Pobudni Sistem Generatora_cvijicdusko.docx

UNIVERZITET U BANJOJ LUCI ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET

Duško Cvijić

POBUDNI SISTEMI SINHRONIH GENERATORA - diplomski rad -

Banja Luka, oktobar 2011.

Tema:

POBUDNI SISTEMI SINHRONIH GENERATORA Ključne riječi: Sinhroni generatori u regulaciji EES-a Pobudni sistemi: uloga i osnovne šeme Regulacija pobude sinhronog generatora Odzivi statičkog pobudnog sistema

Komisija:

Doc. dr Branko Blanuša, predsjednik Prof. dr Radovan Radosavljević, mentor Mr Petar Matić, član

Uz rad je priložen kompakt disk (CD) sa tekstom rada, prilozima i simulacijskim modelima.

Kandidat:

Duško Cvijić

UNIVERZITET U BANJOJ LUCI ELEKTROTEHNIČKI FAKULTET KATEDRA ZA ELEKTROENERGETIKU Odsjek: Elektroenergetski i industrijski sistemi

Predmet:

ELEKTRIČNI GENERATORI I TRANSFORMATORI

Tema:

POBUDNI SISTEMI SINHRONIH GENERATORA

Zadatak rada:       

Princip rada i pregled osnovnih konstrukcijskih dijelova sinhronih generatora Definicija pobudnog sistema i zahtjevi koje treba da ispuni Vrste pobudnih sistema sinhronih generatora. Klasifikacija prema vrsti komponenti, načinu povezivanja itd. Opis standardnih pobudnih sistema, elektromašinske šeme Opis funkcija i upravljački režimi Osnovne tehničke karakteristike opreme pobudnog sistema Uticaj pobudnog sistema na stabilnost EES-a Prikaz karakteristika realnog statičkog pobudnog sistema

Mentor:

Prof. dr Radovan Radosavljević

Kandidat:

Duško Cvijić, (129/04)

Banja Luka, oktobar, 2011.godine

SADRŽAJ 1. UVOD ......................................................................................................................5 2. SINHRONI GENERATORI U REGULACIJI ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA ........................................................................................................................6 2.1. Uloga sinhronih generatora u EES-u ................................................................6 2.2. Konstrukcija sinhronih generatora ....................................................................6 2.3. Princip rada sinhronog generatora .....................................................................7 2.4. Efekat zasićenja ................................................................................................8 2.5. Karakteristike regulacije ....................................................................................9 2.6. Pogonski dijagram sinhronog generatora ..........................................................9 3. POBUDNI SISTEMI SINHRONIH GENERATORA ......................................11 3.1. Tipovi pobudnih sistema ..................................................................................11 3.2. Osnovne šeme pobudnih sistema .....................................................................11 3.2.1 Jednosmjerni (DC) pobudni sistemi .........................................................12 3.3. Naizmjenični (AC) pobudni sistemi ................................................................13 3.3.1 Elektromašinski pobudni sistem sa diodnim mostovima .........................14 3.3.2 Elektromašinski pobudni sistem sa tiristorskim mostovima ....................15 3.3.3 Elektromašinski bezkontaktni pobudni sistem .........................................16 3.4. Statički pobudni sistemi ...................................................................................16 3.4.1 Statički pobudni sistem sa tiristorskim mostom .......................................17 3.4.2 Statički pobudni sistem sa faznom kompaundacijom .............................18 3.4.3 Energetsko kolo statičkog pobudnog sistema sa DC-DC pretvaračem ....19 3.5. Uspostavljanje i gašenje pobudnog polja sinhronog generatora .....................21 3.6. Karakteristični pokazatelji performansi pobudnog sistema .............................23 3.6.1 Pokazatelji performansi pobudnih sistema pri velikim poremećajima .....23 3.6.2 Pokazatelji performansi pri malim poremećajima ....................................24 3.7. Pojava prenapona i prekomjernih struja u pobudnom kolu .............................25 3.7.1 Prenaponi ..................................................................................................25 3.7.2 Prekomjerne struje ....................................................................................25 4. KOMPONENTE SISTEMA ZA REGULACIJU POBUDE ............................26 4.1. Regulatori pobude i opšti funkcionalni blokovi ..............................................26 4.2. Automatski regulator pobude..........................................................................27 4.3. Multivarijabilni regulatori pobude ...................................................................28 4.3.1 Stabilizatori elektroenergetskog sistema ..................................................29 4.4. Ručni regulator pobude ....................................................................................31 4.5. Ulazni elementi i elementi za modifikaciju signala regulatora pobude ...........31 4.6. Stabilizacija sistema za regulaciju pobude ......................................................33 4.7. Ograničavači pobude .......................................................................................33 4.8. IEEE standardizacija matematičkih modela pobudnih sistema .......................34 4.8.1 Pobudni sistemi tipa DC prema IEEE standardizaciji ..............................34 4.8.2 Pobudni sistemi tipa AC prema IEEE standardizaciji .............................36 4.8.3 Pobudni sistemi tipa ST prema IEEE standardizaciji ..............................39 4.8.4 Modeli stabilizatora EES-a prema IEEE standardizaciji ..........................40 4.9. Uticaj pobudnog sistema na stabilnost EES-a .................................................41 4.9.1 Efekat djelovanja ARN-a na prigušne namotaje ......................................41 4.9.2 Kompenzacija negativne prigušne komponente .......................................43 4.9.3 Uticaj ARN-a na statičku stabilnost sinhronih generatora .......................43

4.9.4 Uticaj ARN-a na tranzijentnu stabilnost sinhronih generatora .................44 4.9.5 Uticaj ARN-a na održavanje naponske stabilnosti ...................................45 4.10. Zahtjevi za upravljačku strukturu i upravljački režimi ................................47 5. STRUKTURA STATIČKOG POBUDNOG SISTEMA I TEHNIČKE KARAKTERISTIKE OPREME ................................................................................49 5.1. Prednosti i struktura statičke pobude ...............................................................49 5.2. Mikroprocesorski sistem upravljanja pobudnim sistemom .............................50 5.3. Osnovne funkcije mikroprocesorskog upravljačkog sistema ..........................51 5.3.1 Regulacija .................................................................................................52 5.3.2 Logičko i sekvencijalno upravljanje .........................................................53 5.3.3 Komunikacija ...........................................................................................53 5.3.4 Zaštita i nadzor .........................................................................................53 5.3.5 Dojava i dijagnostika ................................................................................54 5.4. Napajanje elektronike digitalnog upravljačkog sistema ..................................54 5.5. Tiristorski ispravljač ........................................................................................54 5.5.1 Strujno i naponsko dimenzionisanje tiristorskih ispravljača ....................55 5.5.2 Hlađenje tiristorskih ispravljača ...............................................................56 5.6. Pobudni transformator .....................................................................................56 5.7. Početno pobuđivanje ........................................................................................56 5.8. Razbuđivanje ...................................................................................................57 5.9. Dodatne zaštite .................................................................................................57 5.9.1 Izvođenje prenaponske zaštite pobudnog kola ........................................57 5.9.2 Zaštita od nesimetrije struja u tiristorskom mostu ...................................58 5.9.3 Osigurači u tiristorskom mostu ................................................................58 5.9.4 Prekostrujna zaštita tiristorskog mosta .....................................................58 5.9.5 Termička zaštita od pregrijavanja tiristorskog mosta ...............................58 5.9.6 Zemljospojna zaštita pobudnog namotaja ................................................58 5.9.7 Djelovanje zaštita .....................................................................................59 5.10. Mjerenje napona i struje pobude ..................................................................59 5.11. Dispozicija opreme.......................................................................................59 5.12. Standardi i propisi ........................................................................................59 5.13. Statički pobudni sistem HE “Bočac” ..........................................................59 5.13.1 Osnovne funkcije pobudnog sistema HE “Bočac” ...................................60 5.13.2 Tehničke karakteristike pobudnog sistema HE “Bočac” ..........................60 5.13.3 Struktura energetskog kola statičkog pobudnog sistema HE “Bočac” ...61 5.13.4 Karakteristike energetske opreme statičkog pobudnog sistema HE “Bočac“ ..................................................................................................................63 5.13.5 Struktura digitalnog regulatora pobude HE “Bočac“ ...............................64 5.13.6 Regulacione i upravljačke strukture regulatora pobude HE “Bočac” ......65 5.13.7 Električno kočenje ....................................................................................66 6. MODEL, SIMULACIJSKI I EKSPERIMENTALNI ODZIVI STATIČKOG POBUDNOG SISTEMA ..............................................................................................67 6.1. MATLAB/Simulink - modul Power System Blockset (PSB) ..........................67 6.2. Model statičkog pobudnog sistema u regulaciji pobude sinhronog generatora priključenog na mrežu EES-a .....................................................................................68 6.2.1 Matematički model statičkog pobudnog sistema tip ST1A ......................68 6.2.2 Model stabilizatora EES-a ........................................................................70 6.2.3 Model sinhronog generatora priključenog na EES ...................................70 6.1. Simulacija rada neregulisanog (Pmeh=const. i Vf =const. ) sinhronog generatora na mreži EES-a ...........................................................................................................75

6.2. Simulacija rada statičkog pobudnog sistema u regulaciji napona sinhronog generatora ...................................................................................................................78 6.3. Dinamički odzivi pobudnog sistema HE "Bočac" ...........................................82 7. ZAKLJUČAK .......................................................................................................83 8. LITERATURA .....................................................................................................84 Prilog 1A ................................................................................................................85 Prilog 2A ................................................................................................................87 Prilog 2A-1 .............................................................................................................88 Prilog 1B .................................................................................................................89 Prilog 1C .................................................................................................................90

