Аннотация
Zvonimir Jurin, Blazenka Brkljac , Marin Kolic, Mladen Kajari, Vinko Cesic – Системы возбуждения синхронного генератора высокой мощности в конфигурации с резервированием. В статье показана синхронная система возбуждения генератора с тиристорным преобразователем, регулятором напряжения и цифровым автоматом гашения поля оборудования.
Введение
Для достижения высокой доступности синхронных генераторов для производства электрической энергии, внимание должно быть уделено повышению доступности всех подсистем генератора и среди них синхронной системы возбуждения генератора при очень длительной эксплуатации. Требования к наличию системы возбуждения, помимо ее технических функций, всегда были высокими, и улучшения все еще осуществляются.
Система возбуждения состоит из возбудителя (источник мощности возбуждения) и регулятора напряжения.
В статье рассматриваются решения с применением тиристорного выпрямителя возбуждения и цифрового регулятора напряжения с целью достижения удачной конфигурации с резервированием, обладающей повышенной надежностью в работе синхронных генераторов.
Реальное решение системы возбуждения состоит из большого количества электрических, электронных и механических компонентов и программных продуктов, которые работают совместно в тяжелых технических условиях.
Основными техническими требованиями к окружающей среде являются экстремальные температуры, рабочие температуры и температуры хранения, их отклонения и скорость изменения в сочетании с влажностью, пылевым и масляным паром, вибрациями и ударными напряжениями и электромагнитными помехами.
Требования к источнику энергии возбуждения зависят от характеристик машины и ее роли в энергосистеме. Имеется источник и управляемый выпрямитель возбуждения (статическая система возбуждения), генератор, который снабжен системой возбуждения выпрямителя (бесщеточной системой возбуждения), которые используют механическую энергию на валу генератора и вспомогательного постоянного напряжения генератора вала и статического тиристорного выпрямителя. Контролируемый им источник-выпрямитель возбудителя, который использует напряжение и ток синхронных генераторов, в качестве источника возбуждения, вместе с тиристорным управляемым выпрямителем также используется для специальных целей.
Наиболее актуальное и самое распространённое в мире исполнение системы возбуждения синхронного генератора – источник возбуждения с тиристорным выпрямителем с цифровым регулятором напряжения.
Основным подходом к достижению высокой надежности и доступности является применение правильных и высококачественных компонентов. Во избежание производственных сбоев необходимо проводить своевременные комплексные испытания. Кроме того, невозможно гарантировать, что не сможет произойти никакой сбой.
Рисунок 1 – Блок-схема статической системы возбуждения с тиристорным преобразователем в конфигурации 1+1
, двухканального цифрового регулятора напряжения и оборудования гашения поля.
Для того, чтобы свести к минимуму риск отказа системы синхронного генератора возбуждения и отключения производства генератора применяется аппаратное и программное обеспечение резервирования:
- Тиристорный преобразователь конфигурации n-1 и 1 + 1;
- Двухканальный цифровой регулятор напряжения;
- Оборудование разрядки поля и защита от перенапряжений;
ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В КОНФИГУРАЦИИ N-1
И 1 + 1
Стандартное решение системы возбуждения тиристорного преобразователя представляет собой трехфазный мостовой преобразователь с одним тиристором последовательно и n тиристором параллельно на одно плечо моста. Плавкие предохранители соединены последовательно с каждым тиристором, Рис. 2. Количество параллельных тиристоров на плечо n>3, для поддержания селективности защиты предохранителей. Текущие данные тиристора таковы, что он способен выдержать все статические и переходные процессы, добавлен один дополнительный тиристор на плечо по соображениям безопасности.
Рисунок 2 – Тиристорный преобразователь в конфигурации N-1
В настоящее время применяется конфигурация тиристорного преобразователя 1 + 1
рис. 3, поскольку высокоэффективные тиристоры теперь доступны. Эта конфигурация состоит из двух одинаковых трехфазных мостовых преобразователей с 1 тиристором в последовательно и 1 тиристором параллельно на плечо моста. Каждый мост рассчитан, чтобы выдерживать все статические и переходные процессы возбуждения генератора. Один преобразователь моста находится в эксплуатации, а другой в горячем резерве. Переменный ток мостов контролируется и в случае выхода из строя тиристоров переход проходит с использованием холостого хода без какого-либо существенного нарушения работы генератора. Преобразователи имеют резервные вентиляторы охлаждения.
Рисунок 3 – Тиристорный преобразователь в конфигурации 1+1
Поведение генератора и напряжения возбуждения после имитируемого повреждения одного тиристора в работающем тиристорном мосте показана на рис. 4. Передача ко второму мосту осуществляется в пределах. 50 мс.
Рисунок 4 – Передача возбуждения преобразователя с моста 1 на мост 2 в конфигурации 1+1
с генератором при параллельной работе в сети.
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ ЦИФРОВОЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Одноканальный цифровой регулятор напряжения по сравнению с регулятором аналогового напряжения предлагает много преимуществ, таких как:
- Выполнение сложного контроля, защиты, контроля и логических и последовательных функций управления;
- Короткое время отклика;
- Долговременная стабильность;
- Функции самоконтроля;
- Уменьшение разнообразия аппаратных модулей;
- Цифровая стандартизированная связь с наложенной системой управления.
Двухканальный регулятор цифрового напряжения представляет собой систему с двумя одинаковыми цифровыми регуляторами напряжения, которые работают параллельно в режиме ожидания. Каждый из двух каналов имеют одни и те же входные сигналы и выполняет ту же прикладную программу. Каждый канал имеет структуру с возможностью ручного и автоматического регулирования напряжения, реактивной мощности, регулирования ограничителей, защищающие генератор от выхода за предел функциональных возможностей ,ограничителей В/Гц и системы электропитания стабилизатора (PSS). Каждый канал контролирует оба тиристорных моста. Комплексная программа мониторинга отслеживает функцию обоих регуляторов и в случае обнаружения отклонения или исключения переключения срабатывает для здорового канала без помех нормальной работе генератора.
Переход между каналами двухканального цифрового регулятора напряжения после смоделированного нарушения в рабочем канале показан на рисунке 5.
Рисунок 5 – Переключение канала 1 к каналу 2 генератора при параллельной работе в сети
ОБОРУДОВАНИЕ ГАШЕНИЯ ПОЛЯ И ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ
Есть два основных решения оборудования гашения поля возбуждения генератора, один, который включают в себя цепи возбуждения постоянного тока, выключатель с газоразрядным контактом, нелинейный разрядный резистор и отдельный контур для защиты от перенапряжения и второй, который включает в себя автоматический выключатель переменного тока с общей цепью для сброса и защиты от перенапряжения. Кроме того, сущестсвует нормальная процедура для снятия возбуждения генератора, переход тиристорного возбудителя в режим работы инвертора.
В классических решениях разгрузочного оборудования тиристорный преобразователь подключен к полю обмотки синхронной машины с помощью выключателя постоянного тока с выпускным контактом и газоразрядным резистором, рис. 6. Когда возникает неисправность в синхронной машине или во внешних объектах, будет появляться ток короткого замыкания и поле должно быть подавлено настолько быстро, насколько это возможно, чтобы уменьшить повреждения от тока короткого замыкания. Кроме того, необходимо обеспечить безопасное снятие возбуждения в случае неисправности в цепи управления. Резистор линейной разрядки использован для того чтобы достигнуть быстрого подавления поля относительно самого высокого допустимого напряжения тока через обмотку и выключатель поля.
Целью защиты ротора от перенапряжений, является защита от воздействия чрезмерного перенапряжения, индуцированного в поле машины с выпрямителем возбуждения, которое может возникнуть в течение определенного переходного процесса, такого как неправильная синхронизация, потеря синхронизма и асинхронной ход.
Главная цепь защиты от перенапряжения содержит антипараллельно соединенный тиристор и резистор, соединенный последовательно Тиристоры управляются чувствительным к перенапряжениям срабатывания блоком с БПК элементами.. Когда напряжение превышает заданный уровень, защита тиристора включается и проводит ток, вызванный перенапряжением. Последовательный резистор предназначен для ограничения тока в цепях защиты. С другой стороны, резистор должен быть сконструирован таким образом, чтобы падение напряжения, вызванное высоким наведенным током возбуждения, протекающим через резистор, не превышало уровень защиты. Реле максимального тока контролирует защиты и дает импульс расцепления при срабатывании защиты.
Когда тиристорный преобразователь применяется в конфигурации 1+1
, свободный тиристор используется в поле короткого замыкания во время переходного процесса между мостами при высоких токах.
Рисунок 6 – Оборудование разряда с автоматическим гашением поля постоянного тока и отдельная цепь ротора для защиты от перенапряжения.
На рис. 6 изображено простое и наиболее адекватное решение для автоматического гашения поля и защиты от перенапряжения. Достоинствами этого решения являются полностью независимая от напряжения защита цепи и поля выключателя, который отделяет возбуждение генератора на обоих полюсах от тиристорного выпрямителя. В случае неудачного срабатывания на поле цепи выключателя или нелинейного резистора, служащего для снятия возбуждения, защита ротора от перенапряжения может выступать в качестве резервного развозбудителя.
Альтернативным решением разгрузочного оборудования является внедрение тиристоров защиты от перенапряжения и выключателя переменного тока на первичном выпрямителе тиристора Рис.7. Развозбуждение осуществляется путем отключения выключателя в цепи переменного тока, что вызывает перенапряжение на генераторе обмотки возбуждения. Это перенапряжение активирует предохранитель от перенапряжения уменьшает перенапряжение напряжения тока и снимает возбуждение с генератора. В этом случае тот же резистор используется для снятия возбуждения и защиты от перенапряжения, и в случае его отказа, нет резервного снятия возбуждения для предотвращения повреждения обмотки ротора.
Рисунок 7 – Разрядное оборудование с цепью переменного тока с общим резистором для разрядки и защиты ротора от перенапряжения
Рисунок 8 – Разгрузка генератора выключателем по цепи постоянного тока и нелинейным разрядным резистором
Испытания проводились используя систему возбуждения типа SEM 11E, поставленную и введенную в эксплуатацию для двух энергоблоков на Вараждинской ГЭС. Данные генератора и системы возбуждения приведены в таблице 1.Источник напряжения тиристорного выпрямителя возбуждения (статическая система возбуждения), питается с клемм генератора. Он контролируется двухканальным цифровым регулятором напряжения с отдельным оборудованием для каждого канала. Каждый канал цифрового регулятора напряжения состоит из регулятора напряжения генератора (РНГ), регулятор тока возбуждения , системы, запускающей импульс и последующего контроля между основным и резервным контроллерами, и между режимами AVR и SR для каждого канала. Мощность возбуждения определяется: трехфазным полностью управляемым контроллером (6-импульсным), принудительным охлаждением воздуха, тиристорным преобразователем в конфигурации 1+1
, с одним тиристором на каждую ветвь и двумя параллельными мостовыми преобразователями. Один тиристорный мост при этом заблокирован находится в режиме ожидания.
ВЫВОД
Представленная система возбуждения с избыточной конфигурацией с тиристорным преобразователем состоит из трехфазных тиристорных мостов в конфигурации 1+1
, классического разгрузочного оборудования с автоматом гашения поля и отдельной цепи для защиты от перенапряжения, а также микропроцессорного двухканального регулятора напряжения, который подходит для больших синхронных машин ,работающих параллельно. Системы возбуждения характеризуется повышенной безопасностью, надежностью и доступностью юлагодаря резервированию. Результаты исследований подтверждены эксплуатационными характеристиками и гарантируют качество представленной стратегии.
Список использованной литературы
1. Z. Jurin, M. Kolic, M. Kajari, V. Cesic: Redundant configuration in synchronous generator excitation system Hydro conference, Dubrov¬nik 2003.
2. S. Marijan, M. Kajari, N. Peric: Microprocessor – based Control System for Electrical Machines, Proceedings of the 8th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics, EDPE’94, Pula, Croatia, pp 203 – 209, September 1994.
3.Mladen Kajari, Sinisa Marijan, Vinko Cesic, Nedjeljko Peric: Digital Control of a Synchronous Generator Excitation System, Proceedings of the 8th International Conference on Electrical Drives and Power Electronics, EDPE’94, Pula, Croatia, pp 203 - 209, September 1994.
4. N. Peric, S. Marijan, M. Kajari: Microprocessor- based control system for the control of electrical machines and processes. 6th European Conference on Power Electronics and Applica¬tions, EPE’95, Sevilla, pp (2546-2550)
5. S. Marijan, M. Kajari, N. Peric: Microprocessor- based control system for electrical machines, Automatic 1-2/1995, Zagreb, pp (19-26).
6.V. Cesic, M. Kajari, S. Marijan, Z. Jurin, M. Kolic: Excitation system with microprocessor based twin-channel voltage regulator for synchronous machines, EPE-PEMC 2002. Dubrovnik & Cavtat.