Характеристика мощности электропередачи с регулируемыми генераторами

Предполагалось, что э. д. с. генераторов при изменении их мощности остается постоянной. Как можно видеть, связанное с ростом передаваемой мощности увеличение угла обусловли­вает снижение напряжения генератора. Если возрастание нагрузки происхо­дит достаточно медленно, то э. д. с. генераторов путем регулирования тока возбуждения может быть изменена для поддержания постоянства напряжения на шинах генераторного напряжения. Предел передаваемой мощности при этом резко возрастает.

Обратимся снова к схеме электропередачи (рис. 5.8) с индуктивным сопротивлением системы . Значение напряжения на ши­нах генераторов в этой схеме нетрудно получить на векторной диаграмме (рис. 5.9), прибавляя к вектору напряжения приемника U падение напряже­ния в суммарном индуктивном сопротивлении трансформаторов и линии, равном: Прибавляя далее к вектору падение напряжения в синхронном индуктивном сопротивлении генератора , находим э. д. с. генератора в данном режиме Е. Вектор напряжения на шинах генератора делит вектор полного падения напряжения на два отрезка: — в отношении значений индуктивных сопротивлений . При увеличении угла на вектор э. д. с. генератора Е займет новое положение, показан­ное на диаграмме рис. 5.9 штриховой линией. Положение вектора напря­жения генератора в новом режиме можно найти, разделив в том же отношении значений индуктивных сопротивлений вектор полного падения напряжения, соединяющий концы векторов Е и U.

Рисунок 5.8 – Принципиальная схема и схема замещения электропередачи

Рисунок 5.9 - Изменение напряжения при увеличении угла

Как вытекает из диаграммы, вектор напряжения при увеличении угла поворачивается, следуя за вектором Е, и, что особенно важно, при этом уменьшается. Этот вывод, очевидно, справедлив для напряжения любой другой промежуточной точки схемы электропередачи: на шинах подстанции, на линии и т. д.

При наличии у генераторов автоматических регуляторов возбуждения контролирующих напряжение , регуляторы, реагируя на понижение напряжения при возрастании угла , будут увеличивать ток возбуждения генера­торов, а с ними э. д. с. Е до тех пор, пока не восстановят прежнего значения напряжения.

Таким образом, исследуя установившиеся режимы работы генераторов, имеющих автоматические регуляторы напряжения, при различных значениях угла следует исходить из постоянства напряжения на шинах генераторного напряжения . Значение же э. д. с. генераторов Е в этих условиях будет изменяться, возрастая с увеличением угла (рис. 5.10). Если при неизменной э. д. с. характеристика мощности генераторов в зависимости от угла пред­ставляет собой синусоиду:

то при наличии регуляторов напряжения эта характеристика будет иметь более сложный характер, отражая непрерывное изменение э. д. с. генераторов в зависимости от угла . Построив для различных значений э. д. с. Е семейство синусоид, амплитуды которых пропорциональны Е (рис. 5.11), характеристику мощности с учетом изменения э. д. с. (которую мы назовем внешней характеристикой) можно получить, переходя с одной синусоиды на другую в соответствии с ростом э. д. с., вытекающим из векторной диаграммы, приведенной на рис. 5.10. Если увеличение мощности и угла происходит достаточно медленно, то такая же характеристика может быть получена и при ручном регулировании напряжения. Внешняя характеристика имеет возрастающий характер даже в области углов > 90°, что нетрудно объяс­нить увеличением э. д. с. Е, которое преобладает над уменьшением в выражении мощности при углах, несколько больших 90°.

Максимум внешней характеристики достигается не при = 90°, а при = 90°, где — угол вектора напряжения на шинах генераторов , Угол при этом уже значительно превышает 90°. Однако неустойчивость системы возникает ранее, и при регуляторах напря­жения с зоной нечувствительности, а тем более при ручном регулировании, критиче­ским с точки зрения устойчивости следует признать режим не при = 90°, а при = 90°. В области углов <90° несовер­шенство регулирования не приводит не­посредственно к неустойчивости системы, так как даже синусоидальные характери­стики при постоянстве э. д. с. имеют в этой области значений углов возрастающий ха­рактер.

Рисунок 5.10 – Изменение э. Д. С. с увеличением угла

Рисунок 5.11 - Определение внутреннего предела мощности

При углах же > 90° режим пере­ходит на падающие ветви синусоидальных характеристик мощности; система стано­вится внутренне неустойчивой и удержать машины в синхронизме здесь можно лишь при исключительно точном регулировании. Таким образом, при ручном регулировании возможность устойчивой работы в этой области практически совершенно исклю­чена. Затруднена она и при автоматическом регулировании [в случаях, когда регуляторы имеют зону нечувствительности]. При из­менении напряжения в пределах этой зоны регуляторы не работают и э. д. с. генерато­ров остается постоянной. Критерием ста­тической устойчивости является знак синхронизирующей мощности dP/d , т. е. пре­дела отношения приращения мощности к приращению угла при бесконечно малом отклонении от исходного установившегося режима работы системы.

