Рисунок 1 – Схема замещения ТГ общепринятого типа по оси d
Автор: А. М. Ларин, Я. А. Авраменко
Источник: ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет». Материалы 6-й Международной научно-практической конференции Том. 2. Перспективы развития электротехнических, электромеханических и энергосберегающих систем С. 102–108 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://elibrary.ru/...
А. М. Ларин, Я. А. Авраменко. Моделирование переходных процессов в электрических системах с использованием обобщенных электромагнитных параметров турбогенераторов Анализируются типовые частотные характеристики проводимости со стороны обмотки статора и эквивалентные им схемы замещения турбогенераторов, полученные различными способами обобщения динамических свойств синхронных машин. Сформулированы рекомендации по их применению для исследования электромагнитных и электромеханических переходных процессов в электрических системах.
Описание синхронных электрических машин (СМ) в виде совокупностей электромагнитных параметров в форме частотных характеристик (ЧХ) проводимостей со стороны обмотки статора или соответствующих им эквивалентных схем замещения находит в настоящее время широкое применение для расчета электромагнитных и электромеханических переходных процессов в электрических системах [1].
К настоящему времени в ряде организаций получены частотные характеристики некоторых промышленных турбогенераторов (ТГ) различной мощности. Их сопоставление показало, что у всех высокоиспользованных турбогенераторов мощностью от 100 до 800 МВт полученные характеристики yd(js) и yq(js)в области частот s > 0,001o.e. идентичны [2]. Наибольшие расхождения, имеют место в зоне малых частот s < 0,001o.e. Это, в основном, обусловлено отличием в значениях синхронных реактивностей xd и xq Учитывая, что для различных промышленных турбогенераторов геометрия их роторов и магнитные характеристики материалов, из которых они выполнены, практически одинаковы, представляется возможным обобщение их электромагнитных свойств и создание унифицированных типовых параметров, пригодных для любого промышленного отечественного турбогенератора
Такие обобщенные параметры целесообразно будет использовать при исследовании переходных процессов в тех случаях, когда отсутствуют экспериментальные частотные характеристики генератора конкретного типа. Применение типовых характеристик может оказаться полезным так же при проектировании систем электроснабжения, содержащих новые типы турбогенераторов. Кроме того, использование обобщенных зависимостей при наличии значительного количества различных типов эксплуатируемых машин позволит существенно сократить объем массива исходной информации в программах расчета переходных процессов.
Это объясняет повышенный интерес специалистов к вопросам идентификации и исследования электромагнитных параметров синхронных машин на основании эквивалентных схем замещения. Целью настоящей работы является разработка рекомендаций по повышению точности моделирования переходных процессов в турбогенераторах на основе типовых частотных характеристик и многоконтурных эквивалентных схем замещения.
Существуют различные подходы к унификации электромагнитных параметров ТГ.В [2]. предлагается определять типовые характеристики в виде отношения двух полиномов для операторных сопротивлений, в коэффициенты которых входят паспортные данные турбогенераторов. Порядок полиномов равен числу контуров в схемах замещения общепринятого вида. Для продольной оси такая схема показанна на рис. 1. В схеме по поперечной оси должен отсутствовать контур ОВГ.
Рисунок 1 – Схема замещения ТГ общепринятого типа по оси d
Рисунок 2 – Схема замещения ТГ с вынесенной ветвью намагничивания
Ограничившись замещением массива ротора тремя эквивалентными контурами по осям d и q, и аппроксимировав экспериментальные частотные характеристики турбогенераторов, были получены единые выражения для операторных сопротивлений Xd(p) и Xq(p), которые и являются типовыми.
Таким образом в [2]. по частотным характеристикам четырех ТГ мощностью 200 - 500 МВт были найдены значения параметров контуров схем замещения, отражающих влияние массивных конструктивных элементов ротора, пригодные для любого крупного генератора. К преимуществу такого способа следует отнести его простоту, поскольку полученные параметры демпферных контуров можно непосредственно использовать при моделировании.
В [3]. рассматривается поход к определению параметров эквивалентных контуров схемы замещения ротора обобщенного турбогенератора, заключающийся в выражении искомых параметров соотношениями типа уравнений регрессии для двухмерного факторного пространства.
Предложенный подход отличается возможностью учета опытных значений эквивалентных активных и индуктивных сопротивлений рассеяние ротора неподвижной машины. Это позволило повысить точность предопределения явлений, для которых существенен учет рассеяния энергии в контурах ротора в начале протекания переходных процессов, например, при внезапных коротких замыканиях.
При обобщении таким методом анализировались не комплексные проводимости синхронных генераторов в целом, а зависимости активного и индуктивного сопротивлений контуров ротора от скольжения.
Такой подход оказывается досточно трудоемким при применении. Необходимо знать относительные обобщенные параметры и коэффициенты полиномов, которые представляют собой достаточно сложные выражения
Во всех рассмотренных случаях анализировались параметры Тобразных схем замещения общепринятого вида (см. рис.1), предполагающих равенство магнитного потока взаимной индукции между всеми контурами. При синтезе Т-образных схем замещения на значения эквивалентных параметров роторных контуров существенное влияние оказывает величина необходимого для расчетов индуктивного сопротивления рассеяния обмотки статора xσ Это приводит к дополнительным погрешностям при определении типовых параметров турбогенераторов, описанными в [2, 3] способами.
В [4]. рассматривается возможность обобщения частотных характеристик и получения унифицированных параметров схем замещения с вынесенной ветвью намагничивания (рис. 2), отражающих динамические свойства массивных элементов ротора при разомкнутом и короткозамкнутом состояниях обмотки возбуждения. Для решения этой задачи предлагается подход, отличающийся возможностью учета известных значений синхронных (xd и Xq) и сверхпереходных (xd n, xq n) значений индуктивных сопротивлений турбогенератора конкретного типа. Это позволит с большей точностью отобразить динамические свойства конкретного турбогенератора одновременно как в области малых, так и больших скольжений.
В указанных источниках практически отсутствует оценка погрешностей расчета мгновенных значений параметров переходных режимов по предложенным типовым параметрам.
В настоящей работе производится анализ точности моделирования широкого круга переходных процессов, на основании которого формулируются рекомендации по повышению точности расчетов при использовании обобщенных электромагнитных параметров ТГ.
Исследования проводились для турбогенератора типа ТГВ-300, имеющего следующие параметры: Pном = 300МВт; Uном = 20кВ; cosϕном = 0,85; xd ''= xq ''= 0,195; xd = Xq= 2.19; xσ= 0,17o.e.
Методика исследований заключалась в анализе широкого круга переходных процессов на основе математического моделирования при использовании точных и обобщенных электромагнитных параметров турбогенераторов.
Моделирование проводилось по программе, реализующей численное интегрирование полных дифференциальных уравнений ПаркаГорева, дополненных уравнением движения ротора, методом Рунге-Кутта четвертого порядка.
Был выполнен широкий круг расчетов переходных процессов, происходящих при различных изменениях скорости вращения ротора:
- без изменения скорости вращения ротора при внезапных трехфазных коротких замыканиях на выводах турбогенератора;
- при малых изменения скорости при выпадении из синхронизма и переходе к установившемуся асинхронному режиму в результате потери возбуждения;
- при значительных изменениях скорости при включении невозбужденного генератора в сеть, вращающегося с заданным скольжением.
В соответствии с методиками, изложенными в [2, 4], были рассчитаны параметры схем замещения исследуемого ТГ, приведенные в табл.1. Параметры обмотки возбуждения (ОВГ) во всех случаях принимались одинаковыми (xσf=0,00147 ; rf= 0,33).
Таблица 1 – Параметры демпферных контуров турбогенератора ТГВ-300
Сопоставительный анализ частотных характеристик yd ( js) генератора ТГВ-300 по продольной оси ротора для разомкнутого состояния ОВГ, выполненный в [4], показал, что с учетом коррекции несовпадение действительных и мнимых составляющих исходных характеристик и полученных по методике [4] в диапазоне скольжений 0,01 < s < 10 не превысило 8,5%. Определение ЧХ по методике [3]] приводит к погрешностям, достигающим 37,1% в области скольжений s < 0.01 о.е. В области скольжений s > 0,5 о.е. несовпадение частотных характеристик составляет 57,3%. ЧХ, рассчитанные по данным [3], имеют погрешность не более 10% в зоне скольжений s>0.5 о.е. Однако при скольжениях s < 0,1 о.е. она превышает 30%.
Таким образом выполненное сопоставление свидетельствуют о большей эффективности методики обобщения электромагнитных параметров турбогенераторов, предложенной в [4].
На рис.3 показаны кривые изменения модуля изображающего вектора тока статора и тока в ОВГ при внезапном трехфазном КЗ на выводах генератора.
На этом и последующих рисунках приняты следующие обозначения: кривая 1 (красный цвет) - расчет по полным схемам замещения; кривая 2 (синий цвет) – расчет по [3]; кривая 3 (коричневый цвет) - расчет по [2]; кривая 5 (черный цвет) – расчет по [4].
class=imgcaption> Рисунок 3 – Изменение тока в обмотках при КЗ на выводах ТГ
Из рис.3 следует, что наименьшая погрешость в определении ударного тока статора имеет место при использовании схемы, полученной по [4]. Ошибка составляет 7,4%. Для схемы, найденной по [3], несовпадение увеличивается до 9,7%. Использование типовых параметров по [3] дает еще большее несовпадение в 12,8%. При определении тока в ОВГ использование схем, полученных по [2] и [4], дает практически одинаковые результаты. Отличие от точных значений составляет 15,5%. Использование параметров, соответствующих [3], приводит к ошибке в 23,9%.
На рис.4 приведены результаты моделирования электромеханических переходных процессов при выпадении из синхронизма и переходе к установившемуся асинхронному режиму генератора после потери возбуждения при замкнутом на активное сопротивление самосинхронизации RCC = 5Rf состоянии ОВГ. Сопоставление результатов расчета показывает, что худшие результаты имеют место при использовании обобщенных параметров, полученных по [3].
Рисунок 4 – Изменение параметров при выпадении из синхронизма и установившемся асинхронном режиме турбогенератора
Набольшие отличия, превышающие 56%, имеют место при определении максимального значения тока в ОВГ. Моделирование по [2] и [4] приводит к снижению погрешности до 2,2% и 9,9% соответственно. Ошибка в периоде проворота ротора составляет по [3] 30,3% и не более 11% по [2] и [4].
Моделирование режимов включения в сеть невозбужденного генератора, вращающегося с заданным скольжением, показало, что погрешности в расчетах токов в обмотке статора и возбуждения находятся в тех же пределах, что и при внезапных коротких замыканиях. Характер изменения скольжения и время втягивания машины в синхронизм практически одинаковы для любых моделей при начальных значениях скольжения в пределах от 0 до 10%.
1. Типовые параметры схем замещения массивных элементов ротора ТГ, полученные по методике [2], целесообразно использовать только для анализа электромагнитных переходных процессов. Погрешность расчетов в этом случае может достигать 23%.
2. Использование обобщенных зависимостей, рекомендуемых в [2] и [4],
позволяет исследовать как электромагнитные, так и электромеханические переходные процессы с погрешностью, не превышающей 15%.
1. Larin, A. Еxperimental determination of turbogenerator electromagnetic parameters totality taking into account saturation by presenting the exciting winding by multilooped circuit / A. Larin, I. Larina // The advanced science journal. – Vol. 2010. Issue 3. – P.143-148.
2. Лукашов Э.С. Определение и использование в расчетах типовых характеристик и параметров демпферных контуров турбогенераторов / Э.С. Лукашов, А.Х. Калюжный, Б.З. Гамм // Электричество. - 1977. - № 7. – С. 27 –32.
3. Рогозин Г.Г. Параметры эквивалентных контуров схем замещения ротора обобщенного турбогенератора / Г.Г. Рогозин, И.П. Заболотный // Электротехника.– 1980. - №5. – С. 5-10.
4. Ламари Абдессалем. Обобщенные частотные характеристики и эквивалентные многоконтурные схемы замещения турбогенераторов / Абдссалем Ламари, А.М. Ларин // Наукові праці ДонДТУ, серія Електротехніка і енергетика, вип.41. Донецьк, 2002. – С. 14-19.