dr hab. Désiré D. Rasolomampionona GM pok.111

STEROWANIE SYSTEMÓW ELEKTROENERGETYCZNYCH Wykład dla I sem. studiów II stopnia „Automatyka i Robotyka”

Podręcznik:

Jan Machowski „Regulacja i stabilność systemu elektroenergetycznego”

Oficyna Wydawnicza WPW, Warszawa 2007r.

www.ien.pw.edu.pl

strona domowa Zakładu Automatyki Elektroenergetycznej

Opcja DYDAKTYKA

REGULACJA I STEROWANIE

Celowe oddziaływanie na układ dynamiczny mające doprowadzić do jego określonego działania nazywa sięsterowaniem. Definicję sterowania ilustruje rys. 1.2. Istotną rolę (rys. 1.2a) odgrywają tu:

u(t) – sygnały sterujące za pomocąktórych odbywa sięoddziaływanie na układ,

y(t) – sygnały wyjściowe za pomocąktórych określa się czysterowanie osiągnęłozamierzony cel w układzie,

x(t) – zmienne stanu układu,

z(t) – zakłócenia.

Sterowanie w układzie otwartym(rysunek b)

Urządzenie sterujące = regulatorSprzęŜenie zwrotne (ujemne)

Sterowanie w układzie zamkniętym = regulacja (rysunek c)

Struktura systemu elektroenergetycznego – obiekt sterowania i regulacji oraz stabilności

Równania sieci elektroenergetycznej

Q,U oraz P, δ tworzą dwie pary wielkości wzajemnie silnie zaleŜnych.Mówiąc o regulacji napięcia U trzeba pamiętać o mocy biernej Q oraz odwrotnie.Mówiąc o mocy czynnej P naleŜy pamiętać o kącie δ, który ma ścisły związek z częstotliwością f.

δϕ sincosBC EXI ==

δϕ sincosX

EI =

UEXI −== δϕ cossinAC

X

U

X

EI −= δϕ cossin

δϕ sincosX

EUUIP ==

X

UP

X

EUQ

22

2

−−

=

X

U

X

EUUIQ

2cossin −== δϕ

czyli

czyli

GENERATORY SYNCHRONICZNE I ICH REGULACJA

Typy generatorów synchronicznych: (a) z biegunami utajonymi, (b) z biegunami wydatnymi

Przykładowe struktury bloków:

(a) z wyłącznikiem po stronie WN, (b) z wyłącznikiempo stronie WN oraz odczepem na potrzeby własne, (c) zdwoma wyłącznikami i odczepem na potrzeby własne,(d) bez transformatora podwyŜszającego napięcie

Przykładowe wyposaŜenie w przekładnikiprądowe PP oraz napięciowe PN

GS- generator synchroniczny,TB- transformator blokowy,TPW- transformator potrzeb własnych,WG- wyłącznik generatorowy,

WB- wyłącznik (sieciowy) bloku

Schemat funkcjonalny układu wzbudzenia i regulacji generatora synchronicznego

Moc w obwodzie wzbudzenia (wirnika) jest rzędu (0,2-0,8)% mocy znamionowej generatora.

Przykładowo dla generatora o mocy znamionowej 500 MVA przy wartości 0,5% mocwzbudnicy wynosi 2,5 MW, co jak na źródło prądu stałego jest dość duŜą wartością.

Wzbudn ice komuta to rowe prądu s ta łego

Historycznie prądnice prądu stałego były pierwszym rodzajem wzbudnic zastosowanym welektroenergetyce do generatorów synchronicznych. Mogą to być rozmaite klasyczne prądnice prądustałego samowzbudne lub obcowzbudne lub maszyny specjalne.

Jednomaszynowe wzbudnice prądu stałego: (a) prądnica bocznikowa samowzbudna z regulacją prąduwzbudzenia, (b) prądnica bocznikowa samowzbudna z dodatkowym uzwojeniem regulacyjnym, (c)

prądnica obcowzbudna z regulowanym źródłem zasilaniaGS – generator synchroniczny, WG – wzbudnica główna, PS – pierścienie ślizgowe,

RN – automatyczny regulator napięcia

Dwumaszynowe wzbudnice prądu stałego: (a) kaskada prądnic bocznikowych obcowzbudnej isamowzbudnej z regulacją prądu, (b) kaskada prądnicy bocznikowej samowzbudnej z regulacją prądu

wzbudzenia za pomocą amplidynyGS – generator synchroniczny, WG – wzbudnica główna, A – amplidyna, PS – pierścienie ślizgowe,

RN – automatyczny regulator napięcia

Z powodu duŜej ilości szczotek układy z kaskadami prądnic oraz amplidynami nie są juŜ stosowane.

Przykładowe rozwiązania

(a) prądnica bocznikowa samowzbudna z dodatkowym uzwojeniem regulacyjnym sterowanymwzmacniaczem magnetycznym, (b) prądnica bocznikowa samowzbudna z dodatkowym uzwojeniem

regulacyjnym sterowanym mostkiem tyrystorowym, (c) ) prądnica bocznikowa samowzbudna z regulacją

prądu wzbudzenia za pomocą klucza IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor) realizującego cyklicznezwieranie i rozwieranie rezystora włączonego do obwodu wzbudzenia wzbudnicy.

Do istotnych wad eksploatacyjnych wzbudnic prądu stałego naleŜy zaliczyć istnienie w kaŜdej prądnicykomutatora i układu szczotek wymagających stałej i troskliwej konserwacji.

Trudności techniczne w konstruowaniu i eksploatowaniu wzbudnic prądu stałego są tym większe imwiększe są ich moce. Dla duŜych prądów w obwodzie komutatora (ze względu na obciąŜalnośćprądową) wymiary wycinków komutatora muszą być odpowiednio duŜe. To z kolei oznacza duŜąśrednicę i duŜy obwód komutatora. DuŜy obwód oznacza z kolei duŜą prędkość liniową na stykukomutatora i szczotek a więc trudne warunki komutacji (iskrzenie) oraz szybsze zuŜywanie się szczoteki komutatora. ZuŜywanie się komutatora i szczotek jest tym większe im większa jest prędkość liniowamiędzy komutatorem a szczotkami.

Dla zmniejszenia prędkości liniowej między komutatorem a szczotkami stosuje się redukcję prędkościobrotowej. Wirniki prądnic prądu stałego napędzane są z wału generatora synchronicznego zapośrednictwem przekładni zębatej (reduktor prędkości). Przekładnia ta jest dodatkowym elementemwymagającym konserwacji.

Aktualnie do generatorów synchronicznych duŜej mocy stosuje się niŜej opisane wzbudnice maszynoweprądu przemiennego lub wzbudnice statyczne.

Wzbudnice maszynowe z prostownikami statycznymi

Dzięki intensywnemu rozwojowi techniki półprzewodnikowej moŜna stosować prądnice prąduprzemiennego z prostownikami statycznym. Słowo statyczne jest tu dodane dla podkreślenia, Ŝeprostownik nie ma Ŝadnych elementów wirujących.

Trójfazowy mostek diodowy (prostownik niesterowany)(a) schemat zastępczy, (b) charakterystyka napięciowo – prądowa

UE, XE - napięcie zasilania i reaktancja źródła, Uf, If - napięcie i prąd roboczy wzbudnicy

IK - prąd zwarcia mostka

W omawianej grupie układów wzbudzenia jako źródła prądu przemiennego szerokie zastosowanieznalazły prądnice induktorowe.

Wzbudnica typu induktorowegoGS – generator synchroniczny,WG – wzbudnica,PS – pierścienie ślizgowe,

RN – automatyczny regulator napięcia

Prądnice induktorowe wykonuje się naczęstotliwość rzędu kilkuset Hz (typowo500 Hz). Poprawia się dynamika układu,gdyŜ prądnice podwyŜszonejczęstotliwości mają mniejszą zastępcząstałą czasową.

Wirnik prądnicy induktorowej napędzanyjest bezpośrednio z wału generatorasynchronicznego bez reduktora prędkości,co jest dodatkową zaletą eksploatacyjną

Prądnica induktorowa ma gabarytywiększe od zwykłej prądnicysynchronicznej (tej samej mocy) o około(40-50)%.

Cenne są zalety polegające na prostocie konstrukcji i małych wymaganiach eksploatacyjnychwynikających z braku komutatora i braku reduktora prędkości.

Wzbudnice maszynowe z prostownikami wirującymi

W tym przypadku źródłem napięcia wzbudzenia jest prądnica synchroniczna odwrócona w którejuzwojenie wzbudzenia jest umieszczone na stojanie a trójfazowe uzwojenie twornika na wirniku.Prostownik diodowy 6-cio pulsowy umieszczony jest wewnątrz generatora synchronicznego w rozeciejego wirnika i wiruje wraz z wirnikiem.

GS – generator synchroniczny, WG –wzbudnica, PS – pierścienie ślizgowe,RN – automatyczny regulator napięcia

Zaletą omawianego rozwiązania jest brak pierścieni ślizgowychi szczotek. Oczywiście konstrukcja wału musi byćodpowiednio wytrzymała z uwzględnieniem tego wydrąŜenia.

Wadą omawianego rozwiązania jest konieczność odstawieniageneratora w przypadku awarii prostownika.

Dla uniknięcia częstych odstawień prostownik jestprzewymiarowany tak by mógł pracować bez przeciąŜenia przyuszkodzeniu nawet znacznej części diód.

Szeregowo z kaŜdą z diód włączone są bezpieczniki. Stan tychbezpieczników moŜna kontrolować w czasie pracy zespołuwytwórczego poprzez specjalne okienko za pomocą lampystroboskopowej.

Wzbudn ice s ta tyczne ( ty rys to rowe)

Statyczne gdyŜ w omawianych układach wzbudzenia nie ma Ŝadnych części wirujących.

Trójfazowy mostek sterowany (a) schemat, (b) charakterystyka

Jest kilka sposobów zasilania tyrystorowego mostka prostowniczego stosowanych w układachwzbudzenia generatorów synchronicznych.

Wzbudnice statyczne: (a) prostownik sterowany zasilany z szyn potrzeb własnych elektrowni, (b)prostownik sterowany zasilany napięciem wzbudzanego generatora synchronicznego, (c) prostownik

sterowany zasilany napięciem i prądem wzbudzanego generatora synchronicznego