XII International PhD Workshop OWD 2010, 23–26 October 2010

XII International PhD Workshop
OWD 2010, 23–26 October 2010
Adaptacyjny regulator transformatora blokowego
Adaptive Controller of Generator Transformer
Artur Zbroński, Politechnika Gdańska
Abstract
This paper introduces new concept in polish
power grid which is regulation of generator
transformer. Very few of those devices have on load
tap changers that are needed for transformer to be
an object of control. Although, new regulations in
law require that in new, or renovated power plants
those tap changers must be installed.
Chapter one explains regulation of transformers,
and gives reasons why transformer controllers have
such big time delay of work.
In second chapter, accessible power of generator
is shown, and its relation to generator voltage,
showing that increasing voltage allows widening
borders of safe operation of generator, therefore,
allowing to operate with more reactive power.
Third chapter introduces concept of adaptive
generator transformer controller, which decreases
time of operation and increases generator voltage
setpoint in emergency situations, like reactive power
deficit in power grid. Simulations are conducted to
visualize operation of such controller.
Theoretical considerations and simulations
show, that using introduced algorithms may improve
voltage stability of power system, especially parts of
it, where there is danger of reactive power deficit.
Streszczenie
Referat dotyczy nowego zagadnienia w polskim
systemie elektroenergetycznym, jakim jest regulacja
transformatora blokowego.
W
rozdziale
pierwszym
przedstawiono
możliwości regulacyjne transformatora blokowego,
oraz jego ograniczenia.
Rozdział drugi dotyczy możliwości rozszerzenia
zakresu dyspozycyjnej mocy biernej przy zmianie
napięcia generatora.
Rozdział trzeci opisuje koncepcję adaptacyjnego
regulatora
transformatora
blokowego,
oraz
przedstawia
wyniki
badań
symulacyjnych
wykonanych na modelu zawierającym przedstawione
koncepcje.
Przedstawione badania wykazują iż zastosowanie
adaptacyjnej regulacji transformatora blokowego
polepsza właściwości bloku pod względem
stabilności napięciowej.
1. Transformator
blokowy
obiekt regulacji.
jako
Niemal wszystkie transformatory blokowe
zainstalowane
w
krajowym
systemie
elektroenergetycznym działają z kryterium stałej
przekładni. Znamionowa wartość przekładni
dobierana jest na podstawie warunków sieciowych w
miejscu zainstalowania, i pozwala na utrzymanie
wartości znamionowej napięcia na zaciskach
generatora w znamionowym punkcie pracy. Jednak w
warunkach
zmienności
stanu
systemu
elektroenergetycznego napięcie na zaciskach
generatora różni się od znamionowego, co w
przypadku wystąpienia napięcia niższego ogranicza
dyspozycyjną moc bierną bloku. Aby zapobiec takim
przypadkom należy stosować transformatory
blokowe z możliwością zmiany przekładni pod
obciążeniem. Wymaganie takie postawione zostało w
Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej
(IRiESP)[1]
:
235
II.B.3.3.1.1. Jednostki wytwórcze nowe lub po
najbliższej modernizacji urządzeń, o mocy osiągalnej
równej 50 MW lub wyższej powinny być
wyposażone w:
(…)
d) transformatory blokowe z możliwością zmiany
przekładni pod obciążeniem
(…)
Propozycję koordynacji algorytmów działania
transformatora blokowego z algorytmami regulacji
generatora synchronicznego przedstawiono w [2],
oraz poparto zaproponowany sposób badaniami
symulacyjnymi.
Ograniczenia regulatora
transformatora blokowego.
Aby umożliwić regulację zaczepu transformatora
pod obciążeniem należy zastosować przełącznik
zaczepów. Jest to najczęściej mechaniczny element
zmieniający zaczep po otrzymaniu sygnału z
regulatora. Przełącznik taki ma określoną żywotność
mechaniczną, określającą ilość możliwych przełączeń
do wystąpienia potrzeby wymiany przełącznika.
Maksymalna liczba przełączeń zależy od prądu
obciążenia strony transformatora, po której znajduje
się przełącznik i liczy się w setkach tysięcy. Jest to
jednak pozornie duża wartość, gdyż aby przeglądy
przełącznika nie były częstsze niż przeglądy
transformatora należy przyjąć ograniczenie liczby
przełączeń do 50-60 na dobę, co wziąwszy pod
uwagę szybkość zmian obciążenia w SEE nie jest
dużą wartością. Z tego powodu w regulatorach
transformatorów nastawia się duże opóźnienia
zadziałania.
Przykładową
charakterystykę
przedstawiającą
zależność
wytrzymałości
mechanicznej od prądu obciążenia dla przełącznika
typu UZ firmy ABB przedstawiono na rysunku 1.
Rys.1. Charakterystyka żywotności mechanicznej przełącznika
zaczepów ABB typu UZ w zależności od prądu obciążenia.[3]
Fig.1. Predicted contact life, depending on rated current of ABB
on-load tap changer type UZ [3]
1.1
Duże opóźnienia zadziałania regulatora
transformatora nie przeszkadza podczas normalnej
pracy bloku generator – transformator blokowy.
Jednak aby wykorzystać w pełni korzyści płynące z
możliwości regulacji transformatora blokowego
podczas stanów awaryjnych należy się zastanowić
nad usprawnieniem działania regulatora tego
transformatora.
2. Generator synchroniczny
obiekt regulacji.
jako
Zakres zmienności wielkości regulowanych
generatora zależy od parametrów turbozespołu.
Wartości graniczne określane są przez szereg
ograniczeń eksploatacyjnych oraz konstrukcyjnych.