Duško Cvijić

Diplomski rad

1. UVOD U posljednjih nekoliko godina, povećani su zahtjevi za proizvodnjom električne energije. U tu svrhu i elektroenergetski sistem (EES) mora da prati te promjene i da omogući nesmetano širenje električne snage sistema, da bi se sa praćenjem tih promjena omogućilo nesmetano funkcionisanje EES-a. Takođe, treba istaći da se u EES-u dešavaju stalne promjene različite po intenzitetu i trajanju pa se i ovom problemu treba posvetiti pažnja da bi bilo omogućeno što kvalitetnije funkcionisanje i veća raspoloživost EES-a. Najznačajniju ulogu u EES-u zauzimaju sinhroni generatori. Da bi se omogućio njihov stabilan i pouzdan rad oni moraju da imaju odgovarajući sistem upravljanja. Imajući u vidu da sinhroni generatori predaju EES-u aktivnu i reaktivnu snagu, kompletan sistem upravljanja sinhronim generatorima se razdvaja na upravljanje aktivnom i upravljanje reaktivnom snagom. Ova klasifikacija je moguća ako se uzmu u obzir vremenske konstante koje karakterišu pojave vezane za upravljanje aktivnom snagom ili spore elektromehaničke prelazne procese, odnosno reaktivnom snagom ili brze elektromagnetske prelazne procese. Iako se ova dva sistema upravljanja posmatraju odvojeno, ipak treba naglasiti da promjena jedne referentne veličine u jednom od sistema odražava se na drugi sistem i obrnuto, ali zbog uticaja različitih vremenskih konstanti koje karakterišu ove prelazne procese ovo ne unosi značajne promjene u onaj sistem koji se analizira. Pobudnim sistemima sinhronih generatora omogućava se upravljanje naponom, tokovima reaktivne snage, poboljšanje stabilnosti rada sinhronih generatora u EES-u kao i veliki broj zaštitnih funkcija sinhronih generatora, a i samog pobudnog sistema. Zaštitne funkcije podrazumijevaju da se ne pređu moguća dozvoljena ograničenja sinhronog generatora i pobudnog sistema. U ovom diplomskom radu opisani su pobudni sistemi, njihove osnovne karakteristike kao i njihov uticaj na rad sinhronih generatora u EES-u. Cilj rada je da se predstave moderni pobudni sistemi i širok spektar njihovih upravljačkih funkcija. U drugoj glavi rada opisana je uloga sinhronog generatora u regulaciji EES-a, ograničenja u pogledu regulacije kao i pregled najznačajnih konstrukcijskih dijelova sinhronih generatora. U trećoj glavi su opisani standardni tipovi pobudnih sistema, polazeći od najstarijih varijanti do novih pobudnih sistema zasnovanih na mikroprecesoru koji ima ključnu ulogu u upravljanju pobudom. Takođe su opisani i karakteristični pokazatelji pobudnih sistema, jer od kvaliteta tih pokazatelja zavisi i kvalitet upravljanja EES-om. U okviru četvrte glave dat je opis osnovnih komponenata sistema za regulaciju pobude, neki od tipova matematičkih modela standardnih pobudnih sistema prema IEEE standardizaciji, zahtjevi za upravljačku i regulacionu konturu, kao i uticaj pobudnog sistema na stabilan rad sinhronih generatora pri velikim i malim poremećajima u sistemu. Peta glava obuhvata kompletan opis standardnog statičkog pobudnog sistema sa svim komponentama. Na kraju ove glave opisan je primjer statičkog pobudnog sistema HE "Bočac" sa tehničkim karakteristikama i upotrebljenom opremom. Na kraju, u okviru šeste glave, urađen je model statičkog pobudnog sistema koji ima osnovnu ulogu da prikaže način regulacije pobude sinhronog generatora u EES-u sa parametrima HE "Bočac". Izvršena je simulacija za više različitih radnih režima generatora i analizirani su dobijeni rezultati. Takođe su opisani i eksperimentalni odzivi pobudnog sistema HE "Bočac" snimljeni u test radnom režimu pobudnog sistema i generatora. U prilogu rada navedeni su parametri i pogonski dijagram generatora HE "Bočac", kao i proračun svih drugih veličina koje su korišćene u simulaciji sa ovim parametrima. 5

Diplomski rad

Duško Cvijić

2. SINHRONI GENERATORI U REGULACIJI ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Sinhroni generatori predstavljaju najvažnije komponente u elektroenergetskom sistemu i skoro su jedini izvori električne energije, čak i preko 99% u većini elektroenergetskih sistema. Instalisana snaga svih ostalih vrsta izvora energije je zanemarljiva u odnosu na ukupnu snagu svih instalisanih sinhronih generatora. Nominalna snaga sinhronih generatora kreće se od nekoliko stotina kW do nekoliko hiljada MW, a najčešće se sreću generatori nominalne snage od nekoliko stotina MW. S obzirom da su elektroenergetski sistemi trofazni u njima se koriste isključivo trofazni sinhroni generatori. Činjenica da je stepen iskorištenja većih jedinica bolji (veća je ekonomičnost), ima za posljedicu izgradnju elektrana i agregata većih snaga.

2.1. Uloga sinhronih generatora u EES-u Sinhroni generatori su tipični predstavnici obrtnih električnih mašina koje mehaničku energiju pretvaraju u električnu. Oni u elektroenergetskom sistemu treba da obezbijede [1]:  stabilne izvore električne energije zadovoljavajućeg kvaliteta;  izvor napona određene vrijednosti na generatorskim sabirnicama;  regulaciju napona i reaktivnih snaga (preko pobudnog sistema);  prigušenje različitih tipova oscilacija (preko pobudnog sistema);  regulaciju učestanosti i praćenje opterećenja.

2.2. Konstrukcija sinhronih generatora Različite konstrukcije sinhronih generatora potiču od potrebe da se generatori prilagode pogonskim mašinama, odnosno da se izbjegne korišćenje mehaničkih reduktora. Sinhroni generatori velikih snaga se mogu klasifikovati na generatore sa velikim brzinama obrtanja koji za pogon koriste parne ili gasne turbine, pa se zbog toga nazivaju turbogeneratori i generatore male brzine obrtanja koji koriste vodene (hidro) turbine i nazivaju se hidrogeneratori. Da bi se smanjile centrifugalne sile zbog velike brzine obrtanja turbogeneratori imaju relativno malen prečnik, veliku dužinu vratila i postavljaju se horizontalno. Obično imaju dva ili četiri para električnih polova, tako da za 50 Hz sistem brzina obrtanja ovih generatora iznosi 3000 o/min ili 1500 o/min, respektivno. Za razliku od turbogeneratora, hidrogeneratori zbog relativno manje brzine obrtanja tipično 500 o/min i manje, imaju veliki broj električnih polova, veliki prečnik, relativno malu dužinu vratila i postavljaju se vertikalno. Osnovni sastavni dijelovi svakog sinhronog generatora su: stator, rotor, sistem za hlađenje i pobudni sistem [2].  Stator sinhronog generatora. Stator turbogeneratora i hidrogeneratora u principu su isti, razlikuju se samo dimenzijski i drugih bitnih razlika nema. Glavni dijelovi statora su njegovo magnetsko i strujno kolo (statorski namotaj). Statorsko magnetsko kolo je šuplji cilindar od paketa tankih međusobno izolovanih dinamo limova, ravnomjerno ožljebljenih na svojoj unutrašnjoj periferiji da bi se mogao smjestiti statorski namotaj. Statorski namotaj se izvodi kao trofazni, sastoji od izolovanih bakarnih provodnika i obično je spregnut u zvijezdu. U njemu se indukuje napon i kroz njega teku struje 6

Diplomski rad

Duško Cvijić

opterećenja. Mora biti dimenzionisan tako da može trajno podnositi nominalne vrijednosti napona i struja. Preko njega se prenosi ukupna snaga generatora i posvećuje mu se posebna pažnja [3].  Rotor sinhronog generatora. Rotor predstavlja njegov pobudni dio. Sastoji se od vratila, jarma rotora, polova sa pobudnim namotajem i prigušnim namotajem. Konstrukciono rotori hidrogeneratora i turbogeneratora se znatno razlikuju. Svi dijelovi na rotoru mogu biti od masivnog gvožđa, jer magnetski fluks koji se na rotoru formira potiče od jednosmjerne pobudne struje [3]. Na slici 2.1 prikazana su dva različita tipa rotora: cilindrični rotor koji se koristi kod turbogeneratora (a) i rotor sa istaknutim polovima koji se koristi kod hidrogeneratora (b) [4].

Slika 2.1. Poprečni presjeci cilindričnog rotora (a) i rotora sa istaknutim polovima (b) [4] Pobudni namotaj je smješten na rotoru i napajan je jednosmjernom pobudnom strujom preko kliznih prstenova i četkica, tako da je jedan kraj pobudnog namotaja rotora povezan sa svakim od dva klizna prstena. Klizni prstenovi su u vidu metalnih obruča koji se nalaze na vratilu i u potpunosti ga okružuju, ali su izolovani od njega. Pobudni namotaj je spojen na takav način da se naizmjenično nalaze sjeverni i južni polovi. Konstrukcione izvedbe pobudnog namotaja se razlikuju. Kod cilindričnih rotora pobudni namotaj je sastavljen iz sekcija smještenih u žljebovima, a kod rotora sa istaknutim polovima namotaj je koncentrisan oko jezgra pola, sa velikim brojem zavoja tanjih provodnika. Na rotoru hidrogeneratora postoji i dodatni prigušni namotaj, koji ima osnovnu ulogu da prigušuje oscilovanje brzine obrtanja rotora oko sinhrone brzine u prelaznim procesima i prigušenje inverznog obrtnog polja. Kod turbogeneratora prigušni namotaj se ne izvodi u eksplicitnoj formi, osim u slučajevima kada se očekuju velika nesimetrična opterećenja, jer sama čelična masa rotora kada se nađe u promjenljivom magnetskom polju ima tu ulogu [2], [3].  Sistem za hlađenje sinhronog generatora. U generatoru se generišu veliki gubici u provodnicima rotora, statora, i u gvožđu statora, koji dovode do povećanja temperature njegovih pojedinih dijelova. Da bi se omogućilo efikasno odvođenje toplote iz generatora, koristi se sistem za hlađenje, čije karakteristike zavise od vrste sinhronog generatora (turbo ili hidro) i od nominalne snage generatora [2].

2.3. Princip rada sinhronog generatora Osnovna funkcija pobudnog sistema se može vidjeti ako se analizira princip rada sinhronog generatora. Pobudni fluks koji učestvuje u izgradnji rezultantnog fluksa u generatoru je posljedica pobudne struje, koju obezbjeđuje pobudni sistem. Osim pobudnog fluksa u generatoru se još posmatraju statorski i rezultantni fluks. 7

Diplomski rad

Duško Cvijić

Kroz provodnike pobudnog namotaja na rotoru prolazi jednosmjerna struja pobude IF, usljed koje nastaje stalan magnetski pobudni (rotorski) fluks ψpob, koji je skoncentrisan po d-osi rotora, slika 2.2. Usljed obrtanja rotora obrće se i formirani pobudni fluks i svojim silnicama presjeca namotaj statora u kojem se prema zakonu elektromagnetne indukcije indukuje odgovarajuća naizmjenična elektromotorna sila. Ako uvažimo činjenicu da je brzina obrtanja sinhronih generatora konstantna uz određen broj polova, indukovana elektromotorna sila zavisi samo od jačine pobudnog fluksa, odnosno od jačine pobudne struje. Dakle, elektromotorna sila je za linearna magnetna kola (uz zanemareno zasićenje) direktno proporcionalna struji pobude, iz čega slijedi da se za konstantnu struju pobude ima konstantna elektromotorna sila. Ova elektromotorna sila se opravdano može smatrati konstantnom pošto pri malim poremećajima nema značajnih (ni sporih ni brzih) promjena struje pobude.

Slika 2.2 Raspored osa polja sinhronog generatora u prostoru [5] Za indukovanu elektromotornu silu u kompleksnom obliku može se pisati: E   j

pob

,

tako da slijedi da je elektromotorna sila pozicionirana po q-osi. Fluks reakcije indukta (statorski fluks) ψstat se fizički proizvodi usljed dejstva naizmjeničnih struja u trofaznom namotaju statora. Na slici 2.2 u fazorskoj predstavi ovaj fluks je u fazi sa strujom faze a na statoru, koja je označena sa I. Posljedica statorskog fluksa je napon na krajevima generatora UG. Rezultantni magnetski fluks se nalazi u međugvožđu i po svojoj prirodi je magnetski fluks nastao kao vektorski zbir pobudnog fluksa i statorskog fluksa. Ugaoni pomjeraj δ je pomjeraj između unutrašnje elektromotorne sile E i napona na krajevima generatora UG. Takođe, ovaj ugao je približno jednak ugaonom pomjeraju između obrtnih magnetskih polja unutar generatora, a ako se zanemari aktivna otpornost statora i reaktansa rasipanja statora tada su ovi uglovi baš međusobno jednaki. Djelovanje magnetskih flukseva pobudnog i statorskog namotaja možemo zamisliti kao dva sistema koji se obrću jednakom brzinom, ali zauzimaju različite položaje jedan prema drugome. U zavisnosti od tih međusobnih položaja razvijaju se odgovarajuće sile i obrtni momenti [5].

2.4. Efekat zasićenja Kao što se vidjelo iz prethodnih izlaganja, efektivna vrijednost indukovane elektromotorne sile direktno zavisi od jačine struje pobude, sve dok ne dođe do efekta zasićenja, te se za slučaj nezasićenog generatora može pisati E  k F I F . Efekat zasićenja je nelinearan i zavisi od opterećenja generatora, tako da je tačan model kojim se uvažava ovaj efekat praktično nemoguće postaviti, ali se odgovarajućim matematičkim funkcijama može 8

Diplomski rad

Duško Cvijić

u dobroj mjeri opisati. Takođe, fluksevi magnećenja po d i q osi su nelinearni i zasićenje na njih utiče preko međusobnih induktivnosti LAD i LAQ. Procedura za uvažavanje zasićenja magnetskog kola se opisuje preko faktora zasićenja k S  f ( AD ), koji se određuje preko krive magnećenja mašine. Uz pravilno određen faktor zasićenja, u simulacijama i proračunima zasićenje se može uvažiti preko smanjenja induktivnosti magnećenja po d i q zas osi, odnosno može se pisati: Lzas AD  k Sd LAD i LAQ  k Sq LAD [1].

2.5. Karakteristike regulacije Postoje dvije osnovne grupe ovih dijagrama. U prvu grupu spadaju tzv. V – krive koje daju zavisnost struje statora od struje pobude, pri konstantnom naponu i konstantnoj aktivnoj snazi mašine ( I S  f ( I F ), za U , P  const.), a u drugu grupu spadaju te iste krive pri konstantnom naponu i faktoru snage ( I S  f ( I F ), za U  U n , cos   const.), koje se nazivaju karakteristike regulacije. Obje ove grupe krivih crtaju se na osnovu jednačina stacionarnog stanja sinhronog generatora. Ove krive prikazene su na slici 2.3, gdje se slika 2.3a odnosi na V – krive, a slika 2.3b na krive regulacije [1].

Slika 2.3 Dijagram promjene struje statora u zavisnosti od struje pobude pri nominalnom naponu na krajevima generatora [4] Karakteristike regulacije su značajne za automatsku regulaciju održavanja napona sinhronog generatora. Potpuno induktivno opterećenje, cosφ=0ind jako smanjuje napon generatora, jer reakcija indukta djeluje u osi polova suprotno od fluksa pobude. Dakle, da bi se održao zadani nominalni napon mora se znatno povećati struja pobude. Povećanje struje pobude određuje automatski regulator napona, koji kao ulazne informacije koristi struju statora i faktor snage, a nalazi se u sklopu pobudnog sistema [1].

2.6. Pogonski dijagram sinhronog generatora Radni režimi sinhronog generatora, odnosno agregata (generatora i turbine) definisani su unutar dozvoljenih granica pogonskog dijagrama u P-Q ravni, pri konstantnom naponu na priključnim krajevima generatora, a da pri tome ne dođe do njegovog ispada iz pogona. Pogonski dijagram se zasniva na vektorsko-fazorskom dijagramu generatora, što znači da se pogonski dijagrami razlikuju za hidrogeneratore i turbogeneratore. Crta se u relativnim jedinicama za nominalni napon generatora. Granice pogonskog dijagrama se određuju s obzirom na dopuštene maksimalne vrijednosti fizičkih 9

Diplomski rad

Duško Cvijić

veličina generatora. Te veličine su: napon statora, struja statora, struja pobude, napon pobude, minimalna vrijednost struje pobude, praktična granica stabilnosti, minimalna i maksimalna snaga turbine. Primjer pogonskog dijagrama sinhronog hidrogeneratora sa određenim radnim režimima je prikazan na slici 2.4.

Slika 2.4 Tipični pogonski dijagram sinhronog hidrogeneratora Sa aspekta zagrijavanja statora dozvoljeni su svi radni režimi sinhronog generatora koji su definisani unutrašnjom površinom kruga poluprečnika Sn sa centrom u koordinatnom početku P-Q ravni. Radna tačka se mora nalaziti unutar ili na granici kruga jer bi inače vrlo brzo stradala izolacija statorskog namotaja zbog visoke temperature. Trajno dozvoljena struja statorskog namotaja jednaka je nominalnoj struji statora In. Minimalna struja pobude definiše se tako da ne dođe do ispadanja sinhronog generatora iz sinhronizma, tj. za osiguravanje stabilnosti koja bi se mogla narušiti smanjenjem struje pobude ispod te vrijednosti. Pobudni namotaj je projektovan tako da trajno podnosi nominalnu pobudnu struju, te mu je to istovremeno i maksimalna trajna struja. Nominalna pobudna struja obezbjeđuje nominalni napon generatora pri nominalnom opterećenju statorskog namotaja nominalnom aktivnom (Pn) i nominalnom reaktivnom (Qn) snagom. Ograničenje po maksimalnoj vrijednosti struje pobude (granica zagrijavanja rotorskog namotaja) osigurava da ne dođe do pregrijavanja pobudnog namotaja. Pojam statičke stabilnosti vezan je za sinhroni generator koji napaja aktivnu mrežu, odnosno za generatore koji rade paralelno sa drugim sinhronim generatorima. Praktična granica statičke stabilnosti osigurava da ugao opterećenja bude 10% ispod maksimalne vrijednosti kod koje bi došlo do ispada sinhronog generatora sa mreže. U zavisnosti od vrste upotrebljene turbine koja je konstrukcijski ograničena uvodi se granica maksimalne snage turbine i granica minimalne snage turbine. Nominalna snaga turbine, koja je ujedno i maksimalna trajna snaga turbine usaglašena je sa nominalnom aktivnom snagom generatora. Zbog toga sinhroni generator ne može na račun smanjivanja reaktivne snage da proizvede aktivnu snagu veću od nominalne aktivne snage (Pn). Granice koje su važne za pobudni sistem sinhronog generatora su: krive minimalne i maksimalne struje pobude, kriva struje statora u induktivnom i kapacitivnom području rada generatora, kao i praktična granica stabilnosti sinhronog generatora [2]. 10

Diplomski rad

Duško Cvijić

3. POBUDNI SISTEMI SINHRONIH GENERATORA Nakon postavljenih osnovnih razmatranja vezanih za opšte karakteristike sinhronih generatora koje su isključivo bazirane sa dodirnim tačkama sa pobudnim sistemima, treba da se analizira uloga pobudnog sistema, zahtjevi koje treba da omogući, kao i osnovni tipovi pobudnih sistema sa strukturnim realizacijskim šemama. Svaki sinhroni generator ima pobudni sistem. Osnovni zadatak pobudnog sistema je da generiše jednosmjernu pobudnu struju i omogući regulaciju napona generatora u zadatom opsegu, a ujedno i reaktivnu snagu na sabirnicama generatora, što je važno za napajanje reaktivnih potrošača. Pored ove funkcije, pobudni sistemi velikih sinhronih generatora imaju zadatak da povećaju opseg stabilnog rada generatora, kako u stacionarnom radnom režimu, tako i u slučaju krupnijih poremećaja u elektroenergetskom sistemu. Dakle, od pobudnog sistema sinhronog generatora zahtjeva se: -

da bude pouzdan i ekonomičan; da omogući pobuđivanje generatora prilikom njegovog pokretanja; da omogući regulaciju pobudnog napona u zadatom opsegu; da održava radnu tačku (P-Q) generatora unutar dozvoljenih oblasti pogonskog dijagrama; da kompenzuje vanjske i unutrašnje poremećaje; da kod velikih sinhronih generatora omogući brz porast pobudne struje u slučaju velikih poremećaja u elektroenergetskom sistemu; da u slučaju kvarova u generatoru omogući brzo ukidanje pobudnog fluksa generatora; da omogući razbuđivanje generatora prilikom njegovog zaustavljanja; da omogući automatsko i po potrebi ručno upravljanje pobudom generatora.

3.1. Tipovi pobudnih sistema Prema vrsti izvora koji obezbjeđuje jednosmjernu pobudnu struju sinhronom generatoru, razlikuju se tri osnovna tipa pobudnih sistema, a to su [1]: 1. jednosmjerni (DC) pobudni sistemi, 2. nezavisni naizmjenični (AC) pobudni sistemi, 3. statički naizmjenični (ST) samopobudni sistemi. Koja će se od navedenih vrsta pobudnih sistema upotrijebiti u konkretnom slučaju zavisi od niza faktora, kao što su [1]: -

3.2.

snaga i druge karakteristične veličine sinhronog generatora; tip upotrebljene pogonske turbine; mjesto i uloga sinhronog generatora u elektroenergetskom sistemu; karakteristike mjesta ugradnje i problem smještaja opreme; problemi konstrukcije, ugradnje, eksploatacije i održavanja; cijene pobudnog sistema.

Osnovne šeme pobudnih sistema

U nastavku su date osnovne šeme različitih tipova pobudnih sistema na osnovu navedene klasifikacije, koje su opisane prema njihovom hronološkom razvoju od najstarijih varijanti, pa sve do najnovijih tipova koje se danas primjenjuju. 11

Duško Cvijić

Diplomski rad 3.2.1 Jednosmjerni (DC) pobudni sistemi

Jednosmjerni (DC) pobudni sistemi praktično se više ne proizvode, ali još uvijek postoje za mnoge sinhrone generatore, koji su ugrađeni u velikom broju u starijim elektranama gdje se i koriste kao pobudni sistemi na tim generatorima. Pobudna struja sinhronog generatora se kod ovih sistema proizvodi preko jednosmjernog generatora sa komutatorom, koji može biti sa sopstvenom otočnom pobudom, sa nezavisnom stranom pobudom ili sa kombinovanom pobudom. U slučaju nezavisne pobude, jednosmjerni generator (glavna pobudnica GP) se pobuđuje pomoćnom pobudnicom (PP) koja je po pravilu, jednosmjerni generator sa sopstvenom pobudom ili raznim obrtnim pojačavačima. Uloga pomoćne pobudnice je da smanji potrebnu snagu regulatora napona u kome se generiše pobudna struja pomoćne pobudnice [1]. Na slici 3.1 prikazane su dvije varijante elektromašinskih pobudnih sistema. U obje varijante jednosmjernu pobudnu struju proizvodi generator za jednosmjernu struju, (glavna pobudnica GP) koji se pokreće preko zajedničkog vratila sa sinhronim generatorom ili pomoću nezavisnog asinhronog motora napajanog iz mreže sopstvene potrošnje elektrane.

Slika 3.1 Opšta šema elektromašinskog pobudnog sistema [2] Oznake na slici 3.1 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; T – blok transformator; PN – pobudni namotaj sinhronog generatora; GP – glavna pobudnica; PP – pomoćna pobudnica; KP – klizni prstenovi sa četkicama; MS – mehanička spojnica; N – zvjezdište generatora; NT – naponski i ST – strujni transformator; Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; R,C – kolo za stabilizacionu povratnu spregu po izvodu pobudnog napona; P1– prekidač za isključenje pobudne struje; P2– prekidač asinhronog motora (AM); Z – zamajac asinhronog motora; S – sabirnice sopstvene potrošnje u elektrani; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. U prvoj varijanti glavna pobudnica (GP) i pomoćna pobudnica (PP) su spregnute mehanički sa vratilom generatora (SG) i obrću se zajedno sa njegovim rotorom. U drugoj varijanti glavnu i pomoćnu pobudnicu pogoni asinhroni motor (AM) koji se napaja sa sabirnica sopstvene potrošnje. U ovom slučaju pobudni napon postoji i kada generator miruje, ali pouzdanost ovog sistema je manja jer se asinhroni motor može pokvariti [2]. 12

Diplomski rad

Duško Cvijić

Obično jednosmjerni generatori imaju relativno male nivoe izlazne snage, pa se oni kaskadno sprežu da bi se dobila potrebna izlazna snaga. Ako se broj kaskadno povezanih jednosmjernih generatora povećava narušava se ukupna dinamika pobudnog sistema i dovodi do povećanja ekvivalentne vremenske konstante. Takođe, ovi sistemi često koriste specijalne obrtne pojačavače (na primjer amplidin) za pobuđivanje glavne ili pomoćne pobudnice. Ti pojačavači, u poređenju sa pobudnim sistemima u koje su uključene samo jednosmjerne pobudnice, znatno povećavaju pojačanje i brzinu odziva pobudnog sistema. Bolji dinamički pokazatelji pobudnog sistema dobili bi se direktnom regulacijom pobudnog napona glavne pobudnice (GP), ali bi tada snaga regulatora napona morala biti znatno veća nego kada se koristi pomoćna pobudnica (PP) [1], [6]. Regulatori napona koji se koriste u ovim pobudnim sistemima obično su elektromehaničkog tipa sa reostatom, kao i regulatori na principu magnetnih i obrtnih pojačavača. Obavezna ulazna veličina regulatora napona je napon generatora, koji se dobija iz naponskog transformatora (NT) i ovaj napon se poredi sa zadatim referentnim naponom koji se dobija iz stabilnog izvora jednosmjernog napona. U regulatoru napona je realizovana negativna povratna sprega po naponu generatora, jer regulator mora spriječiti veliku promjenu napona generatora (pri porastu napona generatora, regulator smanjuje pobudnu struju). Preko strujnog transformatora (ST) se u regulator napona dovodi i signal struje generatora, koji služi za kompaundaciju i u ovom slučaju je realizovana pozitivna povratna sprega (povećanje struje generatora izaziva povećanje pobudne struje) [2]. Radi unutrašnje stabilizacije pobudnog sistema, u automatski regulator napona (ARN) se dovodi signal srazmjeran izvodu pobudnog napona, koji se dobija kao pad napona na otporniku R. Gašenje pobudnog polja (demagnetizacija ili razbuđivanje) kod ovih pobudnih sistema se postiže paralelnim umetanjem u pobudno kolo generatora i pobudnice otpornika za demagnetizaciju Rg i diode D, uz istovremeno isključenje pobudne struje pomoću posebnog prekidača ili nekog drugog uređaja za gašenje polja. U normalnim režimima kroz otpornik Rg i diodu D ne protiče struja. Kada se otvori prekidač P1 usljed samoindukcije pobudni namotaj generiše struju koja protiče kroz pobudni namotaj, otpornik Rg, diodu D i na taj način se postiže lagano gašenje pobudne struje. Najveće mane elektromašinskog jednosmjernog (DC) pobudnog sistema su [2], [6]:  prilično spor dinamički odziv zbog velikih vremenskih konstanti pobudnih namotaja glavne pobudnice (GP) i pomoćne pobudnice (PP);  problemi vezani za komutaciju na kolektoru glavne pobudnice (GP) kada je pobudna struja veća od 100A i kada je brzina obrtanja generatora velika;  prenos ukupne snage pobude (maksimalna vrijednost može biti od 4% do 5% od nominalne snage generatora) se vrši preko komutatora i četkica;  postojanje vratila i mehaničke spojnice (MS).

3.3. Naizmjenični (AC) pobudni sistemi Upotrebom naizmjeničnih pobudnica (naizmjeničnih generatora), naizmjenični pobudni sistemi su postali jednostavniji i pouzdaniji u odnosu na pobudne sisteme sa jednosmjernim pobudnicama. Primjena naizmjeničnih pobudnica je moguća zbog napretka energetske elektronike pomoću jeftinih i snažnih energetskih ispravljača u kombinaciji sa AC pobudnicama. Kod naizmjeničnih pobudnih sistema snaga pobude se dobija posredstvom pobudnog sinhronog generatora i nekontrolisanih (diodnih) ili kontrolisanih (tiristorskih) ispravljača. Pobudni ispravljači mogu biti statički ili obrtni. Konstrukciono, postoji veliki broj različitih formi realizacija naizmjeničnih pobudnih sistema, a u nastavku su opisane neke važnije šeme od tih relizacija [1]. 13

Diplomski rad

Duško Cvijić

3.3.1 Elektromašinski pobudni sistem sa diodnim mostovima Elektromašinski pobudni sistem sa diodnim mostovima prikazan je na slici 3.2. Ovaj pobudni sistem spada u kategoriju mješovitih pobudnih sistema, jer pored električnih mašina u pobudnom sistemu se koriste i poluprovodničke diode. U ovom slučaju glavna pobudnica (GP) i pomoćna pobudnica (PP) su mali trofazni generatori koji su mehanički povezani sa vratilom glavnog sinhronog generatora (SG).

Slika 3.2 Elektromašinski pobudni sistem sa diodnim mostovima [2] Oznake na slici 3.2 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; T – blok transformator; PN – pobudni namotaj sinhronog generatora; GP – glavna pobudnica; PP – pomoćna pobudnica; KP – klizni prstenovi sa četkicama; MS – mehanička spojnica; N – zvjezdište generatora; NT – naponski i ST – strujni transformator; MP – magnetski pojačavač snage (reaktansa kontrolisana jednosmjernom strujom); DM1, DM2 – diodni mostovi; Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; P – prekidač za isključenje pobudne struje; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. Glavna pobudnica (GP) je sinhroni generator sa dva pobudna namotaja. Desni pobudni namotaj vezan je na red sa pobudnim namotajem sinhronog generatora (SG) i služi za realizaciju povratne veze po pobudnoj struji generatora (SG) na pobudu pomoćne pobudnice (PP). Jednosmjerna pobudna struja se dobija pomoću diodnog mosta (DM2), dok se njena regulacija vrši pomoću snažnog magnetskog pojačavača (MP). Pobuda glavne pobudnice dobija se iz trofazne pomoćne pobudnice (PP) i diodnog mosta (DM1) koji je postavljen na vratilu da bi se izbjegli klizni prstenovi za pomoćnu pobudnicu (PP). Trofazni namotaj pomoćne pobudnice (PP) je na rotoru, dok je njen pobudni namotaj na statoru. Automatski regulator napona (ARN) djeluje istovremeno na pobudu pomoćne pobudnice i na pobudnu struju sinhronog generatora preko magnetskog pojačavača (MP), čime se postiže velika brzina promjene pobudnog napona. Otpornik Rg i dioda D u pobudnom kolu služe za gašenje polja. Elektromašinski pobudni sistemi sa diodnim mostovima su nezavisni od prilika u mreži elektroenergetskog sistema [2].

