ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ. Охрид, 7 9 октомври 2007 СОВРЕМЕН СТАТИЧКИ ВОЗБУДЕН СИСТЕМ ЗА СИНХРОН ГЕНЕРАТОР СО ДИГИТАЛЕН РЕГУЛАТОР НА НАПОН

Transcript

1 ПЕТТО СОВЕТУВАЊЕ Охрид, 7 9 октомври 007 Борчо Костов АД Електрани на Македонија - Скопје СОВРЕМЕН СТАТИЧКИ ВОЗБУДЕН СИСТЕМ ЗА СИНХРОН ГЕНЕРАТОР СО ДИГИТАЛЕН РЕГУЛАТОР НА НАПОН КУСА СОДРЖИНА Паралелно со развојот на техниката и технологијата за подобрување и зголемување на можностите на синхроните генератори, како и на барањата на современите системи за управување, надзор и за заштита во електраните и општо во електроенергетскиот систем, се развиваа и подобруваа и системите за возбуда на генераторите и напонска регулација. Основните задачи на возбудниот систем за генераторите се: - стабилно напојување на роторската намотка на синхрониот генератор со еднонасочна струја - одржување на поставената вредност на напонот на изводите од генераторот - одржување на стабилен тек на реактивната моќност спрема мрежата. Статичките возбудни системи во основа се состојат од: - возбуден трансформатор - тиристорски насочувач - регулатор на напон - круг за демагнетизација. Целокупната енергија за возбудата се добива преку возбудниот трансформатор, било од изводите на синхрониот генератор (самовозбуден спој) или од некој друг наизменичен извор (независна или надворешна возбуда), и преку тиристорскиот насочувач кој е во полноуправлив шест-импулсен мостен спој. Клучни зборови: Дигитален регулатор на напон, возбуден трансформатор, тиристорски насочувач. ABSTRACT Parallelu to development of technicque and technology for improving and increasing the possibilities of synchronous generators, as the needs of modern systems for control, supervision and protection in power plants and generally in power system, excitation and systems for voltage regulation have developed and improved. The base tasks of generator excitation system are: - stably supply of synchronous generator field winding with DC current - holding out the reference value for generator voltage - keeping up stably flow of reactive power toward network. Static excitation systems basicly are consist of: - excitation transformer A-09R /8

2 MAKO CGRE 007 A-09R /8 - thyristor convertor - voltage regulator - demagnetization circuit. The whole energy for excitation coming through excitation transformer, whether from generator terminals (selfexcitation) or some other AC supply source, and through thyristor convertor. Keywords: Digital voltage regulator, excitation transformer, thyristor convertor, non-linear resistor. ВОВЕД Како подлога во анализата е разгледуван возбудниот систем на КОНЧАР-ИНЕМ. Заради нискиот реманентен магнетизам, при самовозбудниот спој потребно е почетно изградување на напонот на генераторот преку почетната возбуда со еднонасочна струја добиена од еднонасочниот развод во електраната, или од наизменичниот развод за сопствена потрошувачка на електраната преку диоден исправувач. Во варијантата со независна возбуда заради постоењето на напонот од мрежата, нема потреба од почетна возбуда за генераторот. Овде, при нормален старт, напонот на генераторот може да се подигне до номинален почнувајќи од нула. Дигиталниот регулатор на напон (ДРН) располага со функцијата soft-start во изградбата на напонот, независно од типот на напојување на возбудата. Додатни уреди кои може да бидат дел од возбудниот систем, се: - склопот за заштита од куса врска на собирниците со еднонасочен напон - склопот за заштита од несиметрично водење на тиристорите. Слика Возбуден систем за турбогенератор

3 MAKO CGRE 007 A-09R 3/8 На слика прикажана е еднополната шема на возбуден систем за турбогенератор со комбиниран начин за напојување на возбудниот трансформатор: преку трансформаторот за сопствена потрошувачка на агрегатот, кој е поврзан на генераторски напон (самовозбуден спој) или преку трансформаторот за општа потрошувачка на електраната, кој е поврзан директно на мрежата (независна возбуда). Тиристорскиот насочувач е управуван со повеќе-параметарски дигитален регулатор на напон кој претставува високо интегрирана информатичка опрема составена од хардверски склоп и програмска поддршка. Хардверот е базиран на 6/3 битен процесор Моторола 6830 и индустријски VME собирнички систем. Покрај процесорската единица постојат и низа на стандардни програмабилни електронички модули за специјални функции, како што се: - дигитални влезови и излези - аналогни влезови и излези - единица за напојување на регулаторот - AD/DA претварачки електронички модул - Електронички модул за мерење и процесирање на генераторските варијабли Ug и g. Програмската поддршка на возбудниот систем се состои од: поддршка за развој и проектирање, системска поддршка и кориснички програми. Дигиталниот регулатор на напон покрај функциите на управување, заштита и сигнализација во возбудниот систем, мора да ги обезбеди и следните регулацијски функции:. Автоматска регулација на напонот (АРН) на генераторските собирници - ограничување на возбудната струја и статоровата струја на генераторот - компензација по фреквенцијата (V/Hz limiter) и по струјата на генераторот.. Регулација по возбудната струја Резервна регулација (РР) - автоматско пратење (follow- up) АРН-РР и РР-АРН. Дополнителни функции кои може да ги извршува возбудниот систем се: - стабилизатор на електроенергетскиот систем PSS (Power System Stabilizer) по активната моќност P и по фреквенцијата f. - регулатор на реактивната моќност Q и регулатор по факторот на моќност cosφ - управување со процесот на електрично кочење на генераторот. Заради зголемување на расположивоста и доверливоста на возбудниот систем, напонските регулатори за поголемите генератори се изведуваат во двоканална конфигурација со два идентични меѓусебно независни, но ускладени хардверски склопови два дигитални регулатори на напон. Возбудниот систем може да биде димензиониран и изведен само со еден тиристорски мост, но постојат и следните конфигурации на тиристорски насочувачи: n + повеќе паралелно споени n мостови се доволни за работа на возбудата, а еден е резерва + еден мост е доволен за работа на возбудата, а другиот е резерва и е блокиран, а во случај на дефект на активниот мост автоматски во погон влегува резервниот мост ( види Слика ). Операторот во електраната по сопствен избор одредува со кој од тиристорските мостови ќе ја вклучи возбудата, а препорачливо е после одреден период (приближно месец) да се изврши промена префрлање на резервниот мост. Во нормален погон исклучувањето на возбудниот систем се врши со инвертирање на тиристорскиот мост без да се исклучува прекинувачот за демагнетизација. Меѓутоа во случај на делување на некоја од заштитите, било на внатрешните заштити во возбудниот систем, било на електричните заштити на синхрониот генератор, се врши брзо демагнетизирање на генераторот со

4 MAKO CGRE 007 A-09R 4/8 вклучување во роторскиот круг на нелинеарен отпорник за демагнетизација, и се исклучува прекинувачот за демагнетизација. U, f =50 Hz + R - Слика Конфигурација + Опремата за демагнетизација вообичаено се состои од: - прекинувач за демагнетизација, со контакт за вклучување на нелинеарен отпорник - нелинеарен или линеарен отпорник за демагнетизација - двонасочна пренапонска заштита на роторскиот круг (crow bar ) со линеарен отпорник. За заштита на роторската намотка од пренапони, кои би се рефлектирале и на статорската намотка и би доведиле до оштетување на изолацијата, вграден е склоп за пренапонска заштита на роторската намоткa. Пренапонската заштита е конципирана така да овозможи и статичка демагнетизација со примена на тиристорите од пренапонската заштита при користење на прекинувач на наизменичната страна од тиристорскиот мост, за одделување на возбудниот круг и free wheeling тиристор за префрлање од активниот на резервниот тиристорски мост при конфигурација +. Електричното кочење служи за брзо запирање на хидроагрегатот со користење на електромагнетниот противмомент кој се добива при кусо врзани изводи на генераторот. Предност на електричното кочење во однос на класичното механичко кочење со фероди е: - пократко време на запирање на агрегатот - помало трошење на лежиштата - помалку прашина, која е штетна за агрегатот. За примена на електричното кочење покрај стандардната опрема на возбудниот систем, потребно е уште и: - кочен трансформатор - прекинувач за избор на напојувањето на возбудниот систем - апарат (прекинувач) за кусо врзување на изводите од статорот на генераторот. Управување со процесот на електрично кочење се врши преку ДРН. Примената на опремата за електрично кочење има додатни погодности, како што се: - трансформаторот за кочење може да се користи како резерва во случај на дефект на возбудниот трансформатор

5 MAKO CGRE 007 A-09R 5/8 - се поедноставуваат секвенците на испитување на генераторот, возбудата и електричните заштити. Ова беше краток опис на функционирањето и на главните елементи на возбудниот систем. ОСНОВНИ ВЕЛИЧИНИ И ПОИМИ ВО ВОЗБУДНИОТ СИСТЕМ - Возбудна струја на правецот на воздушниот зјај f AG е онаа големина на возбудната струја која е потребна да произведе номинален напон на изводите од генераторот, при номинално загреана роторска намотка на t = 75 C, генератор во празен од и синхрона брзина на вртење. Големината на оваа струја се зема за единечна вредност (p.u.). - Возбуден напон на правецот на воздушен зјај Uf AG е онаа големина на возбудниот напон кој е потребен да произведе номинален напон на изводите од генераторот, при номинално загреана роторска намотка на t = 75 C, генератор во празен од и синхрона брзина на вртење. Големината на овој напон се зема за единечна вредност (p.u.). - Возбудна струја f 0 и возбуден напон Uf 0 при празен од на генераторот. - Возбудна струја f SC и возбуден напон Uf SC при краткоспоени изводи на генераторот и номинална статорова струја. - Номинална возбудна струја f n и напон Uf n, се потребни големини за да при номинален cosφ, генераторот биде оптоварен со номинална моќност - Максимално трајно дозволена возбудна струја f MCR и напон Uf MCR, се дефинирани како: f MCR =. f n Uf MCR =. Uf n () f MCR е меродавна за струјно димензионирање на опремата во возбудниот систем. - Плафонска горна вредност на возбудниот напон Uf C, се дефинира како максимален излезен еднонасочен напон од тиристорскиот насочувач при номинален напон на напојување на тиристорскиот мост, и при номинална возбудна струја. - Форсирна струја f C, е максималната возбудна струја која возбудниот систем може да ја даде во дефинирано време. Вообичаено се зема дека е: - Фактор на форсирање f = во време од 0 секунди () C f n Ufc Kc = = (3) Ufn 3 ДИМЕНЗИОНИРАЊЕ НА ОПРЕМАТА ВО ВОЗБУДНИОТ СИСТЕМ 3. Пресметка на возбудниот трансформатор Потребни влезни податоци за генераторот и возбудната намотка: Sn номинална привидна моќност на генераторот [MVA] Un номинален напон на генераторот [kv] n номинална струја на генераторот [A] cosφn номинален фактор на моќност fn номинална возбудна струја [A]

6 MAKO CGRE 007 A-09R 6/8 Ufn номинален возбуден напон [V]. Во пресметката се зема отпорот на возбудната намотка при номинална температура на загреаност на роторот од t =75 C, кој се одредува според познатата формула: R = R [ (75 0)] [Ω] (4) 75 0 Најпрво се одредува максималниот форсирен напон Ufc, при усвоена вредност на форсирната струја од: fc = f n, и земено во предвид дека тиристорскиот мост е во состојба да форсира со таа струја при напон на напојување на тиристорскиот мост од: 0.6Un. Според тоа важи односот: Ufc Ufn = k R 0.6 Каде k R е фактор на резерва, кој може да има вредност од до., зависно од напонските прилики во системот, на местото каде се наоѓа генераторот. Со добиената вредност за форсирниот напон Ufc, понатаму може да се одреди потребниот секундарен напон на возбудниот трансформатор, по формулата:. Ufc U = (6).34 cosα Каде α min = 0 el е минимално дозволениот агол на отворање на тиристорот. Струјата низ секундарот на возбудниот трансформатор се одредува по формулата: = f MCR (7) Каде 0.86 е фактор на преобразба на струјата од DC на AC страната на тиристорскиот исправувач, кој е во полноуправлив шест-импулсен мостен спој. Додека за трајнодозволената возбудна струја, во пресметките е земено: =. fn (8) f MCR Сега форсирната возбудна струја која тече низ секундарот од возбудниот трансформатор е: fc 0 = fn (9) fn Потребната моќност на секундарната страна на возбудниот трансформатор е: S min 3 U = (0) Потребната моќност на примарната страна на возбудниот трансформатор, со земање во обзир на внатрешните загуби во трансформаторот, е: S =. 05 S () Потоа се усвојува првата поголема стандардизирана вредност за привидната моќност на возбудниот трансформатор. Сега за одбраниот возбуден трансформатор, струјата низ неговата примарна намотка е: S 3 U = () Напонот на примарната намотка се димензионира спрема номиналниот напон на генераторот, во случај на самовозбуден спој. Се одбира група на спојување Yd5. (5)

7 MAKO CGRE 007 A-09R 7/8 3. Пресметка на максималната струја во возбудната намотка Максималната струја во возбудната (роторската) намотка, која би можела да се јави, се одредува според формулата: Каде е: f = + (3) max ( X X ' ) d d = fn + fo (4) X ' a Овде е: a cos( ) exp( 0. T ' ) d = (5) ( X X ' ) d d = fo (6) X ' a Овде е: a cos( ) exp( 0. T' ) d = (7) Во горните формули наведените величини се: fo возбудна струја во празен од X d синхрона реактанса на генераторот, по директна оска X d - транзиентна реактанса на генераторот, по директна оска T d транзиентна временска константа на роторската намотка. 3.3 Избор на прекинувач за демагнетизација При изборот на прекинувач за демагнетизација треба да биде запазен условот да струјата низ главните контакти на прекинувачот биде поголема од максимално трајно дозволената возбудна струја, односно треба да важи: th > f MCR (8) Номиналниот напон на прекинувачот треба да биде поголем или еднаков од форсирниот возбуден напон, односно: Un Ufc (9) Максималната прекидна струја на прекинувачот треба да е поголема или еднаква (при максимален прекиден напон) од максималната можна возбудна струја: p max f max (0) Максималниот прекиден напон (при максимална дозволена струја) треба да биде поголем од збирот на напонот на форсирање при трополна куса врска на генераторските собирници и падот на напон кој се јавува на отпорникот за демагнетизација, односно треба да важи: Us max > Ufc + Re f max () 3.4 Димензионирање на пренапонската заштита за роторската намотка Напонот при кој треба да реагира пренапонската заштита, треба да го задоволува условот: U HCK max < 5 Ufc и U HCK max < 0. 8 U test rot () За испитен напон на роторската намотка се зема Utest-rot = 500 V. Енергијата на пренапонот на роторската намотка се потрошува во линеарен отпорник, чиј отпор се одбира според формулата: d d

8 MAKO CGRE 007 A-09R 8/8 U HCK Remax = max (3) f max 3.5 Избор на нелинеарен отпoрник за брза демагнетизација Се одбира од каталогот на одреден производител, според максималната возбудна струја која може да се јави во роторскиот круг-fmax. Важен податок за одбраниот нелинеарен отпорник е и максималниот пад на напон кој се јавува на него при максималната возбудна струја. Вреди да се спомне зошто во поново време исклучиво се користи нелинеарен отпорник за брзо демагнетизирање на генераторот, наспроти линеарен отпорник. Причината е што нелинеарниот отпорник има таква напонско-струјна карактеристика да прирастот на струјата низ него е многу поголем од прирастот на напонот на неговите краеви, што е корисно за да се заштити роторската намотка од изложување на висок напон во процесот на брза демагнетизација. ЗАКЛУЧОК Современите статички возбудни системи со дигитален регулатор на напон, со своите многубројни предности, се тренд но и потреба во се поголемата автоматизација во работата на генераторот, електраната и вклучително на електроенергетскиот систем. Истовремено со својата униформност, системот е применлив во широк дијапазон на моќности на генераторите, и тоа подеднакво кај хидрогенераторите и турбогенераторите. 4. ЛИТЕРАТУРА [] Техничка документација за возбудните системи на KONČAR-NEM, Zagreb, Hrvatska [] Техничка документација од производителот на возбудни системи ABB, Švajcarija