Zakres zmienności napięcia określany jest przez
rodzaj pracy generatora oraz sytuację napięciową
węzła w którym zainstalowany został generator i
może wynosić
lub
w
stosunku do napięcia znamionowego generatora.
Moc bierna może się zmieniać w granicach
określonych przez warunki wynikające z ograniczeń
konstrukcyjnych oraz zachowania stabilności
współpracy
generatora
z
systemem
elektroenergetycznym.. Ograniczenie kąta mocy,
maksymalnego prądu stojana oraz dopuszczalnego
prądu wirnika, zależą od napięcia na zaciskach
generatora. Na rysunku 2 przedstawiono zmiany
obszaru dopuszczalnych stanów pracy pod wpływem
napięcia na zaciskach generatora, wykreślając
charakterystyki odpowiednio dla 90%, 100% oraz
110% Ugn. Jak widać na rysunku, podczas obniżania
napięcia na zaciskach generatora następuje zawężanie
dopuszczalnej generowanej mocy biernej, a przy
zwiększaniu
tego
napięcia,
rozszerzanie
dyspozycyjnej
mocy
biernej
bloku.
236
Rys.2. Zakresy dyspozycyjnej mocy bloku generator-transformator przy różnych wartościach napięcia generatora.
Fig.2. Ranges of accessible power of generator at different values of generator voltage.
Jak widać, podczas sytuacji awaryjnej w
której występuje deficyt mocy biernej, słuszne jest
utrzymywanie wyższego napięcia generatora w celu
zwiększenia zakresu dyspozycyjnej mocy generatora.
3. Adaptacyjna regulacja
transformatora blokowego
W czasie, gdy punkt pracy generatora znajduje
się dopuszczalnym obszarze stanów pracy, podczas
normalnej pracy systemu elektroenergetycznego,
opóźnienie czasowe regulatora transformatora
powinno być odpowiednio duże, aby zapobiec
zbędnym przełączeniom zaczepów transformatora.
Podczas występowania deficytu mocy biernej w
systemie, regulator
transformatora polepsza
właściwości bloku wytwórczego, co wykazano w
punkcie 2. Stąd, w tych sytuacjach opóźnienie
czasowe powinno być jak najmniejsze, pozwalając na
szybkie rozszerzanie zakresu dopuszczalnej mocy
biernej.
Proponowanym rozwiązaniem tego zagadnienia
jest
wprowadzenie
adaptacyjnej
regulacji
transformatora blokowego, uzależniającej czas
opóźnienia regulatora transformatora od aktualnego
punktu pracy generatora. Przy zbliżaniu się do
ograniczeń, co sygnalizuje deficyt mocy biernej w
systemie, zmniejszany jest czas opóźnienia działania
regulatora transformatora, aby nie pozwolić rozwinąć
się sytuacji awaryjnej w SEE. Oprócz tego, aby
rozszerzyć dyspozycyjną moc bloku wytwórczego,
wraz ze zbliżaniem się punktu pracy do ograniczeń,
zwiększana jest wartość napięcia zadanego na
zaciskach generatora. Przeprowadzono symulacje z
zastosowaniem wyżej opisanego algorytmu, wyniki
przedstawiono na rys. 3.
W symulacji zwiększano zapotrzebowanie na
moc bierną systemu elektroenergetycznego. Kolorem
jasnym oznaczono przebieg mocy biernej generatora
bez adaptacyjnej regulacji transformatora blokowego,
kolorem ciemniejszym z włączonym tym układem.
Jak widać, przełączenie zaczepu nastąpiło wcześniej
przy wykorzystaniu proponowanego rozwiązania,
oraz ustalona wartość mocy biernej jest wyższa o ok.
5%. Są to czynniki poprawiające stabilność
napięciową bloku. Przy wzroście napięcia generatora
zwiększa się dopuszczalny zakres generowanej mocy
biernej. Jednak istnieje wartość graniczna, powyżej
której zakres ten zawęża się ze względu na zjawisko
nasycania się obwodów magnetycznych maszyny
synchronicznej. Należy to zjawisko uwzględnić w
regulatorze, ustalając maksymalną wartość napięcia
zadanego.
237
Rys.3. Przebiegi mocy biernej generatora
synchronicznego przy zwiększeniu zapotrzebowania na
moc bierną w SEE.
Fig.3. Reactive power of generator, while increasing
demand for reactive power In power grid.
4. Podsumowanie
W stanie deficytu mocy biernej w systemie
elektroenergetycznym należy wykorzystać wszelkie
dostępne źródła mocy biernej, w całym zakresie ich
możliwości generacyjnych, oraz w jak najkrótszym
czasie.
Zaproponowane
rozwiązanie
regulacji
transformatora blokowego pozwala na rozszerzenie
zakresu dopuszczalnej mocy biernej generatora,
jednego z głównych źródeł tej mocy w systemie
elektroenergetycznym. .
Literatura
1. PSE Operator S.A. : „Instrukcja Ruchu i Eksploatacji
Sieci Przesyłowej”
Warunki korzystania,
prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania
rozwoju sieci v. 1.2. Warszawa,
2. Robert Małkowski, Artur Zbroński: Koordynacja
algorytmów działania regulatora transformatora
blokowego z wieloparametrowym regulatorem generatora
Elektroenergetyka 2010 – Black-out
3. „On-load tap changers, type UZ” – technical guide.
Dokumentacja
techniczno
–
ruchowa
przełącznika zaczepów firmy ABB, typu UZ.
Autor:
Mgr inż. Artur Zbroński
Politechnika Gdańska
Ul. Narutowicza 11/12
80-233 Gdańsk
Tel. +48 58 348 12 98
[email protected]
238