Как нагрузить генератор активной мощностью

Регулирование активной и реактивной мощности синхронных генераторов при параллельной работе

Рассмотрим способы регулирования мощности на примере неявнополюсного генератора.

Если пренебречь активным сопротивлением R₁, ток якоря можно определить из уравнения напряжения:

Т.к U₁=U_с=const, то силу тока I₁ можно изменить только изменяя ЭДС Е_f по фазе или по вел-не.

Регулирования активной мощности. Если к валу генератора приложить внешний момент, больший необходимого для компенсации магнитных и механических потерь, то ротор приобретает ускорение. Вектор Е_f. смещается относительно вектора U₁ на угол Θ в направлении вращения векторов (рис.1, б), т. е. меняет фазу. Возникает небалансная ЭДС ∆Е=Е_f —U₁=jI₁х₁, приводящая к появлению тока I₁. Вектор I₁ отстает от вектора Е_f на 90°, так как его величина и направление определяются индуктивным сопротивлением х₁.

При этом генератор отдает в сеть активную мощность
Р=m₁U₁I₁cosφ_1. На его вал действует электромагнитный тормозной момент, который уравновешивает вращающий момент первичного двигателя, и частота вращения ротора остается неизменной. Чем больше внешний момент, приложенный к валу генератора, тем больше угол Θ, а следовательно, ток и мощность, отдаваемые генератором в сеть. Для увеличения активной мощности генератора необходимо увеличивать приложенный к его валу внешний вращающий момент, а для уменьшения нагрузки — уменьшать этот момент.

Рисунок 1 – Упрощенные вект. диагр. неявнополюсного генераторапри парал работе с сетью.

Если к валу ротора приложить внешний тормозной момент, то вектор Е_f будет отставать от вектора напряжения U₁ на угол Θ (рис.1, в). При этом возникают небалансная ЭДС ∆Е и ток I₁, вектор которого отстает от вектора Е_f на 90°. Так как угол φ₁>90°, активная составляющая тока находится в про-тивофазе с напряжением генератора. Следовательно активная мощность Р=m₁U₁I₁cosφ₁ забирается из сети. Машина переходит из генераторного в двигательный режим, создавая электромагнитный вращающий момент, который уравновешивает внешний тормозной момент. Частота вращения ротора при этом остается неизменной.

Регулирование реактивной мощности. Если в машине, подключенной к сети и работающей в режиме холостого хода (рис. 2, а), увеличить ток возбуждения I_f, то возрастет ЭДС Е_f (рис. 2, б). Возникнет небалансная ЭДС ∆Е=-jI₁х₁. По обмотке якоря будет проходить реактивный ток I₁, который определяется только индуктивным сопротивлением х₁ машины. Ток I₁ отстает по фазе от напряжения генератора U₁ на угол 90° и опережает на угол 90°напряжение сети U_с. При уменьшении тока возбуждения ток I₁ изменяет свое направление: он опережает на 90° генератора U₁ (рис. 2, в) и отстает на 90° от напряжения U_с.

При изменении тока возбуждения изменяется лишь реактивная составляющая тока I₁ и реактивная мощность машины Q. Активная составляющая тока I₁ и активная мощность в режиме холостого хода равны нулю.

Рисунок 2 – Упрощ. вект. диагр. неявнополюсного ген-ра при парал-ной работе с сетью при отсутствии активной нагрузки

При работе машины под нагрузкой при изменении тока возбуждения также изменяется только реактивная составляющая тока I₁ и реактивная мощность машины Q.

Суммарный магнитный поток, сцепленный с каждой из фаз, ΣФ = Ф_f + Ф_а + Ф_1σ

не зависит от тока возбуждения и при всех условиях остается неизменным.

Режим возбуждения синхронной машины с током I_fн, при котором реактивная составляющая тока I₁ равна нулю, а cosφ₁=1,0, называют режимом полного нормального возбуждения.

Если ток возбуждения I_f >I_fн , такой режим называют режимом перевозбуждения. Ток якоря I₁ содержит отстающую от U₁ реактивную составляющую, что соответствует активно-индуктивной нагрузке генератора. Реактивная составляющая тока I₁ создает размагничивающий поток реакции якоря. Реактивная составляющая тока направлена от генератора в сеть, так как . Генератор отдает реактивную мощность в сеть.

Источник

Регулирование активной и реактивной нагрузки генератора.

Программа работы

1. Изучить порядок включения на параллельную работу генераторов методом самосинхронизации и точной синхронизации.

2. Ознакомиться со стендом учебной электростанции,

3. Произвести включение генераторов на параллельную работу методом точной синхронизации.

Пояснения к работе

Синхронизацией называется приведение к возможной близости частоты, величины, положения вектора напряжения в любой момент времени одной электрической системы по отношению к другой и включение на параллельную работу, т.е. соблюдение следующих условий:

— равенство действующих значений напряжений подключаемого генератора и сети, U_г — U_c;

— равенство частот напряжений генератора и сети, f_г = f_с;

— совпадение фаз одноименных напряжений генератора и сети.

Для трехфазных систем при этом требуется одинаковый порядок чередо­вания фаз.

Понятие о методе самосинхронизации. При самосинхронизации гене­ратор включается в сеть без возбуждения при частоте вращения, примерно рав­ной синхронной. Сразу после включения подается возбуждение и генератор за 1-2 секунды втягивается в синхронизм.

Включение генератора методом самосинхронизации осуществляется в следующем порядке:

— генератор разворачивается первичным двигателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более, чем на 2 — 3 %;

— шутовой реостат должен быть установлен на положение, соответствую­щее возбуждению, которое обеспечит U _Гном на холостом ходу, при этом АГП — в отключенном состоянии;

— включается выключатель генератора, и после этого включается АГП (в це­пи возбуждения появляется ток).

После включения в сеть генератор кратковременно работает как асин­хронный.

Асинхронный момент скольжения подтягивает ротор генератора к син­хронной частоте вращения. После подачи возбуждения появляется синхронный момент, который постепенно нарастает по мере увеличения тока в обмотке ро­тора. В результате вал генератора не испытывает резких механических толчков.

В момент включения в сеть невозбужденный генератор потребляет значительный реактивный ток. Вращающееся магнитное поле, создаваемое этим то­ком, наводит ЭДС в обмотке ротора генератора. Во избежание повреждения изоляции из-за перенапряжений, обмотка ротора до включения: должна быть замкнута на гасительное сопротивление устройства АГП. Самосинхронизация не приемлема:

а) для турбогенераторов мощностью более 3 МВт, работающих на общие сборные шины генераторного напряжения, если периодическая слагающая пе­реходного тока включения генератора при самосинхронизации превышает но­минальный ток более чем в 3,5 раза;

б) если генератор выпал из параллельной работы с остальными генерато­рами станции или системы, но несет нагрузку.

Способ точной синхронизации.

Способом точной синхронизации можно включать на параллельную работу генераторы любых типов, а также синхрон­ные компенсаторы.

В момент включения генератора в сеть необходимо строгое выполнение условий синхронизации.

Несоблюдение хотя бы одного из этих условий при точной синхрониза­ции приводит к большим толчкам тока, опасным не только для подключаемого генератора, но и для устойчивой работы энергосистемы. Разность напряжений при включении генератора в сеть допускают равной 5 — 10 % номинального на­пряжения. Угол расхождения векторов напряжения синхронизируемых источ­ников в момент включения не должен превышать 15 градусов, допустимая раз­ность частот при включении — 0,1 %.

Регулирование активной и реактивной нагрузки генератора.

После включения генератора на параллельную работу производится его загрузка ак­тивной и реактивной мощностью.

Из курса «Электрические машины» известна формула активной мощно­сти генератора:

где Е₀ — линейное значение ЭДС генератора, индуктируемой током возбуждения;

U₀ — линейное напряжение на генераторных шинах;

x_d — синхронная реактивность генератора по продольной оси;

ϴ — угол между Е₀ и U₀ (рис. 1.1, рис. 1.2).

При холостом ходе генератора угол ϴ увеличивается. Увеличение актив­ной мощности генератора, выдаваемой в сеть, сопровождается увеличением ак­тивной мощности, подводимой к генератору первичным двигателем, а значит увеличением отпуска пара в паровую турбину или воды в гидротурбину. Это увеличивает вращающий момент турбины, ранее уравновешенный синхронным электромагнитным моментом генератора. Возникает динамический (избыточ­ный) вращающий момент, вызывающий ускорение вращения сверх синхронной скорости — увеличивается угол ϴ. При этом возрастает активная нагрузка гене­ратора до тех пор, пока она не уравновесит момент на валу при некотором новом угле ϴ₂. Наступит новый установившийся синхронный режим с увеличе­нием активной нагрузки при ϴ₂ > ϴ₁,. При увеличении активной нагрузки уменьшается угол φ между напряжением и током статора и несколько увели­чивается ток статора I₁ . Это ясно видно из рис. 1.1 по длине и положению векто­ра I₁ • x_d до и после увеличения ϴ.

Рис. 1.1. Увеличение активной мощности Рис. 1.2. Увеличение реактивной мощности

Реактивная нагрузка изменяется при изменении тока возбуждения (рис. 1.2). Увеличение или уменьшение тока возбуждения соответственно уве­личивает или уменьшает ЭДС генератора Е₀. Увеличение Е₀ при неизменной активной нагрузке Р, неизменном напряжении и постоянном х_d требует уменьшения угла ϴ. Это объясняется тем, что увеличение Е₀ при неизменных параметрах уравнения активной мощности U и ϴ должно увеличивать актив­ную мощность генератора Р. Подача же механической энергии от турбины ос­тается прежней. В результате возникает тормозящий динамический момент, и скорость вращения ротора замедляется, уменьшая ϴ до тех пор, пока не насту­пит равновесие: Р_турб = Р_ген. Как видно из рис. 1.2, с увеличением Е₀ при Р = const увеличивается угол φ и величина тока I₁. Таким образом, происхо­дит увеличение реактивной нагрузки.

Источник

Регулирования активной и реактивной мощности синхронного генератора при подключении к сети

DOI: 10.32743/UniTech.2021.82.1-3.21-25

Регулирование активной и реактивной мощности генераторов при подключении к сети всегда было важным вопросом исследований электростанций и электрических сетей для эффективного использования энергии и стабильной работы двигателей. В повседневной жизни потребление электроэнергии в жилых домах постоянно меняется (больше ночью и меньше днем; больше летом и зимой, меньше весной и осенью), поэтому для рационального использования ресурсов и улучшения экономики необходимы мониторинг и регулирование активной мощности в реальном времени. В последнее время большинство приборов, подключенных к сети, являются индуктивными. Поэтому система питания должна загружать много реактивной мощности помимо активной. Согласно статистике, реактивная мощность, потребляемая промышленными предприятиями, необходимая асинхронному двигателю в энергосистеме, составляет 60–65 %, 20–25 % силовых трансформаторов и 10 % приходятся на воздушный электрические сети и другого оборудования [2]. Реактивная мощность, поставляемая энергосистемой, распределяется между всеми генераторами, что вызывает проблему того, сколько должен выдерживать каждый генератор и как регулировать реактивную мощность генераторов. В этой статье подробно анализируются методы регулирования активной и реактивной мощности, диапазон регулирования, угловые характеристики мощности и электромагнитное соотношение активной и реактивной мощности.

The regulation of active and reactive power of generators when connected to the grid has always been an important issue in the research of power plants and electrical networks for efficient use of energy and stable operation of motors. In everyday life, electricity consumption in residential buildings is constantly changing (more at night and less during the day; more in summer and winter, less in spring and autumn), therefore, real-time monitoring and regulation of active power is necessary for rational use of resources and improving the economy. Most of the loads connected to the mains are inductive lately. Therefore, the power supply system must load a lot of reactive power in addition to active power. According to statistics, the reactive power consumed by industrial enterprises required for an induction motor in the power system is 60–65 %, 20–25 % of power transformers and 10 % for overhead electrical networks and other equipment. The reactive power supplied by the power system is shared among all generators, which raises the problem of how much each generator has to handle and how to regulate the reactive power of the generators. This article analyzes in detail the methods for regulating active and reactive power, the control range, the angular characteristics of power and the electromagnetic ratio of active and reactive power.

Ключевые слова: угол мощности, ток возбуждения, активное регулирование, регулирование реактивной мощности, статическая устойчивость.

Keywords: power angle, excitation current, active regulation, reactive power regulation, static stability.

1. Введение. В этой статье обсуждается, как отрегулировать активную и реактивную мощность после параллельного подключения генератора в основном для бесконечной электросети. Это означает, что изменение режима работы подключаемого генератора практически не может повлиять на изменение напряжения или частоты сети, где они остаются неизменными, т.е. = const и = const. Внутренний процесс анализируется с помощью векторной диаграммы или угла мощности при регулировке. Регулировка активной мощности должна изменить входную мощность первичного двигателя для изменения выходной мощности генератора в соответствии с характеристикой угла мощности. Если изменяется только ток возбуждения генератора, можно регулировать только реактивную мощность генератора.

2. При перевозбуждении выдается индуктивная реактивная мощность, а реакцией якоря является размагничивание; при слабом возбуждении генератор производит емкостную реактивную мощность и реакция якоря может усилиться (также может размагничиваться). Обычный генератор возбуждения выдает только активную мощность с коэффициентом мощности, показанным на рис. 1 [2; 8; 6; 7].

2. Регулирование реактивной мощности синхронного генератора и анализ его работы. Предпосылка анализа заключается в том, что в качестве примера берем двигатель со скрытым полюсом. Эффектом насыщения и сопротивлением якоря пренебрегаем. Тогда сеть рассматривается как бесконечная, напряжение – неизменным, а частота – нормальной.

2.1. Выход без нагрузки на стабильную активную мощность. Когда генератор не выдает активную мощность, потребляемую первичным двигателем, просто компенсируются различные потери и не выводятся электромагнитные потери (без учета потерь в меди статора), поэтому угол мощности δ = 0°, электромагнитная мощность = 0, как показано на рис. 1. В это время, хотя электродвижущая сила поля , напряжение сети U могут присутствовать и есть токовый выход, это реактивный ток. Когда входная мощность первичного двигателя увеличивается, входной крутящий момент увеличивается и ( – крутящий момент без нагрузки). В это время остаточный крутящий момент () действует на вал двигателя, так что ускорение ротора, главное магнитное поле ротора () и прямая ось d опережают эквивалентное статору синтетическое магнитное поле (). Поскольку магнитное поле ограничено частотой сети, скорость вращения остается синхронной, а соответственно, и электродвижущая фаза. Величина опережает вектор напряжения на клеммах генератора на фазовый угол, поэтому δ > 0°, > 0, генератор выдает активный ток наружу, а электромагнитный момент при этом появляется соответствующий к электромагнитному моменту Когда δ увеличивается так, что соответствующий электромагнитный крутящий момент в точности равен остаточному крутящему моменту (), ротор возвращается к синхронной скорости, и генератор работает стабильно под углом δ, как показано на рисунке 1 (B) и 1 (С) [2; 6].

В это время выходная активная мощность генератора равна:

. (1)

Если это явнополюсный синхронный генератор, его угловая характеристика мощности равна:

. (2)

Также можно видеть, что угол мощности – это угол между осью магнитного полюса ротора и осью магнитного полюса воздушного зазора в пространстве и угол между электродвижущей силой возбуждения и напряжением U во времени [1–8].

Рисунок 1. Параллельно с бесконечной электросетью синхронный генератор вырабатывает активную мощность от холостого хода до стабильной выходной мощности

2.2. Регулировка активной мощности при статической и стабильной работе синхронного генератора. Активная мощность синхронного генератора, подключенного к системе большой мощности, регулируется мощностью первичного двигателя. При увеличении мощности первичного двигателя, т.е. вращающего момента первичного двигателя (паровой или гидравлической турбины), увеличивается активная составляющая тока генератора, одновременно с этим увеличивается и угол, что понижает запас устойчивости генератора. Для того чтобы синхронный генератор не терял запаса устойчивости при увеличении активной мощности, необходимо увеличивать ток возбуждения.

Векторная диаграмма генератора с невыпадающими полюсами, например, показана на рисунке 2. Текущий ток можно контролировать с помощью:

; (3)

. (4)

Объяснение. Из рисунка видно, что по мере изменения активной мощности изменяется угол δ, а затем изменяется угол , изменяется I cos, а также изменяется I sin, то есть изменяется величина реактивной мощности, а также может поменяться характер. В частности, когда активная мощность увеличивается, ток возбуждения не изменяется, а активная мощность увеличивается, I cos увеличивается. Тогда увеличивается, затем sin увеличивается, то есть δ увеличивается и уменьшается, ток якоря I увеличивается, а угол коэффициента мощности уменьшается. Следовательно, угол δ мощности фактически отражает угол кручения синтетического магнитного поля статора, и тем больше электромагнитная мощность и электромагнитный момент . Причина образования δ заключается в том, что существует поперечный ток реакции якоря (составляющая тока якоря в направлении ), поэтому поперечная реакция якоря заключается в том, что магнитодвижущая сила создает электромагнитный момент и выполняет электромеханическое преобразование энергии [2; 7].

Необходимые условия. Однако входная мощность от первичного двигателя не может быть увеличена без ограничений для увеличения электромагнитной мощности генератора. Для генератора со скрытыми полюсами, когда угол мощности δ достигает 90°, электромагнитная мощность достигает максимального значения . Если входная мощность от первичного двигателя увеличивается, новый баланс не может быть установлен и скорость двигателя будет постоянно увеличиваться и терять шаг и статическую устойчивость [2; 7; 1].

Рисунок 2. Синхронный генератор поддерживает постоянным ток возбуждения для регулировки активной мощности генератора

3. Регулирование реактивной мощности и анализ работы синхронного генератора. Если генератор подключен параллельно к сети в идеальных условиях, указанных выше, при исследовании регулирования реактивной мощности генератора также можно считать, что мощность электросети достаточно велика, а напряжение электросети и частота не изменятся.

3.1. Анализ регулирования тока возбуждения без нагрузки. Когда ток якоря равен нулю, переключатель холостого хода замкнут, как показано на рисунке 3 (A), ток возбуждения является нормальным возбуждением; когда переключатель холостого хода замкнут, генератор не будет генерировать активную или реактивную мощность.

Если выходной сигнал первичного двигателя остается неизменным, ток возбуждения увеличивается, он будет в перевозбужденном состоянии, и генератор будет посылать обратный реактивный ток, чтобы вызвать реакцию размагничивания якоря, как показано на рисунке 3 (B).

Ток возбуждения начинает уменьшаться по сравнению с нормальным возбуждением, он будет в недовозбужденном состоянии, и генератор будет посылать опережающий реактивный ток для генерации реакции намагниченного якоря, как показано на рисунке 3 (C) [2; 8; 6; 7; 1].

Рисунок 3. Фазово-векторная диаграмма регулировки тока возбуждения без нагрузки

3.2. Регулировка реактивной мощности при активной нагрузке. Когда генератор нагружен активной нагрузкой и выходная активная мощность остается неизменной, взаимосвязь между током якоря генератора и током возбуждения также может быть проанализирована с помощью векторной диаграммы электродвижущей силы. Учитывая, что напряжение постоянно, а сопротивление не учитывается.

Если тогда:

Когда ток возбуждения регулируется для изменения , ток статора генератора и коэффициент мощности также изменяются соответственно. Из рисунка 3 видно, что векторная диаграмма активного тока I cos постоянная, вектор тока статора в конце траектории представляет собой горизонтальную линию AB, перпендикулярную вектору напряжения . Из формулы (5) и = , изменение вектора в конце и вектор напряжения параллельны прямой линии CD. В соответствии с вышеуказанными условиями на рисунке 4 представлены четыре типичные векторные диаграммы.

В первом случае нагрузка генератора только активной мощностью, без выхода реактивной мощности, минимальный ток статора для нормального возбуждения и cos = 1.

Во втором случае ток возбуждения увеличивается исходя из нормального возбуждения. В это время находится в сверхвозбужденном состоянии. Ток статора () ниже напряжения на клеммах.

В третьем случае ток возбуждения уменьшается на основе нормального возбуждения. В это время находится в недовозбужденном состоянии, а ток статора опережает напряжение на клеммах . В дополнение к активной мощности в сеть двигатель также передает в сеть расширенную емкостную реактивную мощность, что означает, что генератор поглощает индуктивную реактивную мощность из сети.

В четвертом случае необходимо дополнительно уменьшить ток возбуждения, электродвижущая сила еще больше уменьшится, угол мощности и ведущий коэффициент мощности cos будут продолжать увеличиваться, чтобы увеличить значение тока статора. Однако это изменение ограничено. Когда ЭДС холостого хода достигает генератор достигнет предельного состояния стабильной работы из-за предела угла мощности Информация об авторах

cтажер исследователь, Ферганский политехнический институт, Узбекистан, г. Фергана

Источник