Обеспечение надежного функционирования электроэнергетических систем было и до сих пор остается одной из важнейших задач. Составной частью этой задачи является проблема устойчивости параллельной работы синхронных машин.

Повышение и сохранение устойчивости может быть достигнуто различными способами, в том числе применением фазового регулирования. В Новосибирском государственном техническом университете на кафедре автоматизированных электроэнергетических систем исследования фазового управления проводятся в течение длительного времени [1,3,4]. В 70-80-х гг. впервые в мире были поставлены уникальные эксперименты по применению фазового регулирования, подтвердившие эффективность метода [2]. Этой же теме посвящены и работы других авторов [5,6,7].

Эффективность применения фазового регулирования в значительной степени зависит не только от выбранных законов управления, но и от свойств и конструкции фазосмещающих средств. Так, например, использование в качестве таких устройств трансформаторов с различными группами соединения обмоток или набора выключателей с круговой перестановкой фаз, приводит к дискретной реализации управляющих воздействий. Непрерывное регулирование требует особых фазорегуляторов, способных непрерывно смещать фазу. Широкое применение фазового управления в электроэнергетических системах сдерживалось именно отсутствием надежных фазосмещающих устройств большой мощности. По этой причине фактически реализованным можно считать только дискретное фазовое управление синхронными двигателями.

Однако в последнее время появляются новые фазосдвигающие средства, в связи с чем является целесообразным дальнейшее исследование эффективности и границ применения фазовых воздействий, направленных на повышение динамической устойчивости, а также определение требований, которым должны удовлетворять фазосмещающие устройства.

Исследование фазового управления проводилось на схеме простейшей ЭС.

Для описания электромеханических переходных процессов с общепринятыми допущениями, не искажающими суть исследуемого процесса, использовано уравнение движения ротора генератора с учетом фазового сдвига.

Исследована работа станции Рном = 1350 МВт, Tj= 12,7 с через трансформатор и линии электропередачи 500, 200 кВ в систему. До аварии станция работает с номинальной нагрузкой, равной в относительных единицах 1. В момент времени амплитуда электромагнитной мощности генератора скачкообразно изменяется от 1,2 в относительных единицах (что соответствует 20 - процентному запасу статической устойчивости) до нуля, имитируя короткое замыкание. Спустя время tоткл, защита отключает поврежденный участок, и генератор переходит на послеаварийную характеристику, максимум которой равняется 1,08 относительных единиц (что соответствует послеаварийному 8 - процентному запасу статической устойчивости). Указанные условия являются достаточно тяжелыми, и динамическая устойчивость электропередачи теряется. Сохранению устойчивости способствует работа фазорегулятора, способного непрерывно смещать фазу.

Такое регулирование позволяет полностью компенсировать изменение угла ротора генератора, сохраняя синхронную работу генератора с системой.

Скорость фазорегулятора должна достигать нескольких сот градусов в секунду для сохранения динамической устойчивости, возможное запаздывание при этом не должно превышать нескольких десятых секунды. Дальнейшее увеличение запаздывания приводит к потере динамической устойчивости, однако сохраняется результирующая устойчивость при условии дальнейшего увеличения скорости регулирования. Во всех перечисленных случаях генератор после аварии работает со скольжением относительно системы. Диапазон смещения фазы, таким образом, должен составлять 360 градусов, а фазорегулятор должен быть способен постоянно работать в заданном режиме. Уменьшение коэффициента усиления при отклонении угла ротора генератора до величины примерно 0,8 приводит к появлению ошибки в регулировании. Последнее влечет за собой появление сил, действующих на ротор и стремящихся вернуть его в синхронное вращение с вектором напряжения системы. Таким образом, появление ошибки со временем приводит к исчезновению скольжения генератора и позволяет прекратить работу фазорегулятора.

Применение пропорционально – интегрального регулирования и регулирования по производным ведет к снижению ошибки регулирования, а значит, к утяжелению работы фазосмещающего устройства. Наоборот, ведение в закон регулирования демпфирующей составляющей, равной производной угла ротора с отрицательным коэффициентом, ускоряет завершение переходного процесса. Установившиеся значения физического угла ротора генератора и результирующего угла отличаются на величину фазового смещения. В этом случае скорость фазорегулятора должна достигать тысячи градусов в секунду для сохранения динамической устойчивости, возможное запаздывание не должно превышать сотых долей секунды.

Целью дискретного фазового управления является повышение динамической устойчивости посредством увеличения возможной энергии торможения генераторов. После перехода на послеаварийную характеристику фазорегулятор отслеживает и фиксирует момент перехода угла ротора генератора через критическое значение, после чего осуществляет скачкообразное изменение фазы на заданную величину сдвига в сторону опережения. В рассматриваемом примере сдвиг с дискретностью в 30 градусов приводит к шестикратному смещению фазы, что в результате составляет 180 градусов, причем минимальный интервал между переключениями имеет величину порядка десятой доли секунды. В случае дискретного смещения фазы с интервалом 60 градусов количество переключений уменьшается вдвое, а минимальный интервал между переключениями возрастает до величины двух – трех десятых секунды.

В этом случае фазовый переход приводит к появлению максимально возможной дополнительной энергии торможения. Дальнейшее увеличение интервала смещения фазы будет приводить к появлению и дополнительной энергии ускорения. При достижении величиной фазового сдвига некоторого (критического) значения энергии сравняются, и дальнейшее увеличение сдвига будет утяжелять переходной процесс. Необходимо учитывать ограничение на количество фазовых сдвигов, вызванное конструктивными особенностями фазосмещающего устройства. В случае более легкой аварии и более быстрой ее ликвидации или в случае работы станции с выдаваемой мощностью меньшей номинальной условия для работы фазорегулирующих устройств значительно облегчаются.

ЛИТЕРАТУРА

1. Чебан В.М., Фишов А.Г., Ландман А.К. Управление режимами электроэнергетических систем в аварийных ситуациях: Уч. пособие для электроэнергет. спец. вузов. М.: Высшая школа, 1990.

2. Чебан В.М., Георгиевский В.Л., Георгиевская С.К. и др. Экспериментальное исследование фазового управления фазовыми переходами // Электричество. 1978. №12, С. 35-38.

3. А.С. №176624 СССР. Способ повышения динамической устойчивости / Чебан В.М. // Открытия. Изобретения. 1965. №23.

4. Cheban V.M., Dolgov A.P., Fishov A.G., Ptushkin G.S. Phase shift control of transients in electrical power systems // Electrical Power & Energy Systems. 1981. Vol 3, №1. P. 38-41.

5. O'Kelly, Musgrave G. Improvement of power system transient stability by phase – shift insetion. Proceedings of Institute of Electrical Engeneering 1973, 120 №2, 247-252.

6. Lopes L.A.C.; Joos G.; Ooi B.T. A high – power PWM qudrature phase shifter based on a multimodule ac controller // IEEE Trans on Power, vol 13, no 2, March 1998, pp 357-365.

7. Johnson B.K.; Venkataraman G.; Manjrekar M. Hybrid solid state phase shifter for continuous phase shift control in transmission lines // Proceedings, Canadian Conf on Electrical and Computering (CCEC'96), Calgary, Canada, May 29, 1996, vol 2, pp 851-854.