14

Diplomski rad

Duško Cvijić

3.3.2 Elektromašinski pobudni sistem sa tiristorskim mostovima Elektromašinski pobudni sistem sa tiristorskim mostovima prikazan je na slici 3.3. U ovom slučaju pored električnih mašina u pobudnom sistemu se koriste i tiristorski mostovi.

Slika 3.3 Elektromašinski pobudni sistem sa tiristorskim mostovima [2] Oznake na slici 3.3 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; T – blok transformator; PN – pobudni namotaj sinhronog generatora; P – pobudnica; KP – klizni prstenovi sa četkicama; MS – mehanička spojnica; NT – naponski i ST – strujni transformator; N – zvjezdište generatora, Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; R,C – kolo za stabilizacionu povratnu spregu po izvodu pobudnog napona; T1 – pomoćni transformator; P1, P2, P3, P4, P5 – prekidači; S – sabirnice sopstvene potrošnje u elektrani; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. Kod ovog pobudnog sistema postoji samo glavna pobudnica (P) koja je pomoćni generator sa dva primarna priključka. Ova pobudnica je mehanički spregnuta sa vratilom sinhronog generatora (SG). Tiristorski most 1 napaja se dva puta manjim naponom nego tiristorski most 2. Tiristorski most 1 obezbjeđuje pobudnu struju u normalnim režimima, dok tiristorski most 2 daje forsiranu pobudnu struju u poremećenim režimima. Prekidači P1 i P3 su međusobno blokirani tako da je samo jedan od njih uključen. Početna pobuda, pri pokretanju agregata dobija se pomoću transformatora T1 i diodnog mosta sa sabirnica sopstvene potrošnje. U normalnim radnim režimima prekidači P4 i P5 su otvoreni, a P1 zatvoren, dok je pri forsiranju pobude otvoren prekidač P2, a zatvoren prekidač P3. Pobudna struja sinhronog generatora (SG) reguliše se pomoću tiristorskih mostova, dok impulse za upravljanje tiristorskim mostovima generiše automatski regulator napona (ARN). Tiristorska regulacija pobudne struje je vrlo brza i ovakvi pobudni sistemi imaju vrlo brz odziv, praktično bez kašnjenja. Elektromašinski pobudni sistemi sa tiristorskim mostovima su nezavisni od prilika u elektroenergetskom sistemu [2].

15

Diplomski rad

Duško Cvijić

3.3.3 Elektromašinski bezkontaktni pobudni sistem Elektromašinski bezkontaktni pobudni sistem prikazan je na slici 3.4. Ovaj pobudni sistem nema ni komutator ni klizne prstenove, jer se pobudna struja za sinhroni generator (SG) dobija se iz naizmjenične pobudnice preko obrtnog diodnog ispravljača.

Slika 3.4 Elektromašinski bezkontaktni pobudni sistem sa obrtnim diodnim mostom [2] Oznake na slici 3.4 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; PN– pobudni namotaj sinhronog generatora; T – blok transformator; P – pobudnica; MS – mehanička spojnica; N – zvjezdište generatora; NT – naponski i ST – strujni transformator; DM – obrtni diodni most; Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; T1 – pomoćni transformator; S – sabirnice sopstvene potrošnje u elektrani; P – prekidač; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. Kod ovakvih pobudnih sistema postoji samo glavna pobudnica (P), koja je mehanički povezana sa vratilom sinhronog generatora (SG). Pobudnica (P) je pomoćni sinhroni generator kod koga je trofazni namotaj smješten na rotoru, dok je pobudni namotaj smješten na statoru. Na rotoru je ugrađen i diodni most (DM) i za dovođenje jednosmjerne struje na pobudni namotaj generatora (SG) nisu potrebni klizni prstenovi i četkice i zato se ovakav pobudni sistem naziva bezkontaktnim. Pobudna struja pobudnice (P) dobija se iz pomoćnog transformatora (T1) i tiristorskog mosta preko koga se vrši i njena regulacija, dok impulse za upravljanje tiristorskim mostom generiše automatski regulator napona (ARN). Kod bezkontaktnog pobudnog sistema nije moguće direktno mjeriti pobudne veličine (napon i struju pobude) glavnog sinhronog generatora (SG), jer su tu sve komponente obrtne i nepristupačne. Kod bezkontaktnog pobudnog sistema, pobuda pobudnice (P) zavisna je od prilika na sabirnicama sopstvene potrošnje, mada postoje i varijante ovakvih pobudnih sistema sa pomoćnom pobudnicom, koji su nezavisni od prilika u mreži [2].

3.4. Statički pobudni sistemi Ovi pobudni sistemi uzimaju energiju za pobudu sa krajeva samog generatora kojeg pobuđuju (ili sa sabirnica sopstvene potrošnje elektrane). Kako je izvor energije za pobudu statičkih pobudnih sistema sam generator koji se pobuđuje, to su u suštini sistemi samopobude. Da bi generator mogao započeti indukovanje napona na svojim krajevima (čime se obezbijeđuje i energija samopobude) za pobuđivanje ovih sistema se mora 16

Duško Cvijić

Diplomski rad

obezbijediti neki izvor početne pobude (obično su to akumulatorske baterije sopstvene potrošnje elektrane). Pobudnica kod naizmjeničnih samopobudnih sistema sastoji se od ispravljača i pobudnog transformatora, tako da su sve komponente ovih pobudnih sistema bez pokretnih dijelova (statičke). Pobudni transformator može biti obični energetski transformator ili kompaundni transformator (sa strujnom ili faznom kompaundacijom). Ispravljači koji se primjenjuju kod ovih pobudnih sistema su obično kontrolisani (tiristorski) ili nekontrolisani (diodni). Postoje realizacije ovih pobudnih sistema sa nekontrolisanim diodnim ispravljačem i DC-DC pretvaračem u pobudnom kolu. Ovi pobudni sistemi za regulaciju pobude koriste elektronske ili mikroprocesorske regulatore [1], [6]. 3.4.1 Statički pobudni sistem sa tiristorskim mostom Na slici 3.6 data je šema jednog statičkog pobudnog sistema, koji se snabdijeva energijom za pobudu posredstvom ispravljačkog pobudnog transformatora bez kompaundacije, vezanog na krajeve sinhronog generatora koji se pobuđuje.

Slika 3.6 Statički pobudni sistem sa tiristorskim mostom [2] Oznake na slici 3.6 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; PN– pobudni namotaj sinhronog generatora; T – blok transformator; KP – klizni prstenovi sa četkicama; N – zvjezdište generatora; NT – naponski i ST – strujni transformator; T1 – pobudni transformator; Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; R,C – kolo za stabilizacionu povratnu spregu po izvodu pobudnog napona; PG – generatorski prekidač; S – sabirnice sopstvene potrošnje u elektrani; P1,P2 – prekidači; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. Kod ovakvog pobudnog sistema pobudnu struju generišu pobudni transformator T1 i tiristorski most. Tiristorskim mostom upravlja automatski regulator napona (ARN). Kada postoji generatorski prekidač (PG) transformator T1 se vezuje direktno između generatora (SG) i blok transformatora (T) i tada ne postoje prekidači P1 i P2. Početna pobuda se dobija preko blok transformatora (T), dok se generator sinhronizuje preko generatorskog prekidača (PG). Ako ne postoji generatorski prekidač (PG) transformator T1 vezuje se na 17

Diplomski rad

Duško Cvijić

sabirnice sopstvene potrošnje (S) preko prekidača P1 i preko P2 na vezu generatora i blok transformatora. Početna pobuda se dobija sa sabirnica sopstvene potrošnje. Prekidač P1 je otvoren za vrijeme sinhronizacije generatora, koja se vrši na visokom naponu. Statički pobudni sistem je dosta zavisan od prilika u mreži elektroenergetskog sistema, jer se energija za pobudno kolo dobija sa sabirnica sopstvene potrošnje ili sa priključka generatora, gdje naponi zavise od prilika u mreži [2]. 3.4.2 Statički pobudni sistem sa faznom kompaundacijom Na slici 3.7 prikazan je statički pobudni sistem izveden sa kompaundnim transformatorom sa faznom kompaundacijom, kod koga se uticaj struje opterećenja dodaje naizmjeničnom pobudnom naponu prije ispravljanja.

Slika 3.7 Statički pobudni sistem sa tiristorskim mostom i kompaundnim transformatorom Oznake na slici 3.7 imaju sljedeće značenje: SG – sinhroni generator; PN– pobudni namotaj sinhronog generatora; T – blok transformator; T1 – pobudni kompaundni transformator; KP – klizni prstenovi sa četkicama; N– zvjezdište generatora NT – naponski i ST – strujni transformator; Rg – otpornik i D – dioda za gašenje polja; R,C – kolo za stabilizacionu povratnu spregu po izvodu pobudnog napona; PG – generatorski prekidač; Uref – zadavanje referentnog napona naponskom regulatoru; DS – dodatni ulazni signali u regulator napona. Pri kvarovima u mreži na krajevima sinhronog generatora pojavljuje se nizak napon, a to se preko pobudnog transformatora i tiristorskog ispravljačkog mosta preslikava u nisku vrijednost pobudnog napona (a s tim i pobudne struje) generatora. U takvim slučajevima pogonska situacija u sistemu upravo zahtijeva visoke vrijednosti struje pobude, radi održavanja povišenog napona na krajevima generatora. Ovaj nedostatak se koriguje na taj način da se ispravljački pobudni transformator izvodi kao kompaundni transformator. Kod ovog transformatora sekundarni napon istovremeno zavisi od napona i struje primara, što pri kvarovima djeluje stabilišuće, jer se pad napona na primaru pobudnog transformatora kompenzuje velikim strujama kvara. Statički pobudni sistem sa faznom kompaundacijom omogućavaju brzo forsiranje pobude u prelaznim stanjima. Takođe, postoji i varijanta ovih pobudnih sistema sa strujnom kompaundacijom, kada se uticaj struje opterećenja dodaje jednosmjernom pobudnom naponu poslije ispravljanja [1]. 18

Diplomski rad

Duško Cvijić

U opštem slučaju, primjena kompaundnih transformatora nije univerzalna, pa veliki broj naizmjeničnih samopobudnih sistema koristi obične energetske transformatore i kontrolisane (tiristorske) ispravljače dovoljnog kapaciteta, koji omogućavaju da se proizvede adekvatna pobuda u svim pogonskim stanjima. Da se eksploatacija obavlja uz minimalne gubitke pri pojavi naglog sniženja napona na krajevima generatora usljed bliskih kvarova u mreži, statički pobudni sistemi se obično realizuju pomoću dva odvojena kontrolisana ispravljača, jedan za "stabilno stanje" i jedan za forsiranje pobude, slika 3.8. Postoji prekidač koji mora da bude otvoren u normalnom radnom režimu, a u slučaju forsiranja pobude tada se uključuje i ispravljač za forsiranje pobude [6].

Slika 3.8 Konfiguracija radne i forsirane grupe ispravljača za statički pobudni sistem [6] Forsiranje pobude se obično aktivira pri automatskoj regulaciji napona, kada napon generatora padne npr. ispod 70% nominalne vrijednosti, što se definiše preko koeficijenta forsiranja. Savremene poluprovodničke pobudnice na bazi tiristora su okarakterisane vrlo brzim djelovanjem, praktično bez kašnjenja, jer su mala kašnjenja svojstvena jedino pojačavačima i pobudnom namotaju generatora. Zbog ove osobine pri forsiranju pobude kod ovih pobudnih sistema se može pretpostaviti odskočni porast pobudnog napona. 3.4.3 Energetsko kolo statičkog pobudnog sistema sa DC-DC pretvaračem Razvoj IGBT tranzistora na bazi impulsno-širinske modulacije (eng. Pulse Width Modulation - PWM) na niskom naponu (690 V AC, linijski napon) doprinio je razvoju novih, i efikasnijih statičkih pobudnih sistema malih dimenzija. Kontrolisani tiristorski ispravljač može se zamijeniti diodnim ispravljačem u kombinaciji sa četvero-kvadrantnim DC-DC pretvaračem (ili čoperom) kao na slici 3.9. [6].

Slika 3.9 Diodni ispravljač i četvero-kvadrantni DC-DC pretvarač za statički pobudni sistem [6]

19

Duško Cvijić

Diplomski rad

U osnovi strukturu energetskog kola ovakvog pretvarača čini diodni trofazni nekontrolisani ispravljač, vezni filtar, četvero-kvadrantni DC-DC pretvarač i zaštitno kolo. Trofazni naizmjenični napon za napajanje diodnog nekontrolisanog ispravljača obezbjeđuje pobudni transformator [4]. Četvero-kvadrantni DC-DC pretvarač omogućava rad u sva četiri kvadranta na VF – IF karakteristici. To omogućava variranje srednje vrijednosti pobudnog napona uz moguću promjenu njegovog polariteta (±VF), kao i oba smjera pobudne struje kroz pobudni namotaj sinhronog generatora. Na dijagramu na slici 3.10 prikazani su odzivi izlaznog pobudnog napona i pobudne struje sa krajeva DC-DC pretvarača priključenog na pobudno kolo generatora.

Slika 3.10 Upravljanje DC-DC pretvaračem sa visokim izlaznim naponom u cilju dobijanja bržeg odziva statičke pobudnice [7] Oznake na slici 3.10 imaju sljedeća značenja: VF – pobudni napon, IF – pobudna struja, IF0 – pobudna struja u praznom hodu, IFn – nominalna pobudna struja, IFmax – maksimalna pobudna struja, 1 – struja bez ograničenja u režimu forsiranja i 2 – struja sa kojom nije upravljano od strane regulatora napona. Srednja vrijednost pobudnog napona četvero-kvadrantnog DC-DC pretvarača se reguliše preko faktora ispune i data je sa:

VFsr  VDC (2D  1),

(3.1)

gdje je VDC – napon jednosmjernog kola nekontrolisanog trofaznog diodnog ispravljača, a D – faktor ispune izlaznog jednosmjernog napona koji je određen odnosom trajanja t intervala uključenja i periode prekidačke frekvencije, D  on . Vrlo bitna veličina u T procesu upravljanja tranzistorima je izbor prekidačke frekvencije. U odnosu na realizaciju statičkih pobudnih sistema sa tiristorskim i diodnim ispravljačima, upotrebom tranzistorskih pretvarača postižu se mnogo veće prekidačke frekvencije, jer u svojoj topologiji sadrže prekidače tipa IGBT-a, ili MOSFET-a pa na taj način zahtjevaju mnogo manje filtre. U kombinaciji sa neupravljivim ispravljačem za dobijanje jednosmjernog napona iz mrežnog naizmjeničnog napona, faktor snage je mnogo bolji nego kod potpuno upravljivih tiristorskih ispravljača. Nekoliko četvero-kvadrantnih DC-DC pretvarača može se spregnuti paralelno, tako da se može omogućiti potreban nivo snage potrebne za pobudu sinhronog generatora u 20

Duško Cvijić

Diplomski rad

stotinama MVA po jedinici. Prenos energije do pobudnog namotaja i kod ovih pobudnih sistema se vrši preko kliznih prstenova i četkica [6], [7]. Statički pobudni sistemi realizovani upotrebom tranzistorskih četvero-kvadrantnih DC-DC pretvarača obezbijeđuju sljedeće funkcije [6]:    

brz strujni odziv sa manjom talasnošću pobudne struje u pobudnom namotaju sinhronog generatora; moguće je manipulisati pozitivnim i negativnim strujama pobude koje se mogu pojaviti tokom prelaznih pojava koje su posljedica trenutnih tranzijenata struje statora; naizmjenična ulazna struja u ispravljački diodni most je gotovo sinusna sa pravilnim filtriranjem, dok je faktor snage blizu jedinice, bez obzira na iznos opterećenja pobudne struje; trenutni odziv pobudne struje je čak i brži nego kod statičkih pobudnih sistema sa kontrolisanim ispravljačima.

Glavni nedostatak statičkih pobudnih sistema i dalje predstavlja korišćenje kliznih prstenova pri dovođenju pobudne struje na rotor sinhronog generatora. Kako cijene ispravljača koji omogućavaju velike snage opadaju, i pouzdanost se povećava, tako statički pobudni sistemi postaju glavni izvor pobude za sinhrone generatore velikih snaga.

3.5. Uspostavljanje i gašenje pobudnog polja sinhronog generatora Analiza koja je sprovedena u nastavku, je značajna za određivanje osnovnih pokazatelja pobudnog sistema. Uspostavljanje i gašenje pobudnog polja (pobudne struje) u generatoru, treba da ukaže na vremenske promjene i osobine pobudne struje za vrijeme prelaznih stanja. Pobudni namotaj se može smatrati RL kolom sa znatnom vrijednošću induktivnosti. Kao i za svako drugo RL kolo, i u ovom slučaju za uspostavljnje pobudne struje važi sljedeća naponska linearna diferencijalna jednačina [2] (uz zanemarenje zasićenja):

LF

di F (t )  RF i F (t )  VF , t  0, dt

(3.2)

Rješavanjem jednačine (3.2) dolazi se do izraza koji opisuje uspostavljanje pobudne struje u pobudnom kolu i koji je dat sa: t

 V i F (t )  F (1  e TF ), t  0. RF

(3.3)

Na osnovu jednačine (3.3) vidi se da se pobudna struja uspostavlja po eksponencijalnom zakonu, a da u toku prelaznog procesa brzinu njenog uspostavljanja određuje vremenska L konstanta pobudnog kola, TF  F . Zbog velike vrijednosti induktivnosti pobudnog RF namotaja za posljedicu se ima i velika vrijednost vremenske konstante TF. Nakon završenog prelaznog procesa u pobudnom namotaju se uspostavlja stacionarna vrijednost V pobudne jednosmjerne struje koja je određena sa, I F  F [2]. RF Na slici 3.11a prikazano je uspostavljanje pobudne struje na osnovu jednačine (3.2) koja je rješena u programu MATLAB sa stvarnim vrijednostima parametara 21

Duško Cvijić

Diplomski rad pobudnog namotaja sinhronog generatora čije su vrijednosti: RF75°C=0.168[Ω], a nominalni napon pobude je VFn=206[V].

Slika 3.11a Uspostavljanje pobudne struje za nominalni napon pobude

LF=551.4[mH],

Slika 3.11b Opadanje pobudne struje bez i sa uticajem otpornika za gašenje polja

Posmatrajmo sada situaciju u kojoj možemo pretpostaviti da se pobudna struja nalazi u stacionarnom stanju. Ako u tom slučaju iz bilo kog razloga dođe do naglog prekidanja pobudne struje, bilo otvaranjem prekidača ili na neki drugi način, pobudna struja neće moći trenutno da padne na vrijednost nula, nego toj vrijednosti će se približavati kroz prelazni proces opisan sljedećom jednačinom:

LF

di F (t )  RF i F (t )  0. dt

(3.4)

U trenutku naglog prekidanja pobudne struje, pobudni namotaj reaguje stvaranjem elektromotorne sile samoindukcije, koja nastoji da održi stalnu jednosmjernu struju u pobudnom namotaju. Dakle, da bi se osiguralo uspješno prekidanje jednosmjerne struje potrebno je osigurati da se struja nakon otvaranja kontakata prekidača stalno smanjuje. To znači da izvod struje 𝑑𝑖⁄𝑑𝑡, a prema tome i pad napona na induktivnosti pobudnog namotaja u cijelom području prekidnih struja mora biti manji od nule. Zbog takvih osobina jednosmjerna struja u pobudnom namotaju se ne prekida, već se vrši postepeno gašenje pobudnog polja procesom demagnetizacije ili razbuđivanja pobudnog namotaja. To se izvodi tako što se utiče na vremensku konstantu pobudnog kola, dodavanjem otpornika za demagnetizaciju u pobudno kolo, uz istovremeno uključenje prekidača za gašenje pobude. Prelazni proces, osim što zavisi od vremenske konstante pobudnog kola, zavisi i od električnog luka u prekidaču. Izbor otpornika se bira tako da 𝑑𝑖⁄ ne bude preveliko, a da se postigne dovoljno brzo gašenje pobudne struje. Da bi se 𝑑𝑡 ispoštovao ovaj zahtjev vrijednost otpornosti otpornika za demagnetizaciju iznosi oko Rg=5RF, gdje je Rg – otpornost otpornika za demagnetizaciju i RF – otpornost pobudnog namotaja. [1], [2]. Na slici 3.11b prikazano je opadanje pobudne struje u slučaju naglog otvaranja prekidača (crna linija) i opadanje pobudne struje pri upotrebi otpornika za demagnetizaciju 22

Duško Cvijić

Diplomski rad

(crvena linija) čija otpornost iznosi Rg=6RF=1[Ω]. Takođe, otpornici za demagnetizaciju treba da ograniče tranzijentne prenapone u pobudnom kolu generatora, do kojih može doći usljed nagle promjene fluksa pri isključenju pobudene struje [2].

3.6. Karakteristični pokazatelji performansi pobudnog sistema Performanse pobudnih sistema zavise od karakteristika komponenata pobudnih sistema, generatora i samog elektroenergetskog sistema na koji je generator priključen. Pošto je taj sistem u osnovi nelinearan, pogodno je njegove dinamičke karakteristike posmatrati sa gledišta velikih i malih poremećaja. U slučaju velikih poremećaja uticaj nelinearnosti je značajan, dok u slučaju malih poremećaja performanse u osnovi odgovaraju odzivu linearnih sistema. 3.6.1 Pokazatelji performansi pobudnih sistema pri velikim poremećajima Cilj pokazatelja performansi pobudnog sistema pri velikim poremećajima je da se na osnovu njih ocjeni ponašanje pobudnog sistema pri velikim tranzijentnim promjenama napona, struje i pobude pridruženog sinhronog generatora pobudnom sistemu, koje karakterišu prelazne pojave vezane za posmatranje tranzijentne stabilnosti. Osnovni pokazatelji koji se posmatraju u ponašanju pobudnog sistema pri velikim poremećajima su: forsiranje pobude, brzina uspostavljanja maksimalnog pobudnog napona, nominalni faktor odziva pobudnog sistema i brzina početnog odziva pobudnog sistema [1].  Forsiranje pobude. Forsiranje pobude treba da omogući brzu i veliku promjenu pobudne struje sinhronog generatora u kraćem periodu vremena, bilo u pozitivnom bilo u negativnom smjeru. Ovaj postupak je naročito značajan pri pojavi kvarova u mreži, posebno pri bliskim kratkim spojevima kada je, zbog zahtjevane rezerve stabilnosti pogona, poželjno održavati viši napon na krajevima generatora. Odnos maksimalne i nominalne pobudne struje naziva se koeficijentom forsiranja pobude [2]: V I K F  F max  F max . (3.5) VFn I Fn Koeficijent forsiranja pobude kreće se u granicama K F  1.8  3.  Brzina uspostavljanja maksimalnog pobudnog napona. Važna osobina pobudnog sistema je i brzina uspostavljanja maksimalnog pobudnog napona ili porast napona u jedinici vremena. Pri promjeni pobudni napon se mjenja po eksponencijalnom zakonu [2]:

v F (t )  VFn  (VF max  VFn )  (1  e



t TF

),

(3.6)

gdje je TF – vremenska konstanta pobudnog kola. Ova konstanta zavisi od parametara pobudnog namotaja, pobudnog sistema i opterećenja priključenog na sinhroni generator. Brzina odziva pobude određuje se postavljanjem tangente na krivu promjene pobudnog napona i definiše se kao količnik povećanja pobudnog napona, koji se ostvari u vremenu jednakom vremenskoj konstanti TF , i toga vremena: dv F (t ) VF 0.632  (VF max  VFn ) 0.632  ( K F  1)     VFn . dt TF TF TF

(3.7)

Većina propisa iz oblasti električnih mašina zahtijeva da brzina uspostavljanja pobudnog V napona bude (1.5  2) Fn [2]. s 23

Duško Cvijić

Diplomski rad

 Nominalni odziv pobudnog sistema. Nominalni odziv pobudnog sistema definiše se prema definicijama IEEE standarda za pobudne sisteme sinhronih mašina (eng.IEEE Standard Definitions for Excitation Systems for Synchronous Machines IEEE Std 421–2007 ). Određivanje nominalnog odziva pobudnog sistema prema ovoj definiciji je prikazano na slici 3.12. Nominalni odziv pobudnog sistema je brzina porasta (ili smanjenja) pobudnog napona, koja se određuje iz krive VF  vF (t) pri odskočnoj promjeni referentnog ulaza sistema, zamjenom stvarne promjene pobudnog napona pravom, koja daje istu srednju vrijednost promjene tokom prvih 0.5s poslije poremećaja, pri otvorenom pobudnom kolu sinhronog generatora. Referentna tačka za određivanje brzine promjene napona treba da bude početna vrijednost pobudnog napona pri nominalnom opterećenju, kao na slici 3.11.

Slika 3.12 Nominalni odziv pobudnog napona [8] Definicija nominalnog odziva sa vremenom oe = 0.5s se primjenjuje za varijante starijih elektromašinskih pobudnih sistema, dok se u slučaju novih brzih pobudnih sistema sa visokom početnom vrijednošću nominalnog odziva ovo vrijeme zamjenjuje sa oe = 0.1s. Nominalni faktor odziva u sebe uključuje uticaj svih vremenskih kašnjenja koja postoje u pobudnom sistemu prije nego što se taj sistem odazove na poremećaj [1]. 

Brzina početnog odziva. Brzina početnog odziva R0 definiše se kao odnos: R0 

VF max  1 . TF

(3.8)

U navedenoj formuli napon pobude VFmax je u V, a vremenska konstanta TF je u s. Pokazatelj brzine početnog odziva karakteriše brze, statičke pobudne sisteme, bolje od nominalnog faktora odziva. U iste svrhe se može koristiti i vrijeme odziva napona pobudnog sistema, koje se definiše kao vrijeme potrebno da pobudni napon dostigne 95% svoje maksimalne vrijednosti, ali primjena ovog pokazatelja nije uobičajena [1]. 3.6.2 Pokazatelji performansi pri malim poremećajima Ovi pokazatelji zavise od dinamičkih karakteristika sinhronog generatora, a prvenstveno od vremenske konstante pobudnog kola pri zatvorenom kolu statorskih namotaja Tʹd. Međutim, kada je sinhroni generator spregnut paralelno sa nekim povezanim elektroenergetskim sistemom, njegov radni režim i parametri spoljnjeg sistema znatno utiču 24

Diplomski rad

Duško Cvijić

na rad pobudnog sistema. Pri malim poremećajima zahtjevane performanse od pobudnog sistema se odnose na [1]: - statičku stabilnost; - stabilnost pri paralelnom radu na mrežu; - prigušenje oscilacija pri paralelnom radu na mrežu; - ograničenje ugla rotora; - ograničenje ostalih promjenljivih sistema.

3.7. Pojava prenapona i prekomjernih struja u pobudnom kolu Posmatrano u širem smislu, postoji veliki broj uzroka koji mogu dovesti do pojave prenapona i prekomjernih struja u pobudnom namotaju generatora, kao i na pobudnom ispravljaču. Jedan od uzroka je i pojava prenapona zbog indukovanja velikih elektromotornih sila samoindukcije usljed naglog prekidanja pobudne struje. Pojava negativnih struja u pobudnom namotaju generatora moguća je pri kratkim spojevima u mreži i klizanju polova rotora. Ukoliko se ne obezbijedi put za prolaz tih negativnih struja mogu se pojaviti vrlo visoki prenaponi. Naročito je opasan duži rad agregata pri znatno sniženoj frekvenciji, jer može doći do pojave prekomjerne struje pobude. Prenaponi i prekomjerne struje mogu dovesti do oštećenja izolacije pobudnog namotaja [1]. 3.7.1 Prenaponi Kod turbogeneratora najopasniji prenaponi u pobudnom sistemu se pojavljuju zbog sljedećih poremećenih radnih režima [1]: - ispad iz sinhronizma, sa otvorenim pobudnim namotajem; - pogrešna sinhronizacija; - prigušenje oscilacija pri paralelnom radu na mreži; - ograničenje ugla rotora; - brza demagnetizacija (kod statičkih pobudnih sistema). Odgovarajuće maksimalne vrijednosti prenapona u pobudnom kolu koje se mogu pojaviti su reda 5VFn. Kod hidrogeneratora najopasniji prenaponi se pojavljuju pri ispadu generatora iz sinhronizma sa otvorenim pobudnim namotajem i oni mogu preći vrijednost od 10VFn. Takođe, mogu se pojaviti i manje opasni prenaponi pri brzoj demagnetizaciji, asimetričnim kvarovima pri maloj pobudnoj struji i pogrešnoj sinhronizaciji i oni su reda oko 5VFn [1]. 3.7.2 Prekomjerne struje Uzroci pojave prekomjernih struja mogu se rangirati prema redoslijedu opasnosti po sam sinhroni generator, na sljedeći način [1]: - kratak spoj na izlazu iz ispravljačkog mosta (kod AC i ST pobudnih sistema); - kratak spoj na krajevima generatora; - pogrešna sinhronizacija; - kratak spoj na krajevima višeg napona generatorskog blok – transformatora; - ispad iz sinhronizma; - forsiranje pobude; - oscilacije velike amplitude. Opasnije prekomjerne struje moraju trajati kraće. Prilikom upotrebe AC ili ST pobudnih sistema potrebno je odrediti strujne mogućnosti ispravljača, dajući vrijednost dozvoljenih prekomjernih struja [1]. 25

Diplomski rad

Duško Cvijić

4. KOMPONENTE SISTEMA ZA REGULACIJU POBUDE 4.1. Regulatori pobude i opšti funkcionalni blokovi Savremeni regulatori napona (regulatori pobude) nisu prosti uređaji za regulaciju napona na krajevima sinhronih generatora, već složeniji sistemi, koji sadrže čitav niz upravljačkih, ograničavajućih i zaštitnih funkcija, neophodnih da se zadovolje zahtjevi performansi, pri radu generatora u normalnim i poremećenim radnim režimima. Priroda svih tih funkcija i načina na koji utiču jedni na druge, prikazana je na slici 4.1. [1].

Slika 4.1 Principijelna šema povezivanja upravljačkih, ograničavajućih i zaštitnih funkcija regulacije pobude [1] Napomene: I. Uređaji za kratko spajanje pobudnih namotaja primjenjuju se samo kod naizmjeničnih i statičkih pobudnih sistema. II. U nekim sistemima ne postoji naponski pretvarač, pa se ručna regulacija pobude realizuje u otvorenom kolu bez povratne sprege. III. Ograničavač maksimalne pobude može se koristiti i posredstvom ručnog regulatora pobude. U zavisnosti od vrste primjenjenog pobudnog sistema, svi pobudni sistemi ne moraju raspolagati svim navedenim funkcijama, što zavisi od specifične primjene, tipa pobudnice i zahtjeva korisnika. Uloga upravljačkih funkcija je da regulišu pojedine 26

Diplomski rad

Duško Cvijić

promjenljive ili da ih održavaju na željenim vrijednostima, dok ograničavajuće funkcije spriječavaju da se ne pređu njihova podešena ograničenja. Zaštitne funkcije imaju ulogu da isključe pojedine komponente ili agregat iz pogona, ako nastanu opasni kvarovi, koji ih mogu oštetiti ili uništiti [1].

4.2. Automatski regulator pobude Osnovna funkcija automatskog regulatora pobude ili automatskog regulatora napona (ARN) je da reguliše struju pobude sinhronih generatora u cilju održavanja napona i/ili reaktivne snage na njegovim krajevima unutar propisanih granica, (zbog toga se ovaj regulator i naziva automatski regulator napona) u ustaljenom stanju i u poremećenim režimima. Takođe, automatski regulator pobude treba da omogući željenu raspodjelu reaktivne snage između generatora u paralelnom radu, nezavisno od napona. Automatski regulator napona je "mozak" svakog sistema za regulaciju pobude. To je uređaj koji otkriva promjene napona (i struje) na krajevima sinhronog generatora u odnosu na zadate referentne vrijednosti i proizvodi korekciono dejstvo u smislu promjene struje pobude generatora koja će anulirati te promjene. Osim toga, sa ovim regulatorom se realizuju i dodatne upravljačke i zaštitne funkcije [1], [9]. Na slici 4.2 predstavljena je principijelna šema automatskog regulatora pobude. U opštem slučaju regulator pobude se sastoji od detektora greške, pretpojačavača, pojačavača snage, stabilizacionih elemenata, pomoćnih ulaza i ograničavača. Naravno da svaki konkretan regulator ne mora da sadrži sve nabrojane elemente.

Slika 4.2 Principijelna šema elemenata i ulazno – izlaznih promjenljivih savremenih regulatora pobude (regulatora napona) [8] Sa strukturne šeme regulatora pobude prema slici 4.2 osnovu upravljačkog dijela čini automatski regulator napona (ARN), rezervni regulator po struji pobude, ograničavači, stabilizator EES-a i uređaji za podešavanje referentnih vrijednosti. Automatski regulator napona kvalitetno utiče na održavanje napona sinhronog generatora za vrijeme rada u stabilnom radnom stanju, kao i na smanjenje oscilacija napona tokom prelaznog perioda, koje utiču na ukupnu stabilnost sistema. U poremećenim radnim režimima, ovim zahtjevima se dodaje i funkcija povećanja granice stabilnosti. 27

Diplomski rad

Duško Cvijić

Automatski regulator napona treba da ima visoko pojačanje u propisanim granicama, minimalno mrtvo vrijeme i veliku brzinu odziva. Automatski regulator napona radi na principu detekcije greške. Kada je sinhroni generator povezan sa mrežom EES-a u cilju kontrolisanja proizvodnje reaktivne snage, signal o isporučenoj reaktivnoj snazi se poredi sa izlaznim naponom i izlaznom strujom. Na ovaj način automatski regulator napona prati izlaznu reaktivnu snagu pod bilo kojim uslovima opterećenja, kako bi se napon održao u okviru unaprijed postavljenih ograničenja. Pobuda se obično kontroliše pomoću PID upravljačkog algoritma u slučaju statičkih pobudnih sistema sa diodnim mostnim ispravljačima sa kombinacijom DC-DC pretvarača ili tiristorskih mostni ispravljača. Za rad generatora u praznom hodu automatski regulator napona mora obezbijediti toliku vrijednost struje pobude da se ima nominalni napon pri nominalnoj brzini obrtanja. Za rad generatora od praznog hoda do punog opterećenja pobudna struja mora biti povećana za toliku vrijednost da se kompenzuje uticaj reakcije armature. Kako se struja opterećenja povećava, reakcija armature smanjuje rezultantni fluks u međugvožđu generatora i javlja se pad napona na generatorskim sabirnicama. Automatski regulator napona mora da poveća pobudnu struju i na taj način nadoknadi pad napona usljed reakcije armature i pada napona na sinhronoj reaktansi generatora. U slučaju kratkog spoja na generatoru automatski regulator napona ne ograničava pobudnu struju i sva snaga je usmjerena da se kompenzuje poremećaj. Tako pobudna struja mora biti ograničena upotrebom posebnih ograničavača pobudne struje. Regulatori se u principu prave kao dvostepeni pojačavači. Prvi stepen je detektor greške, koji koristi signale niskog nivoa, a drugi stepen je pojačavač snage ili izvršni organ sa izlaznim signalom visokog nivoa. U odnosu na način djelovanja, ovi regulatori mogu biti kontinualni (linearni regulatori) i diskontinualni (sa mrtvom zonom). Principijelno postoje dvije osnovne realizacije automatskih regulatora pobude. To su proporcionalni regulatori sa jednim ulazom i jednim izlazom koji djeluju na odstupanje napona na priključcima sinhronog generatora i multivarijabilni regulatori sa više ulaza i sa jednim izlazom. Istorijski razvoj automatskih regulatora napona išao je sljedećim redoslijedom [1]: 

elektromehanički regulatori (direktnog i indirektnog dejstva),



regulatori na principu obrtnih pojačavača,



regulatori na principu magnetskih pojačavača,



elektronski regulatori,



mikroprocesorski regulatori.

4.3. Multivarijabilni regulatori pobude Multivarijabilni regulatori pobude sa više ulaza i jednim izlazom kao ulaz u sistem za regulaciju pobude koriste, pored napona i struje na krajevima generatora, i dodatne stabilizacione signale, da bi se poboljšale dinamičke performanse elektroenergetskog sistema na koji je generator priključen. Obično su to signali brzine obrtanja, učestanosti i snage generatora. Razlog njihove primjene jeste povoljno djelovanje na granice dinamičke i tranzijentne stabilnosti generatora, kao i na prigušenje elektromehaničkih oscilacija i smanjenje naponskih fluktuacija u sistemu. Obično se realizuju kao stabilizatori elektroenergetskog sistema i kao opšti PID regulatori visokog pojačanja [1].

28

Diplomski rad

Duško Cvijić

4.3.1 Stabilizatori elektroenergetskog sistema Kod nekih pobudnih sistema se koriste dva stabilizatora i to: stabilizator pobudnog kola i stabilizator poremećaja sa strane mreže (elektromašinski, mješoviti pobudni sistemi), a kod nekih samo stabilizatori poremećaja sa strane mreže (statički pobudni sistemi). Stabilizatori poremećja sa strane mreže, koji prigušuju oscilacije u pobudnom sistemu zovu se stabilizatori elektroenergetskog sistema (eng. Power System Stabilizers-PSS) [1]. Stabilizator elektroenergetskog sistema je uređaj koji obezbjeđuje dodatne regulacione konture zajedno uz automatski regulator napona. Dodavanje dodatnih regulacionih kontura u sklopu automatskog regulatora napona je jedan od najčešćih načina za poboljšanje statičke i tranzijentne stabilnosti. U efektu regulacije napona podstiču se dodatne struje u rotorskom kolu koje se protive indukovanim strujama rotora pri promjeni brzine za ∆ω. Ovaj efekat ima negativnu posljedicu jer dovodi do smanjenja prigušnog obrtnog momenta. U tu svrhu primjenjuje se stabilizator elektroenergetskog sistema, čiji je princip djelovanja objašnjen u nastavku.

Slika 4.3 Dodatna regulaciona kontura sa stabilizatorom EES-a u kolu automatskog regulator napona: (a) strukturni dijagram; (b) fazorski dijagram [9] Osnovna ideja stabilizacije elektroenergetskog sistema je da se prepozna da je u stacionarnom stanju devijacija brzine nula ili skoro nula, i tada regulator napona treba da bude vođen regulacionim signalom greške ∆V. Međutim, u tranzijentnom stanju generatora ugaona brzina nije konstantna, rotor osciluje i ∆V prolazi kroz oscilacije usljed promjena ugla rotora. Zadatak stabilizatora elektroenergetskog sistema je da doda dodatni signal VS koji kompenzuje te oscilacije i obezbjeđuje prigušnu komponentu koja je u fazi sa ∆ω. Ovo je prikazano na slici 4.3a, gdje se signal VS dodaje glavnom naponskom signalu greške ∆V. U ustaljenom stanju signal VS mora biti jednak nuli, tako da ne izobliči napon u procesu regulacije. Slika 4.3b prikazuje fazorski dijagram signala u tranzijentnom stanju. Fazor VS je u direktnoj opoziciji sa ∆V i veći je od njega. Fazor promjene pobude ∆VF zaostaje od ∆V∑ za ugao koji je uveden u automatski regulator napona u odnosu na fazor Vq'(VF ) , koji je sada zbog upravljanja pobudom od strane automatskog regulatora napona u fazi sa ∆ω. Ovo zajedno sa Vq' (V f ) uvodi veliki obrtni moment prigušenja u sistem. Međutim, amplituda VS je manja nego ∆V tako da je izvršena samo djelimična kompenzacija negativne prigušne komponente koja je uvedena preko signala Vs od strane automatskog regulatora napona [9]. 29

Duško Cvijić

Diplomski rad

Ulazni signali stabilizatora EES-a mogu se obezbijediti kroz različit broj i formu mjerenih ulaznih signala na generatorskim sabirnicama. Mjereni signali prolaze kroz nisko propusne i visoko propusne filtere. Filtrirani signali potom dolaze u element za faznu kompenzaciju u cilju dobijanja potrebnog pomaka faze i na kraju signal se pojačava i ograničava. Obično kao ulazne mjerene veličine u stabilizator elektroenergetskog sistema se koriste brzina odstupanja rotora, aktivna snaga generatora, ