Анализ переходных процессов в энергосистемах с гидроэнергетическими установками

УДК. 621.311


АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭНЕРГОСИСТЕМАХ
С ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИ
О. Ё. НУРМАТОВ, С. К. МАТКАРИМОВ

Развитие исследований переходных процессов в гидроэнергетических установках до последнего времени осуществлялось по двум основным направлениям, а именно: изучение гидромеханических процессов в гидромашинные, изучение электромеханических процессов в гидрогенераторе и в энергосистеме. Совместному исследованию этих составляющих единого процесса уделялась мало внимания. В данной статье приведены результаты исследования выше указанных двух направлений. В заключении сделать вывода по влиянию АРВ на демпфирует режимных параметров и обеспечение устойчивой работу гидроэнергетических уставов

Until recently, the development of research on transient processes in hydropower plants was carried out in two main areas, namely, the study of hydromechanical processes in hydromachine, the study of electromechanical processes in a hydrogenerator and in the power system. Little attention was paid to joint research on these components of a single process. This article presents the results of the study of the above two directions. In conclusion, to draw conclusions on the effect of ARVs on damping regime parameters and ensuring sustainable operation of hydropower charters


Gidroenergetik qurilmalardagi o'tkinchi jarayonlarni tadqiq qilish oxirgi yillarda ikkita asosiy yo'nalish bo'yicha amalga oshirilgan: gidromexanik jarayonlar gidromashinalarda o'rganish, elektromexanik jarayonlarni generator hamda sistemada o'rganish. Ushbu ikkita yo'nalishni birgalikda tadqiq qilishga kam etibor berilagan. Ushbu maqolada yuqoridagi ikkita yo'nalish bir vaqtning o'zida tadqiq qilish natijalari keltirilgan. ARVl arni ta'minlash to'g'on rejim parametrlari va gidroenergetika sohasidagi faoliyatning barqaror ishlashini ta'minlash bo'yicha fikr yuritilgan


