования , характерных для АРВ ПД, с максимумом и характеристики мощности, полученной при постоянстве переходной э.д.с. генератора свидетельствуют о правомерности упрощенного представления генератора с АРВ ПД ().

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1. Ознакомиться с теоретическим материалом, представленным в методических указаниях к лабораторной работе.

2. Для заданной схемы электрической системы рассчитать параметры исходного режима при условии , , .

3. Используя программу ARV, рассчитать и построить статические режимные характеристики исследуемой системы, т.е. зависимости э.д.с. генератора и его активной мощности от полного угла электропередачи: , , напряжения на зажимах генератора от угла и от передаваемой активной мощности , при различных значениях коэффициента регулирования по отклонению напряжения ( = 0, 5, 10, 25, 50, 100, 1000). Для расчета по программе АРВ необходимо подготовить следующую информацию о параметрах режима: .

4. Используя полученные характеристики , рассчитать коэффициенты статизма по выражению (11) и относительное отклонение напряжения в диапазоне режимов по выражению (10) при различных значениях .

Результаты расчета занести в таблицу 1.

Таблица 1

0	5	10	25	50	100	1000

Оценить точность поддержания напряжения на шинах генератора при различных значениях .

5. Используя полученные характеристики при различных , определить значения максимальных мощностей и рассчитать по выражению (12) коэффициенты запаса по мощности .

Результаты расчета занести в таблицу 2.

Таблица 2

0	5	10	25	50	100	1000

Оценить влияние на величину максимальной передаваемой мощности и коэффициент запаса по мощности .

6. Определить предел передаваемой мощности электропередачи по выражению (13) при замещении генератора переходным индуктивным сопротивлением и э.д.с. .

На основе анализа статических характеристик при различных выяснить, при каких коэффициентах значение максимальной мощности равно значению , рассчитанному по выражению (13).

Доказательством правомерности упрощенной модели генератора с АРВ пропорционального действия (, ) является вхождение полученного в диапазон используемых в АРВ ПД коэффициентов усиления по отклонению напряжения ().

7. Ответить на контрольные вопросы к лабораторной работе.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет по лабораторной работе должен быть выполнен в соответствии с требованиями ГОСТ [1] и содержать:

1. Расчетную схему системы, схему замещения исследуемой системы, расчет параметров исходного режима, векторную диаграмму для этого режима.

2. Статические режимные характеристики, т.е. зависимости , , , при различных .

3. Расчет коэффициентов статизма и относительных отклонений напряжения на шинах станции при различных (табл.1).

4. Результаты расчета предела передаваемой мощности электропередачи и коэффициентов запаса по мощности при различных (табл.2).

5. Результаты расчета предела передаваемой мощности при замещении генератора переходным сопротивлением и э.д.с. . Указать величину коэффициента регулирования по отклонению напряжения , при котором предел передаваемой мощности равен этому значению . Характеристику мощности при упрощенном представлении генератора с АРВ ПД построить на рисунке, где представлено семейство характеристик при различных .

6. Выводы по работе и анализ полученных результатов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте понятие статических и астатических САР. Поясните способы устранения статического отклонения.

2. От чего зависит точность поддержания напряжения на шинах электрической станции?

3. Чем определяется выбор коэффициентов усиления по отклонению напряжения в отечественных АРВ?

4. Дайте понятие коэффициента статизма.

5. Как связано напряжение на шинах генератора с активной мощностью, с реактивной мощностью?

6. При каких коэффициентах усиления по отклонению напряжения характеристику регулирования возбуждения можно считать астатической?

7. В чем главное отличие между автоматическим регулированием возбуждения пропорционального и сильного действия?

8. Почему при упрощенных расчетах режимов регулируемых систем генератор с АРВ СД входит в схему замещения сопротивлением , а с АРВ ПД – переходным индуктивным сопротивлением ?

9. Как влияет увеличение коэффициента усиления по отклонению напряжения на предел передаваемой мощности электрической системы?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вихарев А.П. Требования к оформлению курсовых, дипломных проектов и других видов студенческих работ. - Киров: изд. ВятГТУ, 1998. - 33 с.

2. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. - М.: Высшая школа, 1985. - 536 с.

3. Электрические система: Управление переходными режимами электроэнергетических систем. Веников В.А., Зуев Э.Н., Портной М.Г. и др.; Под ред. Веникова В.А. – М.: Высш. школа, 1982. – 247 с.

Воспользуйтесь поиском по сайту: