Анализ существующих систем управления синхронным компенсатором

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ КИБЕРНЕТИКИ, ИНФОРМАТИКИ И СВЯЗИ

 

 

 

Кафедра «Электроэнергетика»

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

 

По дисциплине «Автоматизированное регулирование синхронных компенсаторов»

 

 

 

 

 

 

 

 

Группа: АЭмз-12-1

Магистрант:123.

Проверил: 321.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2014

 

Содержание

 

Введение

1. Анализ существующих систем управления синхронным компенсатором

2. Построение математической модели синхронного компенсатора

3. Построение структурной схемы системы управления синхронным компенсатором

4. Разработка алгоритма функционирования автоматического регулятора

5. Выбор технических средств. Измерительные преобразователи  системы

Заключение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

1. Анализ существующих систем управления синхронным компенсатором

 

1.1 Siemens AG

 

Рисунок 1.1. Simatic S7-300

 

Simatic S7-300 — семейство контроллеров средней производительности фирмы Siemens AG из семейства устройств автоматизации Simatic S7.Количество поддерживаемых входов и выходов до 65536 дискретных/4096 аналоговых каналов. Конструкция контроллера модульная, модули монтируются на профильной шине (рельсе).

Это программируемый контроллер, предназначенный для построения систем автоматизации низкой и средней степени сложности. Основные особенности контроллера:

• модульная конструкция, монтаж модулей на профильной шине (рельсе);
• естественное охлаждение;
• применение локального и распределенного ввода -вывода;
• возможности коммуникаций по сетям MPI, Profibus Industrial Ethernet/PROFInet, AS-i, BACnet, MODBUS TCP;
• поддержка на уровне операционной системы функций, обеспечивающих работу в реальном времени;
• поддержка на уровне операционной системы аппаратных прерываний;
• поддержка на уровне операционной системы обработки аппаратных и программных ошибок;
• Свободное наращивание возможностей при модернизации системы;
• Возможность использования распределенных структур ввода-вывода и простое включение в различные типы промышленных сетей.

 

1.2 ABB

Рисунок 1.2. Контроллер AC 800PEC

 

Контроллер AC 800PEC - Стpуктуpиpованное пpогpаммное обеспечение системы управления обеспечивает подавляющее большинство функции управления, защиты и контроля, необходимых для надежного функционирования системы возбуждения и подобной pегистpации событий с целью пpоведения диагностики и сеpвиса.

Управляющие функции

• Регулятор напряжения (ПИД-фильтp) в автоматическом pежиме;

• Регулятор тока возбуждения (ПИ фильтp) в pежиме pучного упpавления;

• Компенсация статизма по активному и/или pеактивному току;

• Блокировки для ограничения:

– максимального и минимального тока возбуждения;

– максимального тока статоpа;

– недовозбуждения (соотношение P/Q);

– соотношения Вольт/Геpц.

• Режим слежения по выходу:

– Канал автоматического pегулятоpа

напряжения (АРН) 1 ↔ Канал АРН2 (для систем с двумя каналами управления);

– Канал АРН1 ↔ модуль pучного упpавления (для систем с модулем ручного управления)

– автоматический pежим/pежим pучного управления.

• Управление коэффициентом мощности / реактивной мощностью

• Ограничение изменения задания в режиме ручного управления

• Системный стабилизатор

– в соответствии со стандартом IEEE –

PSS2A

– Адаптивный системный стабилизатор

– Многополосный системный стабилизатор.

 

1.3 ЗАО НПП «РУСЭЛПРОМ-Электромаш»

 

Аппаратура управления и защиты выполняется со 100% резервированием: два независимых канала регулирования, каждый из которых обеспечивает все режимы работы генератора. В каждом канале системы управления имеется быстродействующий автоматический регулятор возбуждения АРВ-РЭМ700.

Регулятор АРВ-РЭМ700 представляет собой устройство на микропроцессорной основе, обеспечивающие управление возбуждением, управление логической схемой и защитами с помощью одного устройства. Регулятор АРВ-РЭМ700 управляет током возбуждения, контролирует параметры генератора, обеспечивая управление, ограничение и защиту машины от работы за пределами ее возможностей.

Регулятор АРВ-РЭМ700 обеспечивает:

1) Четыре режима регулирования:

- Автоматического регулирования  напряжения «регулятор РН»;

- Регулятора реактивной мощности  – «регулятор Q»;

- Коэффициент мощности – «регулятор  Cosф»;

- Регулятора тока возбуждения  – «регулятор РТ».

2) Управление возбуждением; 

3) Управление тиристорным преобразователем, системой защит возбуждения;

4)Сбор и хранение массивов  осциллограмм аварийных событий  в быстрой энергонезависимой  памяти;

5) Связь с АСУ-ТП по  интерфейсу RS-485 и протоколу ModBus RTU (возможно подключение с использованием любого из промышленных протоколов Profibus, ModBus, CAN Open, Device Net …);

6) Самоконтроль и самодиагностику.

 

 

2. Построение математической  модели синхронного компенсатора

 

Синхронный компенсатор (СК) — традиционный генератор реактивной мощности, используется в современных ЭЭС и как ее управляемый потребитель [1]. Режим генерирования (выдачи) или потребления определяется возбуждением СК. В соответствии с U-образной его характеристикой (рисунок 2.1, а) при номинальном возбуждении Iв.ном синхронный компенсатор выдает реактивную мощность

 
(2.1)

 

Рисунок 2.1. Характеристики синхронного компенсатора:

а - идеальная U-образная характеристика; б - зависимость вращающих моментов от положения ротора; в - зависимость потребляемой реактивной мощности от внутреннего угла δ

 

а при отсутствии возбуждения (IВ= 0) — потребляет реактивную мощность

 

(2.2)  

Наибольшая возможная загрузка СК потребляемой реактивной мощностью достигается или при граничном отрицательном токе возбуждения Iв.гр или при отсутствии возбуждения (IВ= 0) и внутреннем угле компенсатора δ = π/2, т.е. при расположении ротора по поперечной оси. При этом

(2.3) 

Граничный режим потребления реактивной мощности определяется условием устойчивости работы СК — сохранением синхронизма. Синхронизирующий вращающий момент создается синхронным электромагнитным Мс и реактивным (обусловленным явнополюсностью) Мр моментами:

 

 

(2.4) 

 

В частности, при отсутствии возбуждения СК удерживается в синхронизме только за счет реактивного момента. При отрицательном возбуждении синхронный момент противодействует реактивному и ухудшает устойчивость работы СК.

При отрицательном возбуждении наибольшая потребляемая реактивная мощность -QCK гр теоретически достигается в граничном режиме при δ = 0. Практически в связи с наличием потерь активной мощности (на вентиляцию, трение) мощность -QCK гр достигается при угле δ ≈ π/10 (рисунок 2.1, в).

В граничном режиме СК выпадает из синхронизма. Согласно (2.4) и рисунку 2.1, б при δ = π/4 моменты равны:

 

                                (2.5)

 

а при δ > π/4 синхронизирующий момент отрицательный. Даже при отсутствии отрицательного возбуждения угол δ > π/4 увеличивается, поскольку реактивный момент уменьшается. При δ = π/2, т.е. при положении ротора по поперечной оси, сопротивление статора равно хq и потребляемая мощность достигает наибольшего значения по (2.3) при отсутствии возбуждения (IВ=0). Но такой режим возможен только в условиях искусственной устойчивости СК.

Искусственная устойчивость работы СК при расположении ротора по поперечной оси обеспечивается быстродействующим знакопеременным автоматическим регулированием реверсивного возбуждения СК по отклонениям угла ±Δδ от граничного значения δ = π/2. Возникающие при этом положительный или отрицательный синхронизирующие вращающие моменты замедляют или ускоряют ротор, который, вибрируя, удерживается в динамически равновесном положении по поперечной оси. Обмотка возбуждения СК при этом выполняет роль только удерживающей ротор в указанном положении. Такую же роль удерживания ротора в положении по продольной оси, т.е. при угле δ = 0 и отрицательном возбуждении, может выполнять вторая — обмотка возбуждения, расположенная по поперечной оси ротора.

Такие СК с двумя обмотками возбуждения — основной продольной и удерживающей поперечной — могут загружаться любой, ограниченной лишь термической стойкостью обмоток статора, потребляемой реактивной мощностью при угле положения ротора δ ≈ 0.

Режим значительного потребления реактивной мощности возможен только при автоматическом знакопеременном регулировании тока возбуждения IBq в поперечной обмотке LG2 (см. рис. 3.1). Потребляемая реактивная мощность определяется током возбуждения в основной (продольной) LG1 обмотке ротора.

Таким образом, как и в асинхронизированном генераторе, автоматическое регулирование возбуждения СК с поперечной обмоткой ротора осуществляется двумя отдельными регуляторами, которые в отличие от двух каналов АРВ АСГ не взаимодействуют. Источниками токов возбуждения синхронного компенсатора Iвd, Iвq служат два реверсивных тиристорных возбудителя, управляемых двумя указанными автоматическими регуляторами АРВ-d и АРВ-q.

Первый из указанных регуляторов АРВ-d имеет лишь одно назначение — поддерживать напряжение на шинах электростанции Uш или подстанции путем изменения генерируемой или потребляемой реактивной мощности СК. Он представляет собой пропорционально-дифференциальный (ПД) регулятор, формирующий регулирующее воздействие по отклонению напряжения ΔUш и его производной dUш/dt.

Задачами второго регулятора APB-q являются: удержание СК в режиме искусственной устойчивости при положении ротора по продольной оси и отрицательном токе возбуждения IBd, не ограничиваемом условием равенства (2.5) отрицательного электромагнитного и положительного реактивного вращающих моментов; предотвращение самораскачивания ротора и демпфирование его колебаний и поддержание угла δ ≈ 0. Поэтому регулирующее воздействие Uрег q формируется ПД-регулятором, функционирующим по отклонениям угла Δδ от δ = 0 и по его первой и второй производным.

Таким образом достигается полное использование синхронных компенсаторов в режиме не только генерирования, но и потребления реактивной мощности, причем возможна даже кратковременная, ограниченная лишь термической стойкостью, форсировка СК по реактивной мощности. Повышение скорости набора реактивной нагрузки и снижение инерционности СК с поперечной обмоткой ротора достигаются частичной компенсацией его переходного сопротивления x'd конденсаторами, включаемыми в цепь статора. Такие компенсированные СК имеют и другие полезные в смысле автоматического управления напряжением и реактивной мощностью свойства [83].

 

 

3. Построение структурной схемы системы управления синхронным компенсатором

 

Рисунок 3.1. Функциональная схема автоматической системы регулирования возбуждения синхронного компенсатора с поперечной обмоткой ротора

 

Реверсивное изменение возбуждения СК с продольной LG1 и дополнительной (удерживающей) обмоткой ротора LG2, расположенной по поперечной его оси, создается двумя тиристорными возбудителями VST1, VST2 (рис. 3.1), состоящими каждый из двух встречно включенных тиристорных выпрямителей, подключенных через трансформатор Т к выводам обмоток статора и управляемых двумя автоматическими регуляторами возбуждения АРВ-d и АРВ-q.

Алгоритмы функционирования автоматических регуляторов определяются их назначением. Регулятор АРВ-d обеспечивает поддержание напряжения на шинах Uш путем изменений генерируемой или потребляемой СК реактивной мощности. На него возлагается и задача демпфирования качаний синхронных генераторов электростанций путем создания принудительных колебаний напряжения на шинах с частотой колебаний роторов генераторов с фазой, обеспечивающей эффективное их затухание.

Это достигается использованием сигнала по изменениям активной мощности Δ'РЛ в линии электропередачи, формируемого реальным дифференцирующим звеном. Регулирующее воздействие Uper d определяется суммой сигналов, отображающих отклонение напряжения ΔU =Uш – Uш.пр, производную напряжения и изменение мощности Δ'РЛ.

 

В операторной форме алгоритм автоматического регулирования

 

   (3.1)

 

Сигнал, формируемый по производной напряжения, стабилизирует автоматическую систему регулирования возбуждения по продольной оси, т.е. предотвращает ее переход в неустойчивый автоколебательный режим, при обычно весьма высоких значениях коэффициента усиления сигнала по отклонению напряжения kU(kU ≥ 100).

Алгоритм автоматического регулирования возбуждения по поперечной оси определяется его назначением, состоящим: в удержании ротора в положении по продольной оси, т.е. при угле δ = 0, в режиме потребления реактивной мощности при отрицательном токе возбуждения в продольной обмотке возбуждения LG1; в демпфировании колебаний ротора в этом режиме искусственной устойчивости СК. Поэтому регулятором АРВ-q используются сигналы по отклонению угла Δδ от δ = 0, его производной и отклонению (появлению) электромагнитного момента — активной мощности ΔР на валу СК. В операторном виде алгоритм автоматического регулирования

 

  (3.2)  

Автоматические регуляторы АРВ-d и APB-q содержат соответствующие алгоритмам (3.1) и (3.2) измерительные органы (см. рисунок 3.1): напряжения ИОН с дифференциатором AD1; активной мощности линии ИОАМ с реальным [с постоянной времени Тд.р — см. (4.7)] дифференциатором AD2; угла положения ротора ИОУ, подключенного к ИПУ и TV (см. рисунок 3.2) с дифференциатором AD3 и электромагнитного момента ИОЭМ на валу СК с элементом сравнения непрерывного действия ЭСНД.

 

Рисунок 3.2. Графики, иллюстрирующие формирование выходного напряжения измерительного органа угла автоматического регулятора знакопеременного возбуждения

 

Измерительные органы ИОАМ и ИОЭМ содержат измерительные преобразователи мощности линии ИПАМ1 и синхронного компенсатора ИПАМ2, подключенные к измерительным трансформаторам TV, ТА 1 и ТА соответственно; задающие элементы ЗЭ1, ЗЭ2 устанавливают сигналы, отображающие установленную передаваемую мощность по линии и мощность СК, определяемую главным образом его вентиляцией.

Измерительные части регуляторов выполняются на интегральных микросхемах: ИОН с использованием управляемых интеграторов AJ, как и в микроэлектронном аналоговом АРВ СДП синхронных генераторов (см. рис. 3.10), а измерительный орган внутреннего угла ИОВУ— аналогично описанному измерительному органу автоматического регулятора знакопеременного возбуждения СК без поперечной обмотки.

После суммирования сигналов измерительных органов интегральными сумматорами AW1, AW2 сигналы преобразуются исполнительными усилителями Al, А2 в регулирующие воздействия Upeг d, Upeг q на элементы управления ЭУ1 - ЭУ4 тиристорами возбудителей через разделительные диоды. Разнополярные напряжения Upeг d и Upeг q воздействуют на разные тиристорные выпрямители возбудителей VST1, VST2 синхронного компенсатора GC.

Построим структурную схему системы управления:

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.3. Структурная схема автоматической системы регулирования возбуждения синхронного компенсатора с поперечной обмоткой ротора

В которой:

 - измеритель тока и напряжения

 - датчик угла положения ротора

 - аналого-цифровой преобразователь

 - элемент сравнения

- сумматор

 - усилитель сигнала

- регулятор

 - исполнительный орган

- синхронный компенсатор

 

4. Разработка алгоритма  функционирования автоматического  регулятора

 

6. Выбор технических средств. Измерительные преобразователи системы

Для обеспечения бесперебойной работы синхронного компенсатора необходимо обеспечить высокую точность первичной информации.

В основными входными параметрами системы являются:

- ток на входе СК (Iск);

- напряжение на выходных  шинах СК (Uш);

- текущее значение угла  рассогласования между вектором  магнитной индукции статора СК  и геометрической осью симметрии  ротора СК (Өрот).

- ток линии электропередачи (линии обслуживаемой СК) (Iл);

 

Согласно требованиям [2], класс точности первичных измерительных преобразователей должен быть не ниже 0.5. Исходя из этого требования проведен выбор трансформаторов напряжения и тока.

 

6.1 Трансформатор напряжения

В системе использован измерительный трансформатор напряжения НАМИ-10-95 (10000/100) 200ВА (Трехфазный антирезонансный масляный трансформатор).

Технические характеристики приведены в таблице 6.1

 

Таблица 6.1 Технические характеристики трансформатора НАМИ-10-95

Характеристики	Значения
Номинальное напряжение, Uном, кВ	10
Наибольшее рабочее напряжение, Uнр, кВ	12
Номинальная частота, fном, Гц	50
Номинальное напряжение Uном первичной обмотки, В	10000
Номинальное напряжение основной вторичной обмотки, В	100
Класс точности	0,3; 0,5; 1,0
Номинальная мощность основной вторичной обмотки, В·А	200
Предельная мощность, В·А, основная вторичная обмотка	250

 

6.2 Трансформатор тока

В качестве датчика тока ТА предлагается использовать высоковольтный проходной измерительный трансформатор тока ТПОЛ-10.

Трансформаторы предназначены для передачи сигнала измерительной информации измерительным приборам, устройствам защиты и управления, а также для изолирования цепей вторичных соединений от высокого напряжения в электрических установках переменного тока частоты 50 или 60 Гц на класс напряжений до 10 кВ включительно.

Технические характеристики приведены в таблице 6.2

Характеристики	Значения
Номинальное напряжение, кВ	10 или 11
Наибольшее рабочее напряжение, кВ	12
Номинальный первичный ток, А	20; 30; 40; 50; 75; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 600; 800; 1000; 1500; 2000
Номинальная частота, Гц	50 или 60
Номинальный класс точности вторичной обмотки	0,2; 0,2S; 0,5S; 0,5; 1

 

6.1.3 Датчики температуры

В качестве датчиков температуры предлагается использовать термометры сопротивления типа KTY 84-130 (Philips Semiconductors).

 

 

Список используемой литературы

 

1) Овчаренко Н.И. "Автоматика  энергосистем", М., "Издательство  МЭИ", 2009г

2) Общие технические требования  к управляющим подсистемам агрегатного  и станционного уровней АСУ  ТП ЭС

РД 153-34.0-35.519-98

3) Высоковольтные трансформаторы тока, методические указания: [http://window.edu.ru]

4) . Проходные трансформаторы тока: [http://www.cztt.ru] // ОАО "Свердловский завод трансформаторов тока"

5) НАМИ - 10-95 [http://www.ramenergy.ru] // Раменский электротехнический завод «Энергия»

6) Кудрин Б.И. "Энергоснабжение  промышленных предприятий", "Интермет Инжиниринг", 2006г

7) Копылов И.П. "Математическое  моделирование электрических машин", М., "Высшая школа", 2001г

8) Технический каталог [http://www.ruselprom.by] // ООО «Русэлпром-Бел»

9) Каталог продукции [http://www.abb.ru] // ABB