praca regulatora generatora w warunkach...

10
W referacie zwrócono uwagę na wybrane zagadnie- nia związane z pracą wieloparametrowego regulatora gene- ratora w warunkach awarii napięciowej. Przedstawiono wy- niki analizy wpływu tak często pomijanego elementu układu regulatora generatora, jakim jest stabilizator systemowy. Zwrócono uwagę na celowość automatyzacji procesu zani- żania mocy czynnej, dla zwiększenia możliwości generacji mocy biernej. Ponadto wskazano błędy w strukturze toru głównego regulacji napięcia w układzie z tzw. przejmowa- niem sygnałów przez bramki LV iHV. Streszczenie Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy 51 PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNK ACH SPRZYJAJĄCYCH POWSTAWANIU LAWINY NAPIĘCIA – WYBRANE PROBLEMY dr inż. Jacek Klucznik / Politechnika Gdańska dr inż. Robert Małkowski / Politechnika Gdańska mgr inż. Piotr Szczeciński / Politechnika Gdańska prof. dr hab. inż. Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska 1. WSTĘP Stosowane obecnie struktury regulatora generatora oraz nastawienia głównych torów regulatorów napięcia wpływają głównie na szybkość regulacji napięcia i stabilność lokalną. W sytuacjach zagrożenia związanego z występowaniem niskiego lub wysokiego napięcia główną rolę w sterowaniu układem wzbudzenia pełnią sygnały z układów regulacji, związanych z ograniczeniem obszaru pracy generatora synchronicznego. Każdy regulator niezależnie od stosowanej struktury jest wyposażony w: ogranicznik niedowzbudzenia, nazywany także ogranicznikiem kąta mocy (OKM) ogranicznik minimalnego prądu wzbudzenia generatora (OMPW) ogranicznik indukcji U/f (OI) ogranicznik prądu wzbudzenia generatora (OPW) ogranicznik prądu stojana generatora (OPS) ogranicznik nadnapięciowy (ONN). Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia (ze wzbudnicą prądu przemiennego i diodowym prostownikiem wzbudzenia) przedstawiono na rys. 1. Rys. 1. Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia [1] UKŁAD ZAPŁONOWY WZMACNIACZ GŁÓWNY WZMACNIACZ WSTĘPNY CZŁON POMIARU NAPIĘCIA UKŁAD KOMPENSACJI PRĄDOWEJ OGRANICZNIK STRUMIENIA STABILIZATOR SYSTEMOWY OGRANICZNIK OGRANICZNIK OGRANICZNIK KĄTA MOCY PUŁAPU PRĄDU WZBUDZENIA U gz U g U g P g P g Q g α z I f I g PRĄDU STOJANA I WIRNIKA CZŁON KOREKCYJNY I g U g U f Rys. 1. Schemat strukturalny wieloparametrowego reg

Upload: vunhi

Post on 28-Feb-2019

215 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

W referacie zwrócono uwagę na wybrane zagadnie-nia związane z pracą wieloparametrowego regulatora gene-ratora w warunkach awarii napięciowej. Przedstawiono wy-niki analizy wpływu tak często pomijanego elementu układu regulatora generatora, jakim jest stabilizator systemowy. Zwrócono uwagę na celowość automatyzacji procesu zani-żania mocy czynnej, dla zwiększenia możliwości generacji mocy biernej. Ponadto wskazano błędy w  strukturze toru głównego regulacji napięcia w układzie z  tzw. przejmowa-niem sygnałów przez bramki LV i HV.

Streszczenie

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy

51

PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH SPRZYJAJĄCYCH POWSTAWANIU LAWINY NAPIĘCIA – WYBRANE PROBLEMY

dr inż. Jacek Klucznik / Politechnika Gdańskadr inż. Robert Małkowski / Politechnika Gdańska

mgr inż. Piotr Szczeciński / Politechnika Gdańskaprof. dr hab. inż. Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

1. WSTĘPStosowane obecnie struktury regulatora generatora oraz nastawienia głównych torów regulatorów

napięcia wpływają głównie na szybkość regulacji napięcia i  stabilność lokalną. W  sytuacjach zagrożenia związanego z występowaniem niskiego lub wysokiego napięcia główną rolę w sterowaniu układem wzbudzenia pełnią sygnały z układów regulacji, związanych z ograniczeniem obszaru pracy generatora synchronicznego.

Każdy regulator niezależnie od stosowanej struktury jest wyposażony w:•  ogranicznik niedowzbudzenia, nazywany także ogranicznikiem kąta mocy (OKM)•  ogranicznik minimalnego prądu wzbudzenia generatora (OMPW)•  ogranicznik indukcji U/f (OI)•  ogranicznik prądu wzbudzenia generatora (OPW)•  ogranicznik prądu stojana generatora (OPS)•  ogranicznik nadnapięciowy (ONN).

Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia (ze wzbudnicą prądu przemiennego i diodowym prostownikiem wzbudzenia) przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia [1]

1

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – problemy wybrane Jacek Klucznik / Politechnika Gdańska Robert Małkowski / Politechnika Gdańska Piotr Szczeciński / Politechnika Gdańska Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

1. Wstęp Stosowane obecnie struktury regulatora generatora oraz nastawienia głównych torów

regulatorów napięcia, wpływają głównie na szybkość regulacji napięcia i stabilność lokalną. W przypadkach zagrożenia związanego z występowaniem niskiego lub wysokiego napięcia, główną rolę w sterowaniu układem wzbudzenia pełnią sygnały z układów regulacji, związanych z ograniczeniem obszaru pracy generatora synchronicznego. Każdy regulator niezależnie od stosowanej struktury jest wyposażony w: • ogranicznik niedowzbudzenia, nazywany także ogranicznikiem kąta mocy (OKM) • ogranicznik minimalnego prądu wzbudzenia generatora (OMPW) • ogranicznik indukcji U/f (OI) • ogranicznik prądu wzbudzenia generatora (OPW) • ogranicznik prądu stojana generatora (OPS) • ogranicznik nadnapięciowy (ONN).

Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia (ze wzbudnicą prądu przemiennego i diodowym prostownikiem wzbudzenia) przedstawiono na rys.1.

UKŁADZAPŁONOWY

WZMACNIACZ

GŁÓWNY

WZMACNIACZ

WSTĘPNY

CZŁONPOMIARUNAPIĘCIA

UKŁADKOMPENSACJI

PRĄDOWEJ

OGRANICZNIK

STRUMIENIA

STABILIZATORSYSTEMOWY

OGRANICZNIK

OGRANICZNIK

OGRANICZNIK

KĄTAMOCY

PUŁAPU PRĄDUWZBUDZENIA

Ugz

Ug

UgPg

Pg

Qg

αz

I fIg

PRĄDU STOJANAI WIRNIKA

CZŁONKOREKCYJNY

Ig

Ug

Uf

Rys. 1. Schemat strukturalny wieloparametrowego regulatora generatora do maszynowych układów wzbudzenia [1]

Page 2: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

52Jacek Klucznik; Robert Małkowski / Politechnika GdańskaPiotr Szczeciński; Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

2. ANALIZA WPŁYWU OBECNEJ STRUKTURY, ALGORYTMÓW DZIAŁANIA I NASTAWIEŃ STABILIZATORA SYSTEMOWEGO (PSS) NA MOŻLIWOŚĆ POWSTANIA I PRZEBIEG AWARII NAPIĘCIOWEJ

2.1. WstępUkład sterujący napięciem wzbudzenia, zapewniający wzrost tłumienia kołysań elektromechanicznych,

nazywany jest stabilizatorem systemowym, skrótowo najczęściej oznaczanym jako PSS (ang. Power System Stabilizer). Taki układ stanowi, poza ogranicznikami, integralną część stosowanych obecnie regulatorów generatorów.