Опыт эксплуатации гидроэнергетических установок (ГЭУ) показывает, что наибольшее число аварий основного и вспомогательного оборудования происходит при маневрировании, пусках и остановках агрегатов, т.е. при переходных процессах. Продолжительность переходных процессов обусловлена параметрами оборудования и сооружения, компоновочными особенностями агрегатного блока, условиями работы в энергетических и водохозяйственных системах.
Переходные процессы характеризуются значительным увеличением динамических нагрузок на элементы оборудования и строительных конструкций. Увеличение динамических нагрузок в переходных режимах работы при качественно собранном и исправном оборудовании обусловлено в первую очередь повышенной интенсивностью пульсаций давления на стенки проточной части гидросооружений.
Развитие исследований переходных процессов в гидроэнергетических установках до последнего времени осуществлялось по двум основным направлениям, а именно: изучение гидромеханических процессов в водоводах и гидромашине, изучение электромеханических процессов в гидрогенераторе и в энергосистеме. Совместному исследованию этих составляющих в едином процессе уделялась мало внимания, за исключением работ [1, 3], в которых указанные выше переходные процессы существенно затронуты.
В случаях необходимости более точного расчета режимов (синхронизация или самосихронизация синхронного двигателя, влияния вида короткого замыкания и.т.д.), следует пользоваться уравнениями полной модели первого класса точности. Например, режим пуска синхронного двигателя можно исследовать на основе полных уравнений, приведенных к виду:
,
,
, (1)
,
,
,
где
, ,
, ,
, ,
.
M = _qI_d - _dI_q. (2)
Электромагнитные моменты двигателей могут быть определены и по следующим формулам:
- для синхронного двигателя;
(3)
- для асинхронного;
(4)
Для асинхронного двигателя используется также упрощенная формула Клосса [1]:
, (5)
где М_Д^м – максимальный момент асинхронного двигателя, s_кр– критическое скольжение машины.
При расчетах в целях упрощения, как правило, электромагнитный и гидромеханический моменты заменяют соответствующими мощностями, т.е., М_ДВ = Р_ДВ и М_НАС = Р_НАС.
Окончательно, обобщенную систему уравнений электро- и гидромеханической системы с учетом ранее приведенных соотношений можем написать в виде:
- уравнение расхода:
, (6)
- уравнение напора:
, (7)
- уравнения синхронного двигателя:
, (8)
(9)
- уравнение асинхронного двигателя:
,
- уравнения регулятора возбуждения синхронного двигателя, соответственно:
- переходной э.д.с:
, (10)
- напряжения на кольцах ротора:
, (11)
- напряжения на входе возбудителя:
. (12)
В приведенных уравнениях обозначения те же, что и ранее использованные в предыдущих главах.
Изменения параметров режима электрической системы и элементов насосной станции существенно влияют на переходные процессы и определяют надежность и устойчивость работы насосного агрегата, как элемента электрической системы. Получаемые результаты могут быть использованы при реконструкции существующих и проектировании новых насосных станций, поэтому переходные процессы рассмотрены для определенного диапазона изменения этих параметров. Рассмотрены процессы при резком изменении напряжения шин электрической системы и генератора, вариации таких параметров как постоянные времени, коэффициент демпфирования синхронного двигателя и др.
Приведенные ниже результаты расчетно-экспериментальных исследований соответствуют основным условиям насосной станции Хамза-2 и имеют следующие значения [1, 2,3]:
- синхронный двигатель типа ВДС-375-130-24: номинальная мощность Р = 12,5 МВт, номинальное напряжение U=10 кВ, номинальный коэффициент мощности cos =0,8, маховая масса GD²=87 тм². Электромагнитные параметры машины приняты равными: синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси х_d= 1,2, ; синхронное индуктивное сопротивление по поперечной оси х_q= 0,9, переходное индуктивное сопротивление =0,3, коэффициент демпфирования машины Р_d = -0,5 + 0,5.;
- возбудитель ВВС-99-24-8: номинальное напряжение U_f=130 В, номинальный ток I_f=960 А;
- автоматический регулятор возбуждения: постоянное времени возбуждения Т_е = 0,5 с., постоянное времени регулятора Т_р= 0,1 с, постоянные времени измерительного, преобразовательного и дифференцирующего элементов не учитываются – Т_И = Т_П = Т_Д = Т_ДД = 0, коэффициент усиления АРВ по каналу напряжения К_0U = 1-50 ед.возб, коэффициенты усиления по каналам производной напряжения К_1U = К_2U = 0-5 ед.возб/с.
- насос ОПВ10-260: подача Q=40 м³/с, напор Н=(37-55) м, частота вращения ь n=250 об/мин, коэффициент полезного действия η=0,86;
- трубопровод: длина L=1500 м, диаметр D=4,24 м, толщина стенок ε=20 мм, скорость распространения волны с=1000 м/с;
- электрическая система: индуктивное сопротивление линии до шин системы х_л= 0,2 о.е., индуктивное сопротивление трансформатора связи х_Т= 0.1 о.е, номинальное напряжение на высшей стороне U_л=1 о.е. (в абсолютных единицах равно 110 кВ). В номинальном режиме потребляемая активная мощность Р_ДВ = 1 о.е, реактивная мощность Q = ± 0,3 о.е.
Расчеты проводились в относительных единицах, в которых в качестве базовых принимались номинальные значения параметров режима.
Режим изменения напряжения может возникать часто, особенно во время прохождения пикового режима электрической системы.
На рис. 1 приведены характеристики переходного режима при повышении на 5% напряженияна шинах приемной системы по отношению к нормальному режиму, полученные на основе решения системы уравнений (8-10). Из них видно, что расход и напор насосного агрегата незначительно повышаются, а параметры электромагнитного переходного процесса изменяются существенно. Отклонения электромагнитной мощности вращения могут происходить от +30% до -90%, а угла нагрузки до 3 радиан. Процесс в целом устойчивый, так как автоматический регулятор возбуждения срабатывает в правильном направлении и уменьшает электродвижущую силу, воздействуя на магнитный поток машины. Колебания угла нагрузки и его производной происходят согласованно.
Одним из тяжелых режимов является снижение напряжения на шинах станции, в особенности на шинах системы. Анализ показывает, что снижение напряжения на шинах системы более чем на 8% приводит к выходу СД из синхронизма, если в этот период по какой – либо причине АРВ машины отключается. Приведены характеристики переходных процессов при снижении напряжения на шинах системы на 2%.