Sisteme de reglare automata a tensiunii la generator cu elemente statice

Sisteme de reglare automata a tensiunii la generator cu elemente statice

In procesul de crestere continua a puterii unitare a agregatelor generatoare, constantele electrice si mecanice naturale ale acestora sufera inrautatiri progresive. Se ajunge, de pilda, la reactante sincrone longitudinale X_d foarte mari, peste 200% si momente de inertie, precum si timpi de lansare mici, care provoaca dificultati la mentinerea functionarii stabile in sistem. De exemplu, la generatoare mari, de 250 MVA, X_d atinge 260%, in vreme ce determinarile experimentale facute pentru pastrarea stabilitatii, in cazul unor defecte apropiate, sau la aruncari de sarcina, conduc la valori X_d de cel mult 110%. Ca solutie se tinde spre o asemenea alegere si acordare a regulatoarelor automate de tensiune, respectiv de viteza sau turatie astfel incat sa se compenseze caracteristicile naturale defavorabile ale grupurilor reglate. De exemplu, un regulator de excitatie cu elemente statice realizat cu diode si tiristoare amplasate in excitatia generatorului sincron determina reducerea reactantei sincrone longitudinale, asigura o buna fortare a excitatiei si contribuie la marirea stabilitatii in functionare. Totodata, ca urmare a imbunatatirii regimului oscilant care apare in primele momente dupa deconectarea unui defect apropiat se obtine o marime pe cale artificiala a timpului de lansare a agregatului turbina- generator. De asemenea, regulatoarele automate de viteza sau turatie de tip electrohidraulic cu inertie si constante de timp foarte mici contribuie la cresterea stabilitatii functionarii generatorului sincron.

Exista o mare varietate de scheme de reglare a excitatiei cu astfel de elemente statice comandate, dintre care se prezinta 5 variante care pot fi analizate cu avantajele si dezavantajele lor, in vederea alegerii solutiei optime.

Fig. 15 Varianta de reglare cu trei masini coaxiale

In variante din fig. 15 se folosesc 3 masini cuplate pe acelasi ax si anume: generatorul principal GS, alternatorul de excitatie A_EX si excitatoarea Ex_pilot. A_EX furnizeaza tensiune pentru puntea cu diode PD din excitatia generatorului principal GS (IF -infasurarea rotorica). Excitatoarea pilot furnizeaza tensiunea pentru puntea tiristoare din excitatia alternatorului de excitatie. Regulatorul de tensiune RATG, cu o lege de reglare PD sau PID, primeste la intrare un compundaj de tensiune (U, I_g) si de curenti (U+KI_g) datorita transformatoarelor TT si TC, si comanda la iesire tiristoarele puntii PT.

Dezavantaj: Sunt trei masini coaxiale, ceea ce face ca sala masinilor sa fie mai lunga si costul constructiei sa creasca.

a) Varianta Transipol -Siemens

In figura 16 este reprezentata, deasemenea monofilar, varianta de reglare Transipol -Siemens. Se renunta la excitatoarea pilot care este suplinita de transformatorul de excitatie T_EX legat la bornele generatorului principal GS; PTD -punte cu diode si tiristoare comandate, in excitatia GS.

Avantaj: se elimina una din masinile coaxiale; RAT -G comanda tiristoarele puntii RT din excitatia alternatorului de excitatie A_EX.

Dezavantaj: dependenta reglajului de regimul de functionare al GS.   

In figura 17 este reprezentata varianta de reglare cu autoexcitatie.

Fig. 17 Varianta de reglare cu autoexcitatie

Se renunta la ambele masini coaxiale luandu-se tensiune pentru alimentarea puntii PDT dintr-o retea auxiliara de curent alternativ. Regulatorul automat de tensiune RAT-G, cu lege de comanda PD sau PID, comanda tiristoarele puntii PDT.

Dezavantaj: nu se poate aplica decat la puteri reduse ale genaratorului sincron reglat.

In figura 18 se prezinta varianta de reglare cu excitatie statica tip compound.

Fig. 18 Varianta de reglare cu excitatie statica tip compound

In aceasta schema de reglare se folosesc doua transformatoare de putere pentru excitare, unul in serie T_EX,s si unul in paralel T_EX,p cu generatorul principal GS. Regulatorul de tensiune RAT -G comanda tiristoarele puntii PDT. Rezulta un cost relativ redus, viteza de raspuns mare si functionare corespunzatoare si la defecte prelungite sau apropiate de bornele GS.