Stabilizatory systemowe można usystematyzować w zależności od liczby sygnałów wejściowych. Wyróżniamy stabilizatory jednowejściowe i wielowejściowe. Sygnał bądź sygnały wejściowe stabilizatora muszą zawierać informację o ewentualnych kołysaniach elektromechanicznych. Dla stabilizatorów jednowejściowych wykorzystywane są: prędkość kątowa wirnika generatora synchronicznego, moc czynna generowana1 lub częstotliwość napięcia na zaciskach generatora. Stabilizatory systemowe wielowejściowe wykorzystują dwa sygnały wejściowe. Najbardziej rozpowszechnione są układy wykorzystujące pomiar prędkości obrotowej wału generatora i pomiar mocy czynnej generatora. Ogólną strukturę jednowejściowego stabilizatora systemowego przedstawiono na rys. 2, zaś dwuwejściowego na rys. 3.

Rys. 2. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego jednowejściowego

Rys. 3. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego dwuwejściowego typu PSS2B [4]

Przyjmując dwie stosowane w KSE struktury stabilizatorów systemowych: jednowejściowy i dwuwejściowy, wykonano serię analiz, poszukując związków między parametrami stabilizatorów a możliwościami przyczynienia się tych układów do utraty stabilności generatorów w kontekście awarii napięciowej.

Analiza pracy stabilizatorów systemowych w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięciowej wykazała, że kluczowe znaczenie ma struktura stabilizatora, wartość współczynnika wzmocnienia oraz wartości ograniczeń wyjściowych. W niektórych sytuacjach działanie stabilizatorów systemowych może mieć niekorzystne działanie z punktu widzenia utrzymania stabilności napięciowej. Wyjaśnienie tego problemu jest następujące: stabilizatory systemowe działają w stanach nieustalonych, gdy zmieniają się wartości sygnałów wejściowych stabilizatora. W  generatorze synchronicznym wyposażonym w  stabilizator systemowy jednowejściowy

1    Jest to najbardziej rozpowszechnione rozwiązanie stosowane w jednostkach wytwórczych pracujących w KSE.

2

1. Analiza wpływu obecnej struktury, algorytmów działania i nastawień stabilizatora systemowego (PSS) na możliwość powstania i przebieg awarii napięciowej

2.1 Wstęp Układ sterujący napięciem wzbudzenia, zapewniający wzrost tłumienia kołysań

elektromechanicznych, nazywany jest stabilizatorem systemowym, skrótowo najczęściej oznaczanym jako PSS (ang. Power System Stabilizer). Taki układ stanowi, poza ogranicznikami, integralną część stosowanych obecnie regulatorów generatorów.

Stabilizatory systemowe można usystematyzować w zależności od liczby sygnałów wejściowych. Wyróżniamy stabilizatory jednowejściowe i wielowejściowe. Sygnał, bądź sygnały wejściowe stabilizatora, muszą zawierać informację o ewentualnych kołysaniach elektromechanicznych. Dla stabilizatorów jednowejściowych wykorzystywane są: prędkość kątowa wirnika generatora synchronicznego, moc czynna generowana1 lub częstotliwość napięcia na zaciskach generatora. Stabilizatory systemowe wielowejściowe wykorzystują dwa sygnały wejściowe. Najbardziej rozpowszechnione są układy wykorzystujące pomiar prędkości obrotowej wału generatora i pomiar mocy czynnej generatora. Ogólną strukturę jednowejściowego stabilizatora systemowego przedstawiono na rys.2, zaś dwuwejściowego na rys. 3.

4

3

11

s

s

sTsT

++

2

1

11

s

s

sTsT

++

pssK5

51sT

sT+

maxsV

minsV

gP stabU

6

1( )1FG s

sT+rω

Rys. 2. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego jednowejściowego

1

11w

w

sTsT+

2

21w

w

sTsT+ 6

11 sT+ ( )

8

9

11

N

MsT

sT

⎡ ⎤+⎢ ⎥

+⎢ ⎥⎣ ⎦1SK 1

2

11

sTsT

++

10

11

11

sTsT

++

3

4

11

sTsT

++

3

31w

w

sTsT+

4

41w

w

sTsT+

2

71SKsT+

3SK

gP

Rys. 3. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego dwuwejściowego typu PSS2B [4]

Przyjmując dwie stosowane w KSE struktury stabilizatorów systemowych: jednowejściowy i dwuwejściowy, wykonano serię analiz poszukując związków między parametrami stabilizatorów, a możliwościami przyczynienia się tych układów do utraty stabilności generatorów w kontekście awarii napięciowej.

Analiza pracy stabilizatorów systemowych w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięciowej wykazała, że kluczowe znaczenie ma struktura stabilizatora, wartość współczynnika wzmocnienia oraz wartości ograniczeń wyjściowych. W pewnych przypadkach działanie stabilizatorów systemowych może mieć niekorzystne działanie z punktu widzenia utrzymania stabilności napięciowej. Wyjaśnienie tego problemu jest 1 Jest to najbardziej rozpowszechnione rozwiązanie stosowane w jednostkach wytwórczych pracujących w KSE.

2

1. Analiza wpływu obecnej struktury, algorytmów działania i nastawień stabilizatora systemowego (PSS) na możliwość powstania i przebieg awarii napięciowej

2.1 Wstęp Układ sterujący napięciem wzbudzenia, zapewniający wzrost tłumienia kołysań

elektromechanicznych, nazywany jest stabilizatorem systemowym, skrótowo najczęściej oznaczanym jako PSS (ang. Power System Stabilizer). Taki układ stanowi, poza ogranicznikami, integralną część stosowanych obecnie regulatorów generatorów.

Stabilizatory systemowe można usystematyzować w zależności od liczby sygnałów wejściowych. Wyróżniamy stabilizatory jednowejściowe i wielowejściowe. Sygnał, bądź sygnały wejściowe stabilizatora, muszą zawierać informację o ewentualnych kołysaniach elektromechanicznych. Dla stabilizatorów jednowejściowych wykorzystywane są: prędkość kątowa wirnika generatora synchronicznego, moc czynna generowana1 lub częstotliwość napięcia na zaciskach generatora. Stabilizatory systemowe wielowejściowe wykorzystują dwa sygnały wejściowe. Najbardziej rozpowszechnione są układy wykorzystujące pomiar prędkości obrotowej wału generatora i pomiar mocy czynnej generatora. Ogólną strukturę jednowejściowego stabilizatora systemowego przedstawiono na rys.2, zaś dwuwejściowego na rys. 3.

4

3

11

s

s

sTsT

++

2

1

11

s

s

sTsT

++

pssK5

51sT

sT+

maxsV

minsV

gP stabU

6

1( )1FG s

sT+rω

Rys. 2. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego jednowejściowego

1

11w

w

sTsT+

2

21w

w

sTsT+ 6

11 sT+ ( )

8

9

11

N

MsT

sT

⎡ ⎤+⎢ ⎥

+⎢ ⎥⎣ ⎦1SK 1

2

11

sTsT

++

10

11

11

sTsT

++

3

4

11

sTsT

++

3

31w

w

sTsT+

4

41w

w

sTsT+

2

71SKsT+

3SK

gP

Rys. 3. Schemat strukturalny stabilizatora systemowego dwuwejściowego typu PSS2B [4]

Przyjmując dwie stosowane w KSE struktury stabilizatorów systemowych: jednowejściowy i dwuwejściowy, wykonano serię analiz poszukując związków między parametrami stabilizatorów, a możliwościami przyczynienia się tych układów do utraty stabilności generatorów w kontekście awarii napięciowej.

Analiza pracy stabilizatorów systemowych w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięciowej wykazała, że kluczowe znaczenie ma struktura stabilizatora, wartość współczynnika wzmocnienia oraz wartości ograniczeń wyjściowych. W pewnych przypadkach działanie stabilizatorów systemowych może mieć niekorzystne działanie z punktu widzenia utrzymania stabilności napięciowej. Wyjaśnienie tego problemu jest 1 Jest to najbardziej rozpowszechnione rozwiązanie stosowane w jednostkach wytwórczych pracujących w KSE.

Page 3: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy

53

wykorzystujący pomiar mocy czynnej, działanie stabilizatorów systemowych widoczne jest wtedy, gdy zmienia się wartość generowanej mocy czynnej.

Zmiany mocy czynnej generatora mogą być powodowane dwoma czynnikami: •  zewnętrznymi – takimi jak zwarcia czy gwałtowne zmiany napięcia w systemie elektroenergetycznym•  wewnętrznymi – związanymi z układem regulacji turbiny, gdy na skutek działania regulacji pierwotnej lub wtórnej bądź zakłóceń związanych z pracą kotła dochodzi do zmiany mocy mechanicznej turbiny.

O  ile w  trakcie zakłóceń zewnętrznych stabilizatory systemowe funkcjonują poprawnie, zwiększając tłumienie kołysań elektromechanicznych, to na skutek zmian mocy turbiny obserwuje się zjawiska mogące przyczynić się do rozwoju lawiny napięciowej.

W  przypadku zmniejszania generacji 0gdPdt

> sygnał wyjściowy stabilizatora jest dodatni2 0stabU < ,

powodujący zwiększanie napięcia wzbudzenia i  tym samym napięcia generatora. Taka sytuacja nie stanowi zagrożenia dla utraty stabilności napięciowej. Sytuacja gorsza może mieć miejsce w  chwili wzrostu mocy

turbiny, gdy 0gdPdt

> i sygnał stabilizatora przyjmuje wartości ujemne 0stabU < . Sygnał stabilizatora, sumując

się z uchybem napięciowym w torze głównym regulatora napięcia, powoduje obniżenie napięcia wzbudzenia i tym samym zmniejszanie napięcia generatora.

2.2. Przykładowe wyniki badań symulacyjnychPrzykład takiego działania przedstawiono na rys. 4a. Symulacje wykonano w układzie jednomaszynowym

dla turbozespołu o mocy 235 MVA, wyposażonego w maszynowy układ wzbudzenia. Współczynnik wzmocnienia stabilizatora systemowego zmieniano, przyjmując 50%, 100% i 200% wartości bazowej, czemu odpowiadają oznaczenia na rysunku k = 0,5, k = 1 i k = 2.

W skrajnie niekorzystnej sytuacji stabilizator systemowy może generować sygnał o wartości wynikającej z ograniczników stabilizatora VSmin, VSmax, które są na poziomie – 0,05÷0,09. Tak więc w najgorszym przypadku stabilizator może powodować spadek napięcia generatora o wartość 0,05, co w połączeniu z obniżeniem poziomu napięcia generatora może stanowić zagrożenie dla utraty stabilności napięciowej. Aby przeciwdziałać temu niekorzystnemu zjawisku, ogranicznik stabilizatora systemowego należy ustawić niesymetrycznie

max minS SV V> , tak aby ograniczyć możliwość zbyt dużego obniżenia napięcia generatora. Druga możliwość

ograniczenia sygnału wyjściowego stabilizatora może być zrealizowana przez zmniejszenie współczynnika wzmocnienia stabilizatora, co jednak powoduje spadek efektywności działania stabilizatora systemowego.

a) b)

Rys. 4. Wpływ wartości współczynnika wzmocnienia PSS na przebieg napięcia generatora przy skokowej zmianie mocy zadanej turbozespołu; a) stabilizator jednowejściowy, b) stabilizator dwuwejściowy

2    Wartość współczynnika wzmocnienia jest ujemna, powodując odwrócenie fazy sygnału wejściowego o 180º.

4

a)

0,9750,98

0,9850,99

0,9951

1,005

0 10 20 30

Ug

[-]

t [s]

k = 1 k = 0,5 k = 2

b)

0,9950,9960,9970,9980,999

11,001

0 10 20 30

Ug

[-]

t [s]

k = 1 k = 0,5 k = 2

Rys. 4. Wpływ wartości współczynnika wzmocnienia PSS na przebieg napięcia generatora przy skokowej zmianie mocy zadanej turbozespołu; a) stabilizator jednowejściowy, b) stabilizator dwuwejściowy

Wady, polegającej na generowaniu niezerowego sygnału wyjściowego 0pssU > przy zmianach mocy turbiny, pozbawione są stabilizatory dwuwejściowe, bazujące na pomiarze mocy czynnej generatora i prędkości obrotowej wirnika generatora3. Dzięki temu nie powodują one powstawania uchybu napięcia przy zmianach mocy turbiny. Przedstawione na rysunku 4b przebiegi wskazują, że zmiany mocy turbiny powodują powstawanie bardzo niewielkiego sygnału wyjściowego stabilizatora systemowego. Dzięki temu przy zwiększaniu mocy jednostki wytwórczych praktycznie nie dochodzi do obniżania napięcia na zaciskach generatora, co było główną wadą stabilizatora jednowejściowego bazującego na pomiarze mocy czynnej generatora.

2.3 Wnioski Analizy prowadzą do następujących wniosków: • Stabilizatory systemowe jednowejściowe, wykorzystujące pomiar mocy czynnej, mogą

prowadzić do obniżania napięcia generatora przy zmianach mocy turbiny. Wartość o jaką obniżone zostanie napięcie, zależy od nastaw stabilizatorów – współczynnika wzmocnienie i ograniczników sygnału wyjściowego. Na podstawie nastaw wybranych stabilizatorów stosowanych w KSE można przyjąć, że maksymalne obniżenie napięcia na skutek działania stabilizatora może sięgać 5%. Taka wartość w skrajnie niekorzystnych warunkach napięciowych może stanowić zagrożenie dla utraty stabilności. Rozwiązaniem sytuacji może być blokowanie wzrostu mocy bloku w sytuacji obniżenia napięcia, co jest również korzystne z punktu widzenia działania ogranicznika prądu stojana. Drugim rozwiązaniem jest stosowanie stabilizatorów dwuwejściowych, gdzie problem z powstawaniem uchybu napięcia przy zmianach mocy turbiny praktycznie nie występuje

• Nie stwierdzono wpływu stabilizatorów dwuwejściowych na możliwość powstania awarii napięciowej. W związku z tym postuluje się instalowanie na wszystkich

3 Obecnie w KSE wykorzystuje się również pomiar częstotliwości napięcia generatora, zamiast pomiaru prędkości obrotowej, nie zmienia to jednak zasady działania stabilizatorów.

< >

Page 4: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

54Jacek Klucznik; Robert Małkowski / Politechnika GdańskaPiotr Szczeciński; Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

Wady, polegającej na generowaniu niezerowego sygnału wyjściowego 0pssU > przy zmianach mocy turbiny, pozbawione są stabilizatory dwuwejściowe, bazujące na pomiarze mocy czynnej generatora i prędkości obrotowej wirnika generatora3. Dzięki temu nie powodują one powstawania uchybu napięcia przy zmianach mocy turbiny. Przedstawione na rys. 4b przebiegi wskazują, że zmiany mocy turbiny powodują powstawanie bardzo niewielkiego sygnału wyjściowego stabilizatora systemowego. Dzięki temu przy zwiększaniu mocy jednostki wytwórczych praktycznie nie dochodzi do obniżania napięcia na zaciskach generatora, co było główną wadą stabilizatora jednowejściowego, bazującego na pomiarze mocy czynnej generatora.

2.3. WnioskiAnalizy prowadzą do następujących wniosków:

•  Stabilizatory systemowe jednowejściowe, wykorzystujące pomiar mocy czynnej, mogą prowadzić do obniżania napięcia generatora przy zmianach mocy turbiny. Wartość, o  jaką obniżone zostanie napięcie, zależy od nastaw stabilizatorów – współczynnika wzmocnienia i ograniczników sygnału wyjściowego. Na podstawie nastaw wybranych stabilizatorów stosowanych w KSE można przyjąć, że maksymalne obniżenie napięcia na skutek działania stabilizatora może sięgać 5%. Taka wartość w skrajnie niekorzystnych warunkach napięciowych może stanowić zagrożenie dla utraty stabilności. Rozwiązaniem sytuacji może być blokowanie wzrostu mocy bloku w sytuacji obniżenia napięcia, co jest również korzystne z punktu widzenia działania ogranicznika prądu stojana. Drugim rozwiązaniem jest stosowanie stabilizatorów dwuwejściowych, gdzie problem z powstawaniem uchybu napięcia przy zmianach mocy turbiny praktycznie nie występuje.

•  Nie stwierdzono wpływu stabilizatorów dwuwejściowych na możliwość powstania awarii napięciowej. W związku z tym postuluje się instalowanie na wszystkich nowo powstających i modernizowanych blokach tego typu układów4. Dobór nastaw takich stabilizatorów musi odbywać się indywidualnie dla każdego z bloków z uwzględnieniem ich specyfiki, sposobu powiązania z systemem elektroenergetycznym itp. Nie można w sposób ogólny podać zalecanych nastaw, zależą one od efektów, które ma powodować stabilizator w  odniesieniu do danego generatora (kołysania własne) i  systemu elektroenergetycznego (kołysania obszarowe i międzyobszarowe).

3. ZASADY ODCIĄŻANIA TURBIN W CELU ZWIĘKSZENIA GENERACJI MOCY BIERNEJ

3.1. WstępWartość mocy biernej, generowanej przez generator synchroniczny, jest nierozerwalnie związana z warto-

ścią napięcia generatora. Ograniczeniem generowanej przez generator synchroniczny mocy biernej jest wartość dopuszczalna prądu stojana i prądu wzbudzenia. Definicja ograniczeń opisanych zależnościami (1) i (2) pozwala na wyznaczenie obszaru dopuszczalnej pracy na płaszczyźnie P-Q, co pokazano na rys. 5.

Rys. 5. Obszar dopuszczalnych stanów pracy generatora synchronicznego przy napięciu znamionowym (linie ciągłe)  i przy napięciu mniejszym od znamionowego (linie przerywane). (1) – granica wynikająca z dopuszczalnej obciążalności prądowej stojana, (2) – granica wynikająca z dopuszczalnego napięcia  (prądu) wzbudzenia,  (3) – granica  równowagi  naturalnej  (wynikająca  z warunku  zachowania  stabilności). Dla uproszczenia na  rysunku pokazano jedynie ograniczenia wynikające z dopuszczalnego prądu stojana i wirnika maszyny.

3    Obecnie w KSE wykorzystuje się również pomiar częstotliwości napięcia generatora, zamiast pomiaru prędkości obrotowej, nie zmienia to jednak zasady działania stabilizatorów.4    Postulat ten jest zgodny z zapisami w IRiESP [6].

5

nowopowstających i modernizowanych blokach tego typu układów4. Dobór nastaw takich stabilizatorów musi odbywać się indywidualnie dla każdego z bloków z uwzględnieniem ich specyfiki, sposobu powiązania z systemem elektroenergetycznym itp. Nie można w sposób ogólny podać zalecanych nastaw, zależą one od efektów, które ma powodować stabilizator w odniesieniu do danego generatora (kołysania własne) i systemu elektroenergetycznego (kołysania obszarowe i międzyobszarowe).

3. Zasady odciążania turbin w celu zwiększenia generacji mocy biernej

3.1 Wstęp

Wartość mocy biernej generowanej przez generator synchroniczny, jest nierozerwalnie związana z wartością napięcia generatora. Ograniczeniem generowanej przez generator synchroniczny mocy biernej jest wartość dopuszczalna prądu stojana i prądu wzbudzenia. Definicja ograniczeń opisanych zależnościami (1) i (2) pozwala na wyznaczenie obszaru dopuszczalnej pracy na płaszczyźnie P-Q, co pokazano na rys. 5.

( )2222gMgggg IUSQP ×=≤+ (1)

2222

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×≤⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

d

fMg

d

ggg x

UUx

UQP (2)

Rys. 5. Obszar dopuszczalnych stanów pracy generatora synchronicznego przy napięciu znamionowym (linie ciągłe) i przy napięciu mniejszym do znamionowego (linie przerywane). (1) – granica wynikająca z dopuszczalnej obciążalności prądowej stojana, (2) – granica wynikająca z dopuszczalnego napięcia (prądu) wzbudzenia, (3) – granica równowagi naturalnej (wynikająca z warunku zachowania stabilności). Dla uproszczenia na rysunku

4 Postulat ten jest zgodny z zapisami w IRiESP [6]

5

nowopowstających i modernizowanych blokach tego typu układów4. Dobór nastaw takich stabilizatorów musi odbywać się indywidualnie dla każdego z bloków z uwzględnieniem ich specyfiki, sposobu powiązania z systemem elektroenergetycznym itp. Nie można w sposób ogólny podać zalecanych nastaw, zależą one od efektów, które ma powodować stabilizator w odniesieniu do danego generatora (kołysania własne) i systemu elektroenergetycznego (kołysania obszarowe i międzyobszarowe).

3. Zasady odciążania turbin w celu zwiększenia generacji mocy biernej

3.1 Wstęp

Wartość mocy biernej generowanej przez generator synchroniczny, jest nierozerwalnie związana z wartością napięcia generatora. Ograniczeniem generowanej przez generator synchroniczny mocy biernej jest wartość dopuszczalna prądu stojana i prądu wzbudzenia. Definicja ograniczeń opisanych zależnościami (1) i (2) pozwala na wyznaczenie obszaru dopuszczalnej pracy na płaszczyźnie P-Q, co pokazano na rys. 5.

( )2222gMgggg IUSQP ×=≤+ (1)

2222

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×≤⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

d

fMg

d

ggg x

UUx

UQP (2)

Rys. 5. Obszar dopuszczalnych stanów pracy generatora synchronicznego przy napięciu znamionowym (linie ciągłe) i przy napięciu mniejszym do znamionowego (linie przerywane). (1) – granica wynikająca z dopuszczalnej obciążalności prądowej stojana, (2) – granica wynikająca z dopuszczalnego napięcia (prądu) wzbudzenia, (3) – granica równowagi naturalnej (wynikająca z warunku zachowania stabilności). Dla uproszczenia na rysunku

4 Postulat ten jest zgodny z zapisami w IRiESP [6]

5

nowopowstających i modernizowanych blokach tego typu układów4. Dobór nastaw takich stabilizatorów musi odbywać się indywidualnie dla każdego z bloków z uwzględnieniem ich specyfiki, sposobu powiązania z systemem elektroenergetycznym itp. Nie można w sposób ogólny podać zalecanych nastaw, zależą one od efektów, które ma powodować stabilizator w odniesieniu do danego generatora (kołysania własne) i systemu elektroenergetycznego (kołysania obszarowe i międzyobszarowe).

3. Zasady odciążania turbin w celu zwiększenia generacji mocy biernej

3.1 Wstęp

Wartość mocy biernej generowanej przez generator synchroniczny, jest nierozerwalnie związana z wartością napięcia generatora. Ograniczeniem generowanej przez generator synchroniczny mocy biernej jest wartość dopuszczalna prądu stojana i prądu wzbudzenia. Definicja ograniczeń opisanych zależnościami (1) i (2) pozwala na wyznaczenie obszaru dopuszczalnej pracy na płaszczyźnie P-Q, co pokazano na rys. 5.

( )2222gMgggg IUSQP ×=≤+ (1)

2222

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ×≤⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛++

d

fMg

d

ggg x

UUx

UQP (2)

Rys. 5. Obszar dopuszczalnych stanów pracy generatora synchronicznego przy napięciu znamionowym (linie ciągłe) i przy napięciu mniejszym do znamionowego (linie przerywane). (1) – granica wynikająca z dopuszczalnej obciążalności prądowej stojana, (2) – granica wynikająca z dopuszczalnego napięcia (prądu) wzbudzenia, (3) – granica równowagi naturalnej (wynikająca z warunku zachowania stabilności). Dla uproszczenia na rysunku

4 Postulat ten jest zgodny z zapisami w IRiESP [6]

Δ

Page 5: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy

55

Gdy wartość generowanej mocy biernej jest zbyt duża, tj. większa, niż wynika to z obszaru dopuszczalnej pracy generatora, regulator generatora zmienia priorytety działania, przechodząc z kryterium regulacji napięcia na pracę z quasi-ustaloną wartością prądu stojana lub prądu wirnika. Układy nazywane ogranicznikiem prądu wirnika oraz ogranicznikiem prądu stojana powodują w  takim przypadku obniżanie napięcia wzbudzenia ge-neratora, powodując tym samym zmniejszenie prądu wzbudzenia (prądu wirnika) oraz zmniejszenie napięcia generatora, co zgodnie z wzorem (1) powoduje zmniejszenie prądu stojana generatora.

Problem zwiększenia możliwości generacyjnych z zakresu mocy biernej jest szczególnie ważny w sytuacji obniżonego napięcia generatora. Na skutek obniżenia napięcia, przy tej samej wartości generowanej mocy czyn-nej Pg1, zwiększeniu ulega wartość prądu stojana. Chcąc nie dopuścić do przegrzania uzwojeń stojana, konieczna jest redukcja mocy biernej. Pokazano to na rys. 5, gdzie po zmniejszeniu napięcia od wartości Ug1 do Ug2 w celu utrzymania generatora w obszarze dopuszczalnych stanów, przy stałej generacji mocy czynnej, konieczne jest obniżenie generowanej mocy biernej z wartości Qg1 do Qg2. W przypadku wystąpienia permanentnego deficytu mocy biernej przyczyni się to do jego pogłębienia.

Inną metodą ograniczenia prądu stojana jest zaniżenie generacji mocy czynnej. Zmniejszenie generacji mocy czynnej z wartości Pg1 do wartości Pg2 w każdym przypadku przyczynia się do zwiększenia możliwości ge-neracji mocy biernej. Generacja mocy biernej może ulec wzrostowi do wartości Qg3, czyli o wartość ΔQg. Wzrost możliwości generacji mocy biernej w warunkach jej deficytu jest cechą pożądaną. Reasumując, zmniejszanie generacji mocy czynnej pozwala na zwiększenie generowanej mocy biernej, przy zachowaniu ograniczeń związanych z  dopuszczalnym prądem stojana bez konieczności obniżania napięcia generatora. Możliwość takiego rozwiązania została zauważona w  referacie poświęconym awarii napięciowej z 26 czerwca 2006 roku [2], jednak nie była tam szerzej podjęta.

3.2. Przykładowe wyniki badań symulacyjnychMożliwość odciążania generatora, jako działanie zapobiegające przeciążaniu się generatora w  stanach

zagrożenia lawiny napięcia, jest dziś wpisana w procedury awaryjne. Jedynym mankamentem jest fakt, że takie odciążanie odbywa się w sposób ręczny na polecenie dyspozytora. W dalszej części pokazano wyniki badań sy-mulacyjnych dla sytuacji, w których nastąpiło automatyczne odciążenie generatora. Kryterium rozpoczynającym procedurę odciążania generatora było obniżenie napięcia oraz pojawienie się kołysania mocy biernej w wyniku wzajemnego oddziaływania ograniczników kąta mocy i prądu stojana5. Pierwszy stopień odciążania zadziałał bezpośrednio po wykryciu zjawiska „przepychania się” ograniczników (działające OPS, OKM oraz kołysanie mocy biernej). Kolejne dwa stopnie pobudzają się po określonym czasie przy założeniu spełnienia warunku jak dla stopnia I. Moc odciążania na kolejnych stopniach stanowiła 5% Pgn.

W literaturze spotkać można różne kryteria, wg których należy rozpocząć proces odciążania automatycz-nego. Uwzględniają one bądź to poziom napięcia oraz opóźnienie czasowe, bądź bliską zeru wartość mocy bier-nej przy działającym ograniczniku kąta mocy. W pierwszym przypadku wadą mogą być stałe wartości nastawień napięcia i czasu opóźnienia, w drugim zaś nie uwzględnia się dynamicznej zmiany granicy pobudzenia OKM, w zależności od poziomu napięcia (przy QogrOKM > 0 dojdzie do pobudzenia OKM, a w OPS nie dojdzie do zmiany znaku). Proponowane rozwiązanie nie ma wspomnianych wad. Potwierdzają to przykładowe wyniki badań symu-lacyjnych dla przypadku dynamicznej Qogr = f(Ug), rys. 7, jak i stałej wartości granicznej OKM, rys. 6.

5    Problemy wynikające z licytowania się ograniczników omówiono w pracy [5].

7

od poziomu napięcia (przy QogrOKM >0 dojdzie do pobudzenia OKM a w OPS nie dojdzie do zmiany znaku). Proponowane rozwiązanie nie posiada wspomnianych wad. Potwierdzają to przykładowe wyniki badań symulacyjnych dla przypadku dynamicznej Qogr = f(Ug), rys.7, jak i stałej wartości granicznej OKM, rys. 6.

a)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80 100

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,70

0,85

1,00

1,15

1,30

1,45

1,60

0 20 40 60 80 100 120 140

If [–]

t [s]IfOGR

c)

0,50

0,70

0,90

1,10

1,30

1,50

1,70

1,90

0 20 40 60 80 100

Ig [–]

t [s]IgOGR

d)

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 20 40 60 80 100

Qg [–]

t [s]

Qogr

e)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

0 20 40 60 80 100

Pg [–]

t [s]Pgz

f)

-7,00

-5,00

-3,00

-1,00

1,00

3,00

5,00

7,00

0 20 40 60 80 100

t [s]

OGR OPS OPW OKM

Rys. 6. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny: a) napięcie generatora, b) prąd wzbudzenia, c) prąd generatora, d) moc bierna generatora, e) moc czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

Nie we wszystkich strukturach ograniczników kąta mocy (OKM) uwzględnia się wpływ napięcia generatora. Wartość napięcia na szynach generatora ma jednak znaczący wpływ na wartość granicy stabilności (obniżenie napięcia skutkuje przesunięciem granicy w stronę mocy indukcyjnej, patrz: rys. 5 krzywe 3). Ogranicznik kąta mocy powinien zmieniać położenie ograniczenia w zależności od wartości napięcia. Poniżej przedstawiono wyniki uzyskane, jak dla przypadku przedstawionego na rys. 6, przy czym uwzględniono tym razem wpływ zmiany poziomu ograniczenia wywołany zmianą napięcia na zaciskach generatora.

a)

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 10 20 30 40 50 60 70

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

0 10 20 30 40 50 60 70

If [–]

t [s]

IfOGR

Page 6: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

56Jacek Klucznik; Robert Małkowski / Politechnika GdańskaPiotr Szczeciński; Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

Rys. 6. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny: a) napięcie generatora, b) prąd wzbudzenia, c) prąd generatora, d) moc bierna generatora, e) moc czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

Nie we wszystkich strukturach ograniczników kąta mocy (OKM) uwzględnia się wpływ napięcia genera-tora. Wartość napięcia na szynach generatora ma jednak znaczący wpływ na wartość granicy stabilności (obni-żenie napięcia skutkuje przesunięciem granicy w stronę mocy indukcyjnej, patrz: rys. 5, krzywe 3). Ogranicznik kąta mocy powinien zmieniać położenie ograniczenia w zależności od wartości napięcia. Poniżej przedstawiono wyniki uzyskane jak w badaniach przedstawionych na rys. 6, przy czym uwzględniono tym razem wpływ zmiany poziomu ograniczenia wywołany zmianą napięcia na zaciskach generatora.

Rys. 7. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny z uwzględnieniem dynamicznej  zmiany QogrOKM =  f(Ug):  a)  napięcie  generatora,  b)  prąd wzbudzenia,  c)  prąd generatora,  d) moc bierna generatora,  e) moc  czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

7

od poziomu napięcia (przy QogrOKM >0 dojdzie do pobudzenia OKM a w OPS nie dojdzie do zmiany znaku). Proponowane rozwiązanie nie posiada wspomnianych wad. Potwierdzają to przykładowe wyniki badań symulacyjnych dla przypadku dynamicznej Qogr = f(Ug), rys.7, jak i stałej wartości granicznej OKM, rys. 6.

a)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80 100

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,70

0,85

1,00

1,15

1,30

1,45

1,60

0 20 40 60 80 100 120 140

If [–]

t [s]IfOGR

c)

0,50

0,70

0,90

1,10

1,30

1,50

1,70

1,90

0 20 40 60 80 100

Ig [–]

t [s]IgOGR

d)

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 20 40 60 80 100

Qg [–]

t [s]

Qogr

e)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

0 20 40 60 80 100

Pg [–]

t [s]Pgz

f)

-7,00

-5,00

-3,00

-1,00

1,00

3,00

5,00

7,00

0 20 40 60 80 100

t [s]

OGR OPS OPW OKM

Rys. 6. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny: a) napięcie generatora, b) prąd wzbudzenia, c) prąd generatora, d) moc bierna generatora, e) moc czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

Nie we wszystkich strukturach ograniczników kąta mocy (OKM) uwzględnia się wpływ napięcia generatora. Wartość napięcia na szynach generatora ma jednak znaczący wpływ na wartość granicy stabilności (obniżenie napięcia skutkuje przesunięciem granicy w stronę mocy indukcyjnej, patrz: rys. 5 krzywe 3). Ogranicznik kąta mocy powinien zmieniać położenie ograniczenia w zależności od wartości napięcia. Poniżej przedstawiono wyniki uzyskane, jak dla przypadku przedstawionego na rys. 6, przy czym uwzględniono tym razem wpływ zmiany poziomu ograniczenia wywołany zmianą napięcia na zaciskach generatora.

a)

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 10 20 30 40 50 60 70

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

0 10 20 30 40 50 60 70

If [–]

t [s]

IfOGR

8

c)

0,85

0,95

1,05

1,15

1,25

1,35

0 10 20 30 40 50 60 70

Ig [–]

t [s]

IgOGR

d)

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 10 20 30 40 50 60 70

Qg [–]

t [s]Qogr

e)

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 10 20 30 40 50 60 70

Pg [–]

t [s]

Pgz

f)

-7,00

-5,00

-3,00

-1,00

1,00

3,00

5,00

7,00

0 10 20 30 40 50 60 70

t [s]

OGR OPS OPW OKM

Rys. 7. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny z uwzględnieniem dynamicznej zmiany QogrOKM=f(Ug): a) napięcie generatora, b) prąd wzbudzenia, c) prąd generatora, d) moc bierna generatora, e) moc czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

3.3 Wnioski z badań symulacyjnych

Przeprowadzone rozważania prowadzą do następujących wniosków:

• Odciążanie generatora poprzez zmianę wartości zadanej mocy czynnej generatora w sytuacji zagrażającej lawinie napięcia, jest czynnikiem zwiększającym zapas stabilności napięciowej generatora. Należy dążyć do automatyzacji tego procesu. W tym celu można zastosować kryterium opisane w pracy – indywidualnie lub w powiązaniu z innymi kryteriami

• Instalowanie ograniczników mocy czynnej powinno być przede wszystkim przeprowadzone w blokach, które najbardziej są zagrożone wystąpieniem lawiny napięciowej

• Zaniżanie mocy czynnej bloków wytwórczych nie ma sensu, jeśli ograniczenia generacji mocy biernej powodują nie układy regulacji generatora, a układu ARNE. Należy więc zweryfikować prawidłowość nastawień stosowanych ograniczników mocy biernej w układach ARNE

• Koniecznym jest zastosowanie w OKM dynamicznej zmiany wartości granicznej mocy biernej Qogr = f(Ug). Uwzględnienie aktualnego poziomu napięcia generatora ułatwia skuteczną ochronę generatora przed utratą stabilności (porównaj: rys. 6 i rys. 7).

7

od poziomu napięcia (przy QogrOKM >0 dojdzie do pobudzenia OKM a w OPS nie dojdzie do zmiany znaku). Proponowane rozwiązanie nie posiada wspomnianych wad. Potwierdzają to przykładowe wyniki badań symulacyjnych dla przypadku dynamicznej Qogr = f(Ug), rys.7, jak i stałej wartości granicznej OKM, rys. 6.

a)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 20 40 60 80 100

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,70

0,85

1,00

1,15

1,30

1,45

1,60

0 20 40 60 80 100 120 140

If [–]

t [s]IfOGR

c)

0,50

0,70

0,90

1,10

1,30

1,50

1,70

1,90

0 20 40 60 80 100

Ig [–]

t [s]IgOGR

d)

-0,20

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

0 20 40 60 80 100

Qg [–]

t [s]

Qogr

e)

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,10

0 20 40 60 80 100

Pg [–]

t [s]Pgz

f)

-7,00

-5,00

-3,00

-1,00

1,00

3,00

5,00

7,00

0 20 40 60 80 100

t [s]

OGR OPS OPW OKM

Rys. 6. Efekt działania odciążania generatora, przy uwzględnieniu znaku mocy biernej przez OPS. Struktura regulatora – korekcyjny: a) napięcie generatora, b) prąd wzbudzenia, c) prąd generatora, d) moc bierna generatora, e) moc czynna generatora, f) sygnały z poszczególnych ograniczników. OGR – sygnał całkowity

Nie we wszystkich strukturach ograniczników kąta mocy (OKM) uwzględnia się wpływ napięcia generatora. Wartość napięcia na szynach generatora ma jednak znaczący wpływ na wartość granicy stabilności (obniżenie napięcia skutkuje przesunięciem granicy w stronę mocy indukcyjnej, patrz: rys. 5 krzywe 3). Ogranicznik kąta mocy powinien zmieniać położenie ograniczenia w zależności od wartości napięcia. Poniżej przedstawiono wyniki uzyskane, jak dla przypadku przedstawionego na rys. 6, przy czym uwzględniono tym razem wpływ zmiany poziomu ograniczenia wywołany zmianą napięcia na zaciskach generatora.

a)

0,75

0,80

0,85

0,90

0,95

1,00

0 10 20 30 40 50 60 70

Ug [–]

t [s]

Ugz

b)

0,80

0,90

1,00

1,10

1,20

0 10 20 30 40 50 60 70

If [–]

t [s]

IfOGR

Page 7: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy

57

3.3. Wnioski z badań symulacyjnychPrzeprowadzone rozważania prowadzą do następujących wniosków:

•  Odciążanie generatora poprzez zmianę wartości zadanej mocy czynnej generatora, w sytuacji zagrażającej lawinie napięcia, jest czynnikiem zwiększającym zapas stabilności napięciowej generatora. Należy dążyć do automatyzacji tego procesu. W tym celu można zastosować kryterium opisane w pracy – indywidualnie lub w powiązaniu z innymi kryteriami.

•  Instalowanie ograniczników mocy czynnej powinno być przede wszystkim przeprowadzone w blokach, które najbardziej są zagrożone wystąpieniem lawiny napięciowej.

•  Zaniżanie mocy czynnej bloków wytwórczych nie ma sensu, jeśli ograniczenia generacji mocy biernej powodują nie układy regulacji generatora, a układu ARNE. Należy więc zweryfikować prawidłowość nastawień stosowanych ograniczników mocy biernej w układach ARNE.

•  Konieczne jest zastosowanie w OKM dynamicznej zmiany wartości granicznej mocy biernej Qogr = f(Ug). Uwzględnienie aktualnego poziomu napięcia generatora ułatwia skuteczną ochronę generatora przed utratą stabilności (porównaj: rys. 6 i rys. 7).

4. WPŁYW LOKALIZACJI BRAMEK WYBIERAJĄCYCH SYGNAŁ W GŁÓWNYM TORZE UKŁADU REGULACJI NAPIĘCIA NA PRZEBIEG AWARII NAPIĘCIOWEJ

4.1. WstępW układach analogowych i cyfrowych w głównym torze regulacji stosuje się z reguły strukturę regulatora

jako wzmacniacza ze sprzężeniem korekcyjnym (rys. 1).Jedną z różnic w spotykanych w KSE układach analogowych i cyfrowych jest sposób wprowadzania sy-

gnałów z ograniczników do toru głównego regulacji. W układach analogowych sygnały ograniczników wprowa-dzane są do węzłów sumacyjnych przed lub za wzmacniaczem z członem korekcyjnym. W stosowanych obecnie cyfrowych układach wzbudzenia stosuje się wprowadzenie sygnałów ograniczników poprzez bramki przejmujące sygnały LV i HV. Wprowadzenie przez jeden z ograniczników do bramki LV wartości mniejszej od sygnału z głów-nego toru regulacji jest jednoznaczne z przejęciem regulacji wzbudzenia przez sygnał z ogranicznika. Wprowa-dzenie do bramki HV sygnałów większych od sygnału z toru głównego regulacji powoduje przejęcie regulacji wzbudzenia przez sygnały z tych ograniczników. Przy niepobudzonych ogranicznikach sygnał z ograniczników wchodzący na bramki LV wynosi 10 V, a na bramkę HV odpowiednio 0 V.

Przykładową strukturę stosowanych regulatorów przedstawiono na rys. 8. Stosowane rozwiązania z wpro-wadzaniem sygnałów z ograniczników do węzłów sumacyjnych, przed lub za wzmacniaczem z członem korekcyj-nym, można spotkać w starszych technologicznie układach wzbudzenia.

Rys. 8. Schemat blokowy toru głównego regulacji napięcia stosowany przez krajowych i zagranicznych producentów układów automatycznej regulacji napięcia

Obecnie stosowane cyfrowe układy regulacji generatorów, których algorytmy regulacji uwzględniają sto-sowanie bramek przejmujących sygnał, nie wymagają dodatkowych układów blokujących ograniczniki, jak to jest w ogranicznikach kąta mocy i ogranicznikach prądu stojana w starszych, analogowych układach regulacji generatorów. Nadrzędność sygnału sterowania w układach cyfrowych jest definiowana kolejnością rozmieszcze-nia bramek przejmujących sygnały sterujące. Zgodnie z rys. 8 sygnał z ogranicznika kąta mocy jest wprowadzany do bramki HV, podrzędnej względem bramki LV. Powoduje to, że sygnał z ogranicznika kąta mocy (OKM) jest podrzędny względem sygnałów z ogranicznika prądu wzbudzenia (OPW) i z ogranicznika prądu stojana (OPS).

9

4 Wpływ lokalizacji bramek wybierających sygnał w głównym torze układu regulacji napięcia na przebieg awarii napięciowej

4.1 Wstęp W układach analogowych i cyfrowych w głównym torze regulacji stosuje się z reguły

strukturę regulatora, jako wzmacniacza ze sprzężeniem korekcyjnym, rys. 1. Jedną z różnic w spotykanych w KSE układach analogowych i cyfrowych jest sposób

wprowadzania sygnałów z ograniczników do toru głównego regulacji. W układach analogowych sygnały ograniczników wprowadzane są do węzłów sumacyjnych przed lub za wzmacniaczem z członem korekcyjnym. W stosowanych obecnie cyfrowych układach wzbudzenia stosuje się wprowadzenie sygnałów ograniczników poprzez bramki przejmujące sygnały LV i HV. Wprowadzenie przez jeden z ograniczników do bramki LV wartości mniejszej od sygnału z głównego toru regulacji jest jednoznaczne z przejęciem regulacji wzbudzenia przez sygnał z ogranicznika. Wprowadzenie do bramki HV sygnałów większych od sygnału z toru głównego regulacji, powoduje przejęcie regulacji wzbudzenia przez sygnały z tych ograniczników. Przy niepobudzonych ogranicznikach sygnał z ograniczników wchodzący na bramki LV wynosi 10V, a na bramkę HV odpowiednio 0V.

Przykładową strukturę stosowanych regulatorów przedstawiono na rys. 8. Stosowane rozwiązania z wprowadzaniem sygnałów z ograniczników do węzłów sumacyjnych przed lub za wzmacniaczem z członem korekcyjnym, można spotkać w starszych technologicznie układach wzbudzenia.

Rys. 8. Schemat blokowy toru głównego regulacji napięcia stosowany u krajowych i zagranicznych producentów układów automatycznej regulacji napięcia.

Obecnie stosowane cyfrowe układy regulacji generatorów, których algorytmy regulacji uwzględniają stosowanie bramek przejmujących sygnał, nie wymagają dodatkowych układów blokujących ograniczniki, jak to jest w ogranicznikach kąta mocy i ogranicznikach prądu stojana w starszych, analogowych układach regulacji generatorów. Nadrzędność sygnału sterowania w układach cyfrowych jest definiowana kolejnością rozmieszczenia bramek przejmujących sygnały sterujące. Zgodnie z rys. 8 sygnał z ogranicznika kąta mocy jest wprowadzany do bramki HV, podrzędnej względem bramki LV. Powoduje to, że sygnał z ogranicznika kąta mocy (OKM) jest podrzędny względem sygnałów z ogranicznika prądu wzbudzenia (OPW) i z ogranicznika prądu stojana (OPS).

4.2 Wyniki badań symulacyjnych Na rys. 9, 11, 13 i 15 przedstawiono przebiegi mocy czynnej i mocy biernej, prądu i

napięcia generatora, napięcia i prądu wzbudzenia oraz sygnały z poszczególnych

Page 8: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

58Jacek Klucznik; Robert Małkowski / Politechnika GdańskaPiotr Szczeciński; Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska

4.2. Wyniki badań symulacyjnychNa rys. 9, 11, 13 i 15 przedstawiono przebiegi mocy czynnej i mocy biernej, napięcia i prądu generatora,

napięcia i prądu wzbudzenia oraz sygnały z poszczególnych ograniczników przy zaniżeniu napięcia w systemie elektroenergetycznym do 370 kV, przy przyjęciu struktury przedstawionej na rys. 8. Zaniżenie napięcia w sys-temie elektroenergetycznym, przy właściwie działających ogranicznikach z zastosowaniem struktury przedsta-wionej na rys. 8, powoduje zmniejszenie wartości napięcia wzbudzenia generatora synchronicznego, co może prowadzić w niektórych przypadkach do utraty synchronizmu przez ten generator. Zaniżenie napięcia w syste-mie elektroenergetycznym powoduje pobudzenie ogranicznika prądu wzbudzenia, później - ogranicznika prądu stojana i ogranicznika prądu wzbudzenia, rys. 15. Ponowne zadziałanie ogranicznika prądu wzbudzenia powo-duje odwzbudzenie generatora synchronicznego i wypadnięcie z synchronizmu. Jak widać na rys. 15, działanie ogranicznika prądu stojana od strony poboru mocy biernej oraz ogranicznika kąta mocy nie wpływa na układ regulacji generatora w wyniku wprowadzenia sygnałów z obu tych ograniczników do bramki podrzędnej. Ze względu na wadliwą lokalizację bramek przejmujących sygnał w głównym torze regulacji, wysoki sygnał wpro-wadzany przez ogranicznik kąta mocy do bramki HV nie może przejąć regulacji. Działanie ogranicznika minimal-nego prądu wzbudzenia w tym przypadku jest zbyt powolne, gdyż prąd wzbudzenia osiąga wartość maksymalną, gdy napięcie wzbudzenia spada do zera, rys. 13. Ogranicznik minimalnego prądu wzbudzenia śledzi wartość prądu wzbudzenia i działanie tego ogranicznika występuje zbyt późno, praktycznie po utracie synchronizmu.

Zmiana struktury głównego toru regulacji napięcia, polegająca na przeniesieniu kolejności bramek przej-mujących sygnał ograniczników LV z HV, powoduje przejęcie sygnału sterującego przez ogranicznik kąta mocy. Sygnał z ogranicznika kąta mocy oraz z ogranicznika prądu stojana od strony poboru mocy biernej w tym przy-padku będą sygnałami nadrzędnymi. Na rys. 10, 12 i 14, 16 przedstawiono przebiegi mocy czynnej i mocy bier-nej, napięcia i prądu generatora, napięcia i prądu wzbudzenia oraz sygnały z poszczególnych ograniczników przy zaniżeniu napięcia w systemie elektroenergetycznym do 370 kV, dla układu regulacji generatora ze zmienioną strukturą toru głównego przedstawioną na rys. 17.

Rys. 9. Przebiegi mocy czynnej, biernej przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV

Rys. 10. Przebiegi mocy czynnej, biernej przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV. Zmiana kolejności bramek LV HV

Rys. 11. Przebiegi napięcia i prądu generatora synchronicznego przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV

Rys. 12. Przebiegi napięcia i prądu generatora synchronicznego przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV. Zmiana kolejności bramek LV HV

Page 9: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu lawiny napięcia – wybrane problemy

59

Rys. 13. Przebiegi napięcia i prądu wzbudzenia generatora synchronicznego przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV

Rys. 14. Przebiegi napięcia i prądu wzbudzenia generatora synchronicznego przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV. Zmiana kolejności bramek LV HV

Rys. 15. Przebiegi sygnałów sterujących w regulatorze napięcia przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV

Rys. 16. Przebiegi sygnałów sterujących w regulatorze napięcia przy powolnej zmianie napięcia systemu elektroenergetycznego w dół z wartości 370 kV. Zmiana kolejności bramek LV HV

Wprowadzenie zmiany kolejności bramek pozwoliło na ochronę generatora synchronicznego przed utratą synchronizmu. Zgodnie z rys. 16, przy zaniżaniu napięcia jako pierwszy działa ogranicznik prądu wzbudzenia, następnie działa ogranicznik prądu stojana, a nadrzędny sygnał z ogranicznika kąta mocy przejmuje regulację i jest w tym przypadku nadrzędnym sygnałem sterującym. Zmiana lokalizacji bramek pozwala na zachowanie przyjętych założeń przy projektowaniu analogowych układów wzbudzenia.

Σ+

- 1+sTA1+sTB

KA1+sTC1+sTD

HVGATELV

GATE

OKM [V]

UNast

Ug

OPW [V]

OPS [V]

OKM [V]

OPW [V]

OPS [V]

Ust

RA

RRRA – regulacja automatycznaRR – regulacja ręczna

Σ+

- 1+sTIA1+sTIB

KIA

IfNast

Ifg

RA – regulacja automatyczna

RR – regulacja ręczna

0-10 [V]

0-10 [V], I2t [A2s]

0-10 [V], I2t [A2s]

Ograniczniki: Nastawy:

Rys. 17. Właściwa kolejność stosowanych bramek wybierających sygnał w głównym torze układu regulacji napięcia

4.3. Wnioski W nowych, obecnie stosowanych cyfrowych układach regulacji generatorów, w torze głównym regula-

tora kolejność bramek wybierających sygnały jest zgodna z normą [4]. W normie oraz w niektórych cyfrowych układach regulacji generatorów kolejność bramek wybierających sygnał jest zgodna z rys. 8 (HV gate; LV gate). Tak usytuowane bramki wybierają jako nadrzędny sygnał z ograniczników prądu stojana i prądu wirnika. Sygnał z ogranicznika kąta mocy wchodzi w pierwszą bramkę wybierającą większą wartość sygnału. Taka struktura jest niedopuszczalna i w stanach niskich napięć będzie powodowała zmniejszenie wartości napięcia wzbudzenia ge-neratora synchronicznego przez ograniczniki prądowe, których sygnały wchodzą w drugą bramkę, wybierającą mniejszą wartość sygnału. Przy takiej strukturze toru głównego regulacji napięcia ostatni element toru jest nad-rzędny w układzie regulacji, jest to niezgodne z założeniami prekursorów – układów analogowych.

Page 10: PRACA REGULATORA GENERATORA W WARUNKACH …yadda.icm.edu.pl/baztech/download/import/contents/BPB7-0022-0004... · Praca regulatora generatora w warunkach sprzyjających powstawaniu

5. PODSUMOWANIE

Szeroka analiza działania regulatora generatora wskazuje na zagrożenia tkwiące w pozornie znanej kon-strukcji, jaką stanowią układy regulacji generatorów synchronicznych. W warunkach obniżonego napięcia źle działający regulator generatora może przyczynić się do zapoczątkowania lawiny napięciowej lub zwiększenia jej skutków. Wyeliminowanie wskazanych w niniejszym referacie zagrożeń przyczyni się znacząco do poprawy bezpieczeństwa pracy systemu elektroenergetycznego.

BIBLIOGRAFIA

1. Zajczyk R., Modele matematyczne systemu elektroenergetycznego do badania elektromechanicznych stanów nie-ustalonych i procesów regulacyjnych, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2003.

2. Madajewski K., Sobczak B., Trębski R., Praca ograniczników w  układach regulacji generatorów synchronicznych w warunkach niskich napięć w systemie elektroenergetycznym, materiały konferencyjne APE ’07, Gdańsk 2007.

3. Kundur P., Power system stability and control, McGraw-Hill 1994.4. IEEE Std 421.5 – 2005 IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies.5. Analiza stanu obecnego i opracowanie zmian w układach regulacji napięcia i mocy biernej w elektrowniach, stacjach

sieci przesyłowej i w sieciach rozdzielczych w celu zmniejszenia ryzyka powstania awarii napięciowych w systemie elektro-energetycznym. Etap II, praca badawczo-rozwojowa wykonana dla PSE-Operator SA.

6. IRiESP – Warunki korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci v. 1.2. Tekst jednolity obowiązujący od dnia: 5 listopada 2007 roku.

60Jacek Klucznik; Robert Małkowski / Politechnika GdańskaPiotr Szczeciński; Ryszard Zajczyk / Politechnika Gdańska