Рассматривая внешнюю характеристику мощности как совокупность возможных установившихся режимов ра­боты при ручном регулировании и при автоматическом регулировании напряжения с зоной нечувствительности, устойчивость этих режимов в каждой точке внешней характеристики следует проверять по знаку синхронизирующей мощности при постоян­стве э. д. с. генераторов, определяемой по касательной не к внешней характеристике, а к соответствующей внутренней характе­ристике мощности, как это показано на рис. 5.11. Предельное значение мощности в этих условиях, так называемый внутренний предел мощности , достигается в точке b на внешней харак­теристике при = 90° (или = 90°+ при наличии в системе активных сопротивлений).

Как было отмечено, система не может работать на пределе устойчивости. На случай непредвиденных изменений режима необходим определенный запас устойчивости. Несовершенство регулирования напряжения вручную заставляет при определении запаса устойчивости при таком регу­лировании ориентироваться на постоянство э. д. с. генераторов.

Для каждой точки внешней характеристики мощности существует свой запас устойчивости, определяемый по внутренней характеристике, проходя­щей через данную точку (рис. 5.12). По мере увеличения запас умень­шается и становится равным нулю при достижении внутреннего предела мощности. Ввиду того, что необходимо иметь определенное значение запаса устойчивости наибольшее допустимое значение передаваемой мощности при ручном регулировании напряжения далеко не достигает внутреннего предела.

При автоматических регуляторах напряжения [имеющих зону нечувстви­тельности] могут быть допущены меньшие запасы по внутренней характе­ристике, а следовательно, и большие значения передаваемой мощности , поскольку при более или менее значительных изменениях режима можно не считаться с зоной нечувствительности регуляторов. Регуляторы обеспе­чивают дополнительный запас устойчивости вплоть до внутреннего предела мощности. Это обстоятельство позволяет рассматривать автоматические регуляторы напряжения как одно из наиболее эффективных средств увели­чения статической устойчивости.

Регуляторы без зоны нечувствительности принципиально позволяют работать и за внутренним пределом мощности, еще более расширяя область устойчивой работы генераторов.

Положительный эффект автоматических регуляторов напряжения может быть ограничен характеристиками возбуди­телей. При срабатывании регулятора напряжение возбудителя растет не беспредельно. Оно ограничивается некоторым максимальным значением - так называемым потолком возбуждения. Потолку возбуждения соответствует и некоторое предельное значение э. д. с. генератора . Если потолок возбуждения будет достигнут при угле, меньшем 90° (например, в точке b на рис. 5.13), то при дальнейшем росте угла процесс протекает уже при постоянстве э. д. с. и предел мощности получается равным амплитуде синусоиды мощности, построенной при .

Рисунок 5.12 - Изменение запаса устойчивости, определяемого по внутренней характеристике

Рисунок 5.13 - Предел мощности при ограниченном изменении э. д. с.

Если бы регулятор обладал идеальной чувствительностью и ток возбуж­дения генератора изменялся без всякого запаздывания, то работа генератора протекала бы при любых изменениях угла — конечных или бесконечно малых — на внешней характеристике при постоянстве напряжения на выводах генераторов. В этих условиях предельный, с точки зрения статической устойчивости, режим определяется амплитудой внешней харак­теристики мощности, достигаемой при углах , значительно больших 90°. Однако неизбежное запаздывание в изменении тока возбуждения возбуди­теля, особенно генератора, а также запаздывание в изменении токов в цепях самого регулятора усложняют условия сохранения устойчивости. Зона устой­чивой работы при этом может быть расширена вплоть до значения мощ­ности, равного амплитуде внешней характеристики, только при специальном выборе закона регулирования, который может быть реализован так назы­ваемыми регуляторами сильного действия.

Если же регулирование возбуждения осуществляется под действием регу­лятора, который, как рассматривалось ранее, изменяет ток возбуждения только в зависимости от изменения напряжения (регулятор пропорциональ­ного действия), то при наличии запаздывания генератор сможет работать при углах , в той или иной степени превышающих 90°, но не достигаю­щих значения, при котором характеристика мощности имеет максимальное значение. На рис. 5.14 показаны условия работы генератора с регулятором напряжения пропорционального действия при > 90°, где характеристики мощности при неизменных значениях э. д. с. холостого хода генератора Е = const имеют уже падающий характер, но внешняя характеристика мощ­ности при = const еще заметно возрастает. При небольшом возмущении исходного режима работы генератора, отвечающего точке а, увеличение угла обусловливает уменьшение напряжения на шинах генератора. Регулятор напряжения повышает напряжение на обмотке возбуждения возбудителя, но ток возбуждения возбудителя, а с ним и напряжение якоря возбудителя возрастают не сразу, а постепенно в связи с существованием самоиндукции у обмотки возбуждения. Нарастание тока возбуждения генератора еще более замедлено, поскольку индуктивность обмотки возбуждения генератора весьма велика. Поэтому изменение мощности генератора на рис. 5.14 в первый момент времени следует характеристике мощности при постоянстве э. д. с. генератора, соответствующей точке а. Мощность генератора падает, и под влиянием избытка мощности турбины угол продолжает возрастать. Однако ток возбуждения и э. д. с. генератора также начинают изменяться и режим работы генератора переходит с одной характеристики мощности на другую, что не только замедляет снижение мощности генератора, но в дальнейшем приводит к увеличению мощности генератора с ростом угла. В точке b избыток мощности исчезает, но инерция ротора обусловливает дальнейшее увеличение угла, сопровождаемое ростом мощности генератора. Избыток мощности генератора затормаживает ротор, и в точке с достигается макси­мальное значение угла, после чего угол начинает уменьшаться. После того как будет пройдена точка d, лежащая на внешней характеристике мощности, регулятор напряжения начинает уменьшать напряжение возбудителя и кривая изменения мощности генератора пересекает семейство внутренних характе­ристик мощности в обратном направлении в соответствии с уменьшением э. д. с. Е. После нескольких циклов колебания затухают и устанавливается первоначальный режим работы в точке а.