Dezavantaj:transformatoarele T_EX,s si T_EX,p trebuie supradimensionate pentru a putea lucra si la defecte apropiate, cand tensiunea scade mult.

O ultima varianta analizata este cea reprezentata in figura 19 -Schema semipol II.

Fig. 19 Schema SEMIPOL II (SIEMENS, ABB, AEG, ALSTOM)

Aceasta contine un alternator de excitatie A_EX coaxial cu generatorul sincron reglat GS si autoexcitat datorita lui T_EX, cu tensiunea constanta la borne datorita interventiei regulatorului propriu RAT₂ care comanda tiristoarele puntii PT₂ din excitatia alternatorului de excitatie. In acest caz, regulatorul principal RAT₁ comanda tiristoarele puntii PT₁ din excitatia    generatorului reglat, GS.

Avantaje:sistemul are fiabilitate ridicata, determina o buna fortare a excitatiei si o dezexcitare rapida prin cuplarea excitatiei pe o rezistenta de stingere a campului neliniara. Un alt avantaj este ca se poate realiza cu elemente ale sistemelor unificate de reglare automata care permit si alte reglaje suplimentare cum ar fi reglarea puterii reactive generata, a factorului de putere cosj si a ungiului electric intern d

Pentru excitarea initiala -la pornire -se inchide comutatorul K si se ia tensiune de la serviciile interne (U_aux). Aceasta varianta se aplica la multe agregate generatoare din tara noastra.

5. Sisteme de reglare automata pentru generatoarele sincrone pentru generatoarele sincrone

Se introduc asa numitele "semnale aditionale" care modifica comanda de la regulatorul de tensiune principal si in functie de variatiile DP, Df sau Dw si primele lor derivate. Efectul acestor semnale aditionale consta in asa numita stabilizare prin frecventa a regulatorului automat de tensiune ceea ce determina imbunatatirea sensibila a regimului oscilant dupa incetarea actiunii unei perturbatii (cum ar fi deconectarea unui scurcircuit relativ apropiat).

O astfel de schema este prezentata in fig. 20 si care se refera la sistemul de RAT -G pentru hidrogeneratorul de 190 MVA de la Portile de Fier I.

Fig. 20 Schema de RAT pentru hidrogeneratoarele de 190 MVA (CHE PDF I)

Principalele elemente (blocuri) ale schemei de reglare din fig. 20 sunt urmatoarele:

1-regulatorul principal de tensiune(RAT-G) cu lege de reglare PPD si semnale aditionale functie de frecventa;

2-puntea cu diode si tiristoare comandate pentru functionarea in regim normal;

3-puntea cu tiristoare comandate pentru fortarea excitatiei generatorului reglat;

4-generatorul auxiliar autoexcitat, cu tensiune de excitare constanta peste tot datorita regulatorului propriu de tensiune;

5-puntea cu diode si tiristoare pentru excitarea generatorului auxiliar. Se observa ca cele doua generatoare sunt coaxiale.

Schema este o schema de tip semipol II cu stabilizare prin frecventa datorita semnalelor aditionale proportionale cu abaterea de frecventa Df si prima derivata a acesteia Deoarece semnalele aditionale pot determina instabilitatea raspunsului, trebuie sa fie dozate corespunzator si verificate in conditiile de exploatare.

6. Sisteme de reglare automata a tensiunii cu elemente ale sistemului unificat UNIDIN-S

Fig. 21 Schema de principiu a RAT cu elemente UNIDIN-S

In figura 21 s-a reprezentat schema de principiu pentru RAT-G cu elemente ale sistemului unificat de reglare UNIDIN-S. Blocurile componente ale schemei sunt urmatoarele:

1- regulator de tensiune pentru generatorul principal

2- regulator de unghi intern d

3- regulator de curent de excitatie

4- circuit poarta de maxim

5- circuit poarta de minim

6- comutator automat/manual

7,12- dispozitive de comada pe grila sau poarta tiristoarelor

8,13- punti redresoare cu tiristoare comandate

9- traductor tensiune-curent

14- traductor tensiune

10- traductor de unghi electric intern d

11- regulator automat de tensiune pentru alternatorul auxiliar

15- traductor de curent de excitatie

16,25- transformatoare de curent

17- transformator de tensiune

18- tahogenerator pilot cu magneti permanenti pentru masurarea lui d

19- generator auxiliar autoexcitat

20- generator principal reglat

21,23- circuite de protectie ale tiristoarelor

22- transformator pentru autoexcitarea generatorului auxiliar

24- baterie pentru amorsare la pornire

-bucla de reglare a tensiunii generatorului principal si al curentului de excitatie al acestuia;

-bucla de reglare a tensiunii alternatorului de excitatie;

-bucla de reglare pentru limitarea variatiei unghiului d

La functionarea in regim normal sau la mici perturbatii, regulatorul de tensiune 1 comanda pe calea 1-7-8 tiristoarele din puntea aflata in excitatia generatorului principal ori de cate ori abaterea de tensiune e_u este diferita de zero.

Daca d>d_limita intervine regulatorul 2 cu o lege de reglare PD si functionarea intermitenta care emite un semnal de comanda ce trece cu prioritate prin circuitul poarta de maxim 4, determina fortarea excitatiei generatorului principel si revenirea unghiului d. Cand semnalul de la poarta 4 ar conduce la depasirea valorii limita a curentului de excitatie I_e acxtioneaza regulatorul de curent de excitatie 3, semnalul sau de comanda trece cu prioritate prin circuitul poarta de minim 5 si blocheaza cresterea in continuare a excitatiei. Marimile notate cu * sunt marimi de consemn (

Schema are autonomie completa datorita autoexcitarii generatorului auxiliar 19, si o buna fortare a excitatiei si se poate completa cu alte elemente ale sistemelor unificate de reglare automata, pentru multiplicarea functiilor de comanda si (sau) reglare automata.

7. Sisteme de excitatii fara perii("brushless")

Excitatiile de tip bruschless se intalnesc la generatoarele de mare putere de peste 500 - 600 MW, care daca ar folosi excitatoare conventionale ar necisita pentru excitare puteri mari de ordinal MW.

Particularitatea lor de baza, consta in elimanarea periilor si a inelelor colectoare. Se redreseaza un bloc redresor rotativ, care reprezinta excitatia cu tiristoare de putere comandata. Se obtine un system de excitatie compact, in sensul ca indusul rotativ este asezat in consola pe arboreal turbo generatorului si este dispus in interiorul inductorului. Cel mai adesea se folosesc tiristori rotativi in capsula de tip saiba, legati pe sectii distincte si ocupand simultan aceeasi pozitie sub talpa polara. In arboreal excitatorului se amplaseaza conductori ecranati, prin care se transmit impulsurile de comanda la tiristori rotativi. Sistemele sunt fiabile, lipsite de inertie si ofera posibilitatea stingerii rapide a campului de excitatie prin trecerea redresorului in regim de invertor.

Figura 1.a (excitator cu diode rotative -schema tip)

In fig de mai sus se observa ca n este 5 brate, care se leaga la infasurarea indusului. Cu cresterea vitezei de raspuns a sistemului de excitatie a tensiunii de plafon si a factorului de amplificare a sistemului de reglare se accentueaza posibilitatea inrautatirii stabilitatii functionale.

S-au realizat scheme, care apeleaza la stabilizatorul de alunecare PSS, care este un bloc de reglare suplimentar; rolul acestuia (figura de mai jos) este de a atenua oscilatiile mecanice ale rotorului generatorului reglat, si de a creste amortizarea raspunsului la aparitia unor fenomene tranzitorii in retea; sau deconectarea unor defecte apropiate de generator.

Figura 1.b (schema functionala a stabilizatorului tip PSS pentru reglarea adaptiva ' Ug- Qg'

Acest bloc suplimentar PSS, primeste la intrare un semnal in tensiune proportional cu turatia, n, respective cu frecventa si puterea generatorului. Si respectand posibilitatiile tehnice si plafonarea excitatia produce la iesire, la inchiderea comutatorului I, un semnal de deplasare a referintii de tensiune in gama de valoare ± 0.1 U_0g, si cu effect in sensul reducerii masinii sincrone reglate. Reglarea este de tensiune si putere reactiva de tip adaptive si cu bucle multiple de reglare.

SISTEMELE DE EXCITATIE STATICA CU

DE TIP UNITROL

Cu elementele unui sistem unificat de reglare de tip PSR programabil, care asigura o reglare in nodul respective inclusive interfata de process. Este destinat proceselor rapide specifice automatizarilor din electroenergetica. Canalele de reglare se exploateaza independent in timp real ofera un grad ridicat de fiabilitate, de pe automat pe manual.

Schimbul de date cu sistemul de excitatie precum si cu puntile cu tiristoare comandate si sistemul de dezexcitare rapida se realizeaza cu ARC.

Structura sistemului UNITROL, apare in figurile .1 si .2. Prezentarea datelor se face in sistemul α numeric sau mixt, α numeric analogic. Functionarea este controlata cu o tastatura ce poseda 10 functii distincte.

Figura .1 (Components of the UNITROL P system)

Fig .2( UNITROL P control and display unit)

Se poate utilize si un PC pentru programarea parametrilor si operatiilor realizate. Permite functionarea RMS (reglare, masurare, afisare).

Fig .3 (Unitrol M System)

Se comanda pe grila tiristorii din functiile plasate in excitatia generatorului reglat. Sistemul din figura .3 realizeaza urmatoarele functii:

reglajul curentului sau tensiunii de excitatie pana la limita de plafon admisa;

controlul unghiului electric intern δ, cu un reglaj intermittent pentru a eviata depasirea unui maxim admisibil. Este asigurata separarea galvanica de restul instalatiei electrice precum si alimentarea de la o sursa de tensiune stabilizata.   

PROTECTIA TIRISTORILOR DE PUTERE

In schema puntii cu tiristori, s-au introdus rezistente si inductante de egalizare in serie cu tiristorul T, care asigura identitatea bratelor puntilor si aprinderea simultana a tiristoarelor aflate in parallel datorita aparitiei unei tensiuni suplimentare de aprindere.

Fig x pag I

Protectiile specifice sunt :

R,C serie - asigura protectia impotriva supratensiunii intene, datorita inertiei stratului la cresterea rapida a curentului;

Protectia cu sigurante fuzibile (releu termic de supracurenti) SIG, impotriva scurtcircuitului pe partea de current continu;

Protectia cu R_g, C_g in parallel pentru evitarea aparitiei unor curenti capacitive grila la nod, care ar putea amorseze nedorit tiristorul T.

Functiile de transfer si constantele specifice unui tiristor T:

R, C = protectia impotriva supratensiunilor interne;

R_g, C_g = protectia impotriva curentilor capacitive grila - anod;

L - inductanta pentru majorarea tensiunii de aprindere.

(1) functia de transfer a puntii cu tiristoare de putere

Pentru T_μ    0 (2)

T_μ = , unde : f = frecventa tensiunii de alimentare a puntii;

p= numarul de pulsuri ale tensiunii redresate intr-o

perioada a tensiunii retelei.

REGLAREA AUTOMATA A TENSIUNII LA TRANSFORMATORUL DE PUTERE

Se executa sub forma unui reglaj in trepte sub sarcina cu ajutorul unui comutator de ploturi CP, actionat de elemental de executie EE, a regulatorului de tensiune.

FIG .a pag II (Schema functionala pentru un sistem de reglare automata la transformator, sub sarcina)

Fig. .b pag II (Schema de principiu a unui sistem pentru RATT.)

Se poate mentine tensiunea la consumatori in limita de stabilitate. La 110 kV se poate lucra cu tensiuni de 90 125 kV, fara a deranja tensiunea inferioara, deoarece la acestea se poate realize reglajul sub sarcina prin transformatorul de cuplaj respective.

Servomotorul SM este elemental de executie EE este un SM de curent continu, cu flux constant de excitatie). Transformatorul de reglaj 20%30% in circa 20 de trepte, cu tensiunile aditionale in faza cu tensiunea retelei, ceea ce constituie "reglajul longitudinal".

Pe liniile de transport    pentru acoperirea bazei curbei de sarcina este sufficient sa se prevada reglajul sub sarcina la transformatoarele coboratoare. Liniile de transport cu regim variabil, care asigura acoperirea varfului curbei de sarcina, se prevad transformatoare ridicatoare cu reglaj in trepte de 20% si transformatoare ridicatoare cu reglare dubla 3040%. Pe liniile electrice de interconexiune cu transport de putere in ambele sensuri, intervalul de reglaj sub sarcina este 2040%, iar sistemul de reglare se instaleaza la ambele capete ale liniei.

Pentru retelele complexe buclate, poligonale este posibil ca reglajul longitudinal sa nu se dovedeasca sufficient. In aceste situatii se prevad transformatoare cu reglaj sub sarcina, care introduce tensiuni suplimentare defazate sau in cuadratura reglaj transversal).

REGLAREA AUTOMATA A RAPORTULUI DE TRANSFORMARI (RATT)

Fig 1 pag 22 a si b- REGLAREA AUTOMATA A RAPORTULUI DE TRANSFORMARI (RATT)

Releele polarizate, 1RP si 2RP, cu cate doua infasurari identice conectate in opozitie    in asa fel ca la tensiunea U₀=U_nominal cand diferinta curentilor ΔI=0 (figura b) punctual M, tensiunea magnetica rezultanta sa fie = 0, iar regulatorul sa nu intervina.

Releele intermediare ,1RI si 2RI, au cate doua contacte, unul normal deschis si unul normal inchis.]

Releul de timp,RT, are tot doua contacte ,RT1 si RT2 normal deschise si cu temporizare reglabila la inchidere de 2030 s.

Curentul I₂ are o variatie pronuntat neliniara cu tensiunea (figura b) datorita turatiei rapide.Iar curentul I₂ furnizat de puntea redresoare S, care variaza liniar cu tensiunea U₁.

La orice variatie a tensiunii fata de tensiunea de consemn U₀ apare o diferenta de curenti ΔI, in functie de care se produce excitarea bobinelor 1RP sau 2RP.Inchiderea contactelor acestora, excitarea releelor 1RI sau 2RI si comutarea contactelor acestora, conduc in final la excitarea lui RT si comandarea cu temporizare a cresterii sau scaderii tensiunii pe barele b₂ prin actionarea unui comutator de ploturi de catre un element de executie de tip SM care nu e figurat. Comanda se transmite cu o temporizare directa de    2030 s pentru ca la variatia de scurta durata a tensiunii reglate sa nu mai intervina.

Schema permite atat reglarea nivelului tensiunii in nodul respectiv cat si a circulatiei de putere reactiva in punctual respective. Daca se inseriaza o impedanta echivalenta suplimentara calcului corespunzator se obtine o compensare de tip corectie, care permite controlul nivelului tensiunii si al valori de reactive intr-un alt punct, decat cel prezentat de locul unde este instalat sistemul de reglare automata.

Alte metode de RAT-Q in SEE

In afara de RA a tensiunii de excitatie si RA la transformatorul sub sarcina, in SEE se folosesc si alte mijloace de reglare automataa tensiuniisi puterii reactivein scopul asigurarii unui echilibru local intre puterea con-sumata si cea generata.

Acestea sunt:

Compensatoare sincrone reglabile: masini electrice care pot furniza sau absoarbe energie reactivain functie de regimul de lucru al masinii. Un compensatormicron prevazut cu regulator de tensiune propriu poate debita o putere reactiva suplimentaraatat cand tensiunea descreste intre anumite limite contribuind la mentinerea sau refacerea stabilitatii in sistem. Masina este instalata pe infasurarea tertiara a unui transformator sau AT de putere si se regleaza lent prin variatia excitatiei. Compensatoarele sincrone sunt mai scumpe, si au dezavantajul ca sunt influentate de variatia de frecventa din SEE.

Baterii de condensatoare reglabile: apar in retelele de medie tensiune si la marii consumatori industriali. Aceasta furnizeazalocal energie reactiva si reduc caderile de tensiune de pe linie. Se instaleaza tot pe pe infasurarea tertiara transformatoarelor cuplate la reteasi ofera posibilitatide reglaj in trepte, cu conectoare/deconectoare comandata automat. Prezinta avantajul ca pretul energiei reactive produsa in bateriile de condensatoare este de ori mai mic decatal celei produse de compensatoarele sincrone.

Bobinele de reactanta sau reactante sunt, care se insereaza pe liniile de interconexiune si permit reglarea tensiunii fie prin modificarea numarului de bobine in paralel, fie prin alimentarea prin autotransformatoare AT reglabile.

Exemplu: reglarea de Portile de Fier - reactoare de 40 MW, montat pe tertia-lultransformatorului de 400 kV.

Toate se folosesc pentru a se atinge echilibru global intre energia generata si cea consumata bazata pe asigurarea locala in sistem. Pentru a nu se vehicula energia reactiva pe liniile lungi insotite de preturi suplimentare, functioneaza la factor de putere cat mai apropiat de unitate.

Se defineste un factor de putere, cosj, neutral, la care trebuie sa se realizeze consumul de energie, la care consumul de energie reactiva nu este tarifat. Daca nu se realizeaza cosj neutral =,(la noi 0.92), pretul energiei reactive comparate creste diferential in functie de nivelul de tensiune. Astfel, pretul unitar este aproape dublu pentru cpnsumul la joasa tensiune fata de cel la inalta tensiune.

Conducerea ierarhizata a SEE din punct de vedere al Reglajului U-Q

Conducerea ierarhizata, care vizeaza reglarea tensiunii in sistem este astfel structurata:

actiuni primare la nivelul elementelor de retea;

actiuni secundare la nivelul unui ansamblu de elemente de retea alcatuind o zona. (figura 12);

actiuni tertiale cu functia de coordonare a reglajelor secundare dintr-un punct central de dispecer national.

Fig 12 Reglajul secundar u-Q in SEE (foi capsate)

In figura 12 se prezinta reglajul secundar u-Q in SEE. Se definesc punctele pilot si zonele. Punctul pilot este acel nod din sistem, in care puterea de scurtcircuit are valoarea maxima. In acest punct apare si riscul perturbarii functionarii stabile.

Zona este acea parte a SEE, in care valoarea parametrului controlat (tensiunea), se abate in mica masura, de la o tensiune de consum (u_b0) si care caracterizeaza punctual pilot.

Legatura dintre punctele pilot si dispecerul energetic al zonei se face prin sistemul de teletransmisie, folosind drept suport    pentru impulsuri, chiar cunductoarele liniilor electrice de inalta sau foarte inalta tensiune, folosind receptoare si emitatoare de impulsuri E/R. La receptie se asigura dupa caz conversie numerica analogica CAN, sau conversie analogica numerica CAN.

La dispecerul zonal unde apare abaterea de tensiune este instalat un regulator de abatere, care este un calculator numeric de proces in timp real. Ordinele de reglare ΔU sunt distribuite printr-un repartizor central si dupa conversia numeric analogica sunt transmise tot prin sistemul de teletransmisie, catre centralele electrice reglante (figurate cu generatoarele G₁, . ,G_n).

Dupa receptia acestor ordine de reglare, intervin prin elementele de executie asupra regulatoarelor locale de reactive, care comanda consemnele U₁₀, . ,U_n0, ale regulatoarelor automate de tensiune locale RAT₁,RAT₂, . ,RAT_n , din excitatia generatoarelor, care participa la reglare si pana ce abaterea de tensiune ε_v este anulata. Sistemul este completat cu o serie de blocaje si limitarii care nu permit executarea ordinelor de reglare, care ar putea sa conduca la depasirea limitei admisibil pentru tensiunea si curentul statoric sau curentul rotoric sau unghiul electric intern δ. Se obtine o reglare calitativ superioara a tensiunii, puterii reactive si a disponibilului de putere reactiva.

Metoda este aplicata in modelul European.

REGLAJUL TERTIAL u-Q

O data cu dezvoltarea sistemelor electro energetice interco-nectate, trebuie reglate si conduse printr-un reglaj tertial si centralizat la nivelul unui disceper national.

S-a notat cu DEC - desipeceril central. Dezavantajul este ca nu se tine cont de interactiuniile dintre diverse zone. Astfel s-a format un reglaj de tensiune, care tine seama de legaturile de interactiune dintre diferitele zone ale SEE.

In conditiile preluarii retelelor de 110 kV de pe cuprinsul unei filiale de retele de comanda (CHC), se poate face comas area activitatii DEZ (zonal) si DEL (local) intr-o unica treapta de comanda de tip DED (distributie), Preluamdu-se responsabilitatile de la celelalte nivele. DET (teritorial) va prelua si responsabilitatile privind functionarea de ansamblu interconectate a retelelor de 110 kV din zona respectiv