Моделирование тиристорной системы самовозбуждения синхронного генератора

В данном примере рассматривается модель синхронного турбогенератора ТГВ-300-2У3, обмотка возбуждения которого питается от управляемого тиристорного выпрямителя. Выпрямитель подключён через трансформатор к выводам генератора. Такая компоновка соответствует тиристорной системе самовозбуждения синхронного генератора (СТС), относящейся к зависимым системам возбуждения.

Теоретические аспекты

В предыдущем примере, посвящённом бесщёточной системе возбуждения, была кратко рассмотрена роль питания обмотки возбуждения синхронного генератора.

В данном примере рассматривается турбогенератор большей мощности — 300 МВт. Питание вращающейся обмотки ротора осуществляется от тиристорного выпрямителя через контактные кольца и щётки. Выпрямитель преобразует переменное напряжение, снимаемое с выводов генератора, в постоянное напряжение, необходимое для питания ротора. Использование тиристоров позволяет управлять величиной выпрямленного напряжения, а значит — регулировать ток возбуждения ротора.

Рабочее напряжение обмотки ротора значительно ниже напряжения на выводах генератора. Для согласования уровней напряжения используется выпрямительный трансформатор. С целью обеспечения форсировки возбуждения трансформатор обычно проектируется так, чтобы напряжение его вторичной обмотки превышало номинальное напряжение ротора.

При коротких замыканиях в энергосистеме, особенно электрически близких к месту КЗ, наблюдается существенное снижение напряжения. Для обеспечения устойчивой работы генераторов требуется в такие моменты максимально возможное повышение напряжения на выводах машины. Это достигается за счёт форсировки возбуждения, при которой ток ротора кратковременно превышает номинальное значение (приблизительно в 2 раза) [1].

Структура тиристорной системы возбуждения в модели

Форсировка возбуждения в СТС может реализовываться несколькими способами:

• с использованием отдельной группы тиристоров;

• с использованием той же группы тиристоров, но с питанием от обмотки трансформатора с повышенным напряжением;

• при работе от отпайки трансформатора в нормальном режиме и переходе на полное напряжение при форсировке.

В данной модели выпрямительный трансформатор (TE) выполнен как трёхобмоточный:

• обмотка 2 — рабочая;

• обмотка 3 — форсировочная.

Так как режим форсировки возбуждения в примере не моделируется, форсировочная обмотка не используется.

Тиристорный выпрямитель реализован на основе блока Converter (Three-Phase), работающего в режиме AC/DC-преобразования. В качестве силовых ключей выбраны тиристоры. Расположение тиристоров нужно учитывать при подключение преобразователя к обмотке ротора. Схема Converter (Three-Phase) выполненном на тиристорах выглядит следующим образом:

Начальная частота системы задана равной 50 Гц, поэтому генератор (G) в момент начала моделирования уже запущен.
Если требуется моделирование пуска генератора с СТС, необходимо кратковременно подать питание на обмотку ротора от внешнего источника (UE). В этом случае в цепь возбуждения следует включить блок Field Circuit.

Автомат гашения поля (QAE) и разрядник (FV) в данной модели не реализованы.

В качестве автоматического регулятора возбуждения (AVR) используется блок АРВ-СД (High-Gain AVR). АРВ-СД наиболее типична для СТС [2].

Описание модели

Параметры синхронного генератора приняты в соответствии с [3]. Недостающие параметры восстановлены с учётом методики, описанной в нашем недавнем материале. Номинальные значения напряжения системы возбуждения также взяты из [3].

По сценарию моделирования модель близка к примеру с бесщёточной системой возбуждения. В ходе моделирования выполняется наброс нагрузки на генератор. Регулятор скорости турбины восстанавливает частоту до номинального значения, а АРВ обеспечивает регулирование напряжения в переходном процессе.

На начальных шагах расчёта, при поиске установившихся начальных условий, наблюдаются выбросы электрических величин. Для повышения устойчивости расчёта входные сигналы АРВ ограничиваются блоком Value Limits. Выход АРВ формируется в виде напряжения возбуждения в относительных единицах, которое далее преобразуется в угол открытия тиристоров (alpha).

Генерация импульсов управления тиристорами реализована в подсистеме Six-Pulse Generator.

Список литературных источников

[1] Коротков В.Ф. Автоматическое регулирование в электроэнергетических системах: учебник для вузов / В.Ф. Коротков.— М.: Издательский дом МЭИ, 2013. — 416 с.: ил.

[2] Вайнштейн Р.А. Автоматическое управление электроэнергетическими системами в нормальных и аварийных режимах: учебное пособие. Часть 1 / Р.А. Вайнштейн, В.В. Шестакова, И.М. Кац; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. – 111 c.

[3] Неклепаев Б. Н., Крючков И. П. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

[4] Вайнштейн Р. А., Понамарев Е. А., Наумов В. А. & Разумов Р. В. (2022). Основы противоаварийной автоматики в электроэнергетических системах. Томск: Изд-во РИЦ СРЗАУ.

Вывод

В представленном примере выполнено моделирование тиристорной системы самовозбуждения синхронного генератора ТГВ-300-2У3. Обмотка возбуждения генератора питается от управляемого тиристорного выпрямителя, для которого в модели реализована логика управления с генерацией импульсов открытия силовых ключей.

Такая степень детализации позволяет подробнее исследовать динамику системы возбуждения и поведение её отдельных элементов в переходных режимах. Для углублённой работы с моделью вы можете самостоятельно:

• добавить логику форсировки возбуждения;

• смоделировать работу генератора на энергосистему с последующим коротким замыканием;

• реализовать собственную модель тиристорного выпрямителя для детального анализа коммутационных процессов.