Несколько иначе обстоит дело, если у регулятора существует зона не­чувствительности, неизбежная у всех регуляторов электромеханического типа. Такие регуляторы начинают работать только после того, как отклонение напряжения в ту или иную сторону достигнет определенного значения, необходимого для того, чтобы преодолеть сопротивление подвижных частей регулятора. При меньших отклонениях, лежащих в пределах зоны нечувстви­тельности, регулятор не работает. В подобных условиях для генератора можно построить две внешние характеристики мощности, соответствующие границам зоны нечувствительности (рис. 5.15). Если исходному режиму работы генератора при > 90° соответствует точка а, то вследствие существования у регулятора зоны нечувствительности этот режим длительно существовать не может. Из-за того что внутренняя характеристика мощ­ности падает, угол начинает нарастать (или уменьшаться). После того как будут пройдены границы зоны нечувствительности, регулятор начинает рабо­тать и, изменяя э. д. с. генератора, может затормозить его и ограничить нарастание угла, так же как и в случае, рассмотренном на рис. 5.14. Однако если в результате затухания колебаний процесс и возвратился бы к исходным параметрам, характеризуемым точкой а, то в силу внутренней неустойчи­вости режима в этой точке колебания немедленно возникли бы снова.

Рисунок 5.14 - К оценке условии работы генератора при > 90 при регуляторе без зоны нечувствительности

Рисунок 5.15 - Характеристики мощности при наличии зоны нечувствительности регуляторов.

Таким образом, характерной особенностью работы генератора в области значений угла > 90° при регуляторах, имеющих зону нечувствительности, являются непрерывные незатухающие конечные колебания угла , а следо­вательно, мощности, напряжения и тока генератора. Эти колебания затруд­няют контроль за работой генератора и заставляют отрицательно характе­ризовать возможность работы генераторов в области > 90° при регуляторах напряжения электромеханического типа.

При регуляторах, не имеющих зоны нечувствительности, как было показано на рис. 5.14, режим работы генератора при > 90° также характеризуется колебаниями угла, которые определяются запаздыванием изменения тока в цепях генератора, возбудителя и системы АРВ. Однако эти колебания при правильной настройке регуляторов затухают и поэтому не могут рассматриваться в качестве безусловной причины нереализуемости режима в области, где > 90°, как это было для генераторов, снабженных регуляторами с зоной нечувствительности.

Качественный анализ процесса, выполненный с помощью зависимостей, приве­денных на рис. 5.14 показал, что характер процесса изменения угла зависит как от того, в какой мере влияет запаздывание токов на изменение мощности генератора, так и от скорости изменения тока возбуждения под влиянием регулятора, опреде­ляющей на рис. 5.14 переход рабочей точки с одной внутренней характеристики на другую. Поэтому выбором коэффициента усиления регулятора, который характе­ризует степень изменения э. д. с. генератора при изменении контролируемого регуля­тором напряжения, можно влиять на процесс изменения колебаний угла . Матема­тический анализ этого процесса показывает, что при регуляторах пропорционального действия, не имеющих зоны нечувствительности, предельный угол, при котором малые колебания угла не имеют нарастающего характера, оказывается всегда меньше угла, отвечающего амплитуде внешней характеристики мощности. Следо­вательно, такие регуляторы обеспечивают расширение зоны устойчивой работы за предел 90°, но не позволяют повышать передаваемую мощность до теоретически максимально возможного значения.

Обеспечить затухающий характер колебания угла во всей зоне, где внешняя характеристика мощности возрастает, оказывается возможным при усложнении системы регулирования возбуждения генераторов, которая при этом должна реагировать не только на изменение напряжения (или тока), но также и изменять ток возбужде­ния пропорционально производным (скорости изменения) напряжения, тока или дру­гих параметров, характеризующих режим системы. Такие регуляторы называются регуляторами сильного действия.

ДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ.