ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННОГО ТУРБОГЕНЕРАТОРА В СОСТАВЕ С ВОЗБУДИТЕЛЕМ БЕСЩЕТОЧНЫМ ДИОДНЫМ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены требования, предъявляемые к цифровым системам управления возбуждением с характеристиками работы, преимущества применения цифровых систем управления возбуждением.

Ключевые слова: цифровая система управления возбуждением (ЦСУВ), возбудитель бесщеточный диодный (ВБД), турбогенератор (ТГ), система возбуждения бесщёточная диодная (СВБД), система импульсно-фазового управления (СИФУ), автоматический регулятор возбуждения (АРВ), ограничение минимального возбуждения (ОМВ), блок управления (БУ).

Введение

Цифровая система управления возбуждением предназначена для питания автоматически регулируемым постоянным током обмотки возбуждения возбудителя бесщеточного диодного синхронного турбогенератора и управления током возбуждения в нормальных и аварийных режимах работы энергосистемы.

Цифровая система управления возбуждением характеризуется: номинальным напряжением обмотки возбуждения, номинальным током в цепи ротора турбогенератора при нормальной работе турбогенератора в энергосистеме; режимом форсировки при коротких замыканиях в энергосистеме; быстродействием цифрового регулирования параметров тока и напряжения возбуждения в аварийных режимах работы единой энергосистемы; быстротой развозбуждения генератора при возникновении неисправности энергоблока.

Система возбуждения бесщёточная диодная (СВБД) в составе с возбудителем бесщеточным диодным (ВБД) и цифровой системой управления возбуждением (ЦСУВ) является быстродействующей, позволяет изменить ток возбуждения синхронного турбогенератора путем изменения угла открытия тиристоров преобразователя в цепи обмотки ротора, а также позволяет выполнить быстрое гашение поля путём перевода тиристорного преобразователя в инверторный режим.

Технические требования, предъявляемые к ЦСУВ

1. Цифровая система управления возбуждением должна реализовывать следующие функции управления, регулирования и защиты:

- управление коммутационной аппаратурой системы возбуждения при пуске, работе и останове генератора;

- питание обмотки возбудителя генератора автоматически регулируемым током;

- обеспечение работы генератора на автономную нагрузку параллельно с сетью или другими генераторами;

- обеспечение защиты согласно п. 1.4;

взаимодействие с САУ;

- контроль и диагностику аппаратуры системы возбуждения.

2. Цифровая система управления возбуждением в режиме автоматического управления током возбуждения должна обеспечивать следующие режимы работы генератора:

- плавное увеличение напряжения генератора до уровня 0,95 номинального за 10... 15 с при начальном возбуждение;

- холостой ход;

- включение генератора в сеть методом точной синхронизации;

- включение генератора в сеть методом самосинхронизации;

- режимы работы генератора в пределах его диаграммы мощностей при отклонениях напряжения статора генератора ±7,5% от номинального значения напряжения генератора и отклонениях частоты на ±3% от номинального значения;

- автоматическое поддержание заданного уставкой напряжения генератора с точностью не хуже 0,5% относительно установленной статической характеристики при работе регулятора по напряжению;

- автоматическое поддержание заданного уставкой соsφ генератора с точностью не хуже 3% при работе регулятора по соsφ;

- автоматическое поддержание заданной уставкой реактивной мощности генератора с точностью не хуже 3% при работе регулятора по реактивной мощности;

- наклон статической характеристики напряжения генератора 0... 10 % в режиме генерирования и 0... 100 % в режиме потребления реактивной мощности;

- изменение уставки напряжения генератора со скоростью 0,5% в секунду в диапазоне от 80 до 110%, относительно номинального напряжения генератора;

- неизменность напряжения на выводах генератора от частоты в режиме холостого хода при изменении частоты от 48,5 до 52 Гц;

- уменьшение уставки напряжения генератора с коэффициентом 2% на 1 Гц изменения частоты при уменьшении частоты генератора от 48,5 до 45 Гц;

- устойчивое равномерное распределение реактивной мощности по статическим характеристикам между генераторами, объединенными на уровне генераторного напряжения, без использования группового регулирования;

- релейную форсировку тока возбуждения генератора до уровня 1,4...2,0 его номинального значения при возмущениях, вызвавших снижение напряжения на выводах генератора на 10-20% и более;

- трехкратный ток статора при коротких замыканиях на выводах генератора;

- ограничение минимального тока возбуждения в соответствии с заводской характеристикой турбогенератора, при работе в режиме потребления реактивной мощности;

- ограничения тока возбуждения на уровне 0,98... 1,1 номинального значения в режиме остывания ротора;

- нормальное гашение тока возбуждения генератора по команде, принятой от дистанционного пульта или по информационной сети;

- аварийное гашение тока возбуждения генератора с отключением питающих автоматических выключателей по сигналам соответствующих датчиков системы защиты.

3. Цифровая система управления возбуждением должна обеспечивать:

- автоматическое управление током возбуждения возбудителя генератора по заданным алгоритмам;

- автоматическое непрерывное слежение резервного регулятора за уставкой работающего регулятора, обеспечивающее при переходе с резервного на работающий канал отклонение напряжения статора генератора на величину не более ±1% в режиме холостого хода или разницу величин тока возбуждения резервного и работающего каналов регулирования не хуже 3% в режиме работы генератора в сети;

- контроль электрических параметров – частоты, тока, напряжения и мощности работающего генератора, изоляции ротора генератора;

- ручное управление (воздействием на кнопки изменения уставки напряжения генератора) током возбуждения возбудителя генератора от нуля до двукратного номинального значения при проведении наладочных работ генератора при питании от внешнего напряжения 220 В, 50 Гц;

- работу по гальванически развязанному контрольному входу (входной сигнал 0... 10 В) при поступлении соответствующей команды и питании от внешнего напряжения 220 В, 50 Гц;

- сигнализацию режима работы и срабатывания защиты.

4. Цифровая система управления возбуждением должна обеспечивать:

- защиту при коротких замыканиях во вращающейся части бесщеточного возбудителя;

- защиту при потере возбуждения;

- защиту от перегрева обмотки возбуждения;

- защиту от превышения предельного тока возбуждения;

- защиту при снижении частоты напряжения статора генератора в режиме холостого хода ниже 45 Гц;

- защиту от повышения напряжения генератора в режиме холостого хода.

5. Электропитание системы должно осуществляться от источников переменного тока 220 В и постоянного тока 24 (27) или 220 В.
6. Цифровая система управления возбуждением должна осуществлять функции контроля, управления и мониторинга. Для этого необходимо организовать: сбор информации о положении коммутационной аппаратуры; сбор информации о работе вторичных источников электропитания; сбор информации о работе контроллеров регуляторов; анализ состояния аппаратуры управления и системы возбуждения, принятие решения и осуществление перевода на резервный канал регулирования.
7. Вся информация о работе системы должна записываться в энергонезависимую память с указанием последовательности событий (дневник событий). Должна быть предусмотрена возможность использования переносного персонального компьютера и регистрация даты и времени установки параметров управления, регулирования и защит.
8. При помощи персонального компьютера или встроенную в шкаф панель оператора, через интерфейсы RS-485 (протокол ModBus RTU) или RS-232, система должна обеспечивать: просмотр дневника событий и информации о работе регулятора; установку параметров управления, регулирования и защит;
9. Управление системой (связь с верхним уровнем управления) должно выполняться по сигналам типа «сухой контакт» или по информационному каналу связи с интерфейсом RS- 485 (протокол ModBus RTU, согласовывается отдельно). Напряжение в цепях сигналов =24 (27) В, ток - не более 0,2 А, или =220 В, ток не более 150 мА.
10. От системы в САУ должны подаваться следующие сигналы: неготовность системы; возбуждение вкл.; возбуждение откл.; регулятор по соsφ включен; регулятор по напряжению включен; регулятор по реактивной мощности включен; пробой диода; частота меньше 45 Гц; КЗ превысило 5 с; превышение Uг; перегрузка по току ротора; ограничение тока ротора; потеря возбуждения; уставка напряжения «Макс.»; уставка напряжения «Мин.».
11.  От САУ в систему должны подаваться следующие сигналы: работа по контрольному входу; режим точной синхронизации; режим самосинхронизации; вкл. возбуждение; откл возбуждение; аварийное откл. возбуждения; масляный выключатель вкл.; включить регулятор по напряжению; включить регулятор по соsφ; включить регулятор по реактивной мощности; работа на автономную нагрузку; установить системные часы в 00.00; увеличить уставку напряжения; уменьшить уставку напряжения.

Преимущества применения ЦСУВ, построенных с применением программно-аппаратных средств, позволяющих гибкое внедрение сложных алгоритмов регулирования и управления

Концептуально при разработке алгоритмов регулирования и управления решались следующие задачи:

1. Максимальное использование в структуре системы регулирования и основных алгоритмах возможности современных процессоров, позволяющих создавать системы управления реального времени с плавающей арифметикой;

2. Расширение функциональных характеристик систем регулирования, без снижения надежности.

3. Максимальное упрощение схемы подключения, наладки и эксплуатации систем возбуждения, снижение нагрузки на эксплуатирующий персонал. Это достигается благодаря минимальному числу программируемых параметров и широко развитой диагностике, позволяющей оперативно определять причину нештатной ситуации.

На одном процессоре реализованы система СИФУ, система диагностики и контроля тиристорного преобразователя, система управления, регулятор АРВ. Это позволяет придать системе регулирования специфичные свойства, проявляющиеся в режиме форсировки, при работе ОМВ и при аварийных отключениях генератора от сети. Цифровая система регулирования позволяет осуществлять в широких пределах устойчивое регулирование напряжения турбогенератора.

Цифровая система управления возбуждением с АРВ обеспечивает все стандартные функции в соответствии с требованиями нормативных документов и ГОСТ 21558 – 2018.

Относительная простота, невысокая стоимость и легкость изменения программы управления позволяют проводить регулярную модернизацию как программной части, так и аппаратной части регулятора, не затрагивая силовое оборудование.

В целом, эксплуатация цифровых микропроцессорных систем возбуждения в течение 20 лет в энергосистеме РФ позволила практически подтвердить их высокие технические и эксплуатационные характеристики.

Список литературы:

1. ГОСТ 21558-2018. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов: [сайт]. М.: Стандартинформ. 2019. – URL https://docs.cntd.ru/document/1200162331 (Дата обращения: 22.05.2023).
2. Степанов В.М., Карпунин Д.А. Цифровые системы возбуждения синхронных генераторов, работающих в составе единой энергосистемы // Энергетика будущего – цифровая трансформация. – 2021. – С. 176-181.
3. Корнилов Г.П., Газизова О.В., Логинов Б.М., Храмшин Р.Р., Соколов А.П., Морщакин А.Э. Исследование системы регулирования возбуждения синхронных генераторов заводских электростанций // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. – 2023. – С. 72-79.
4. Бударина И.В., Трошина О.С. Обзор систем регулирования возбуждения синхронного генератора // Сборник научно-исследовательских работ. – 2014. – Том 1. – С. 61-74.
5. Юрганов А. А., Кожевников В. А. Регулирование возбуждения синхрон­ных генераторов. – СПб.: Наука. – 1996. – 138 с.
6. Васильев А.А., Крючков И.П., Наяшкова Е.Ф., Околович М.Н. Электрическая часть станций и подстанций. – М.: Энергоатомиздат. – 1990. – 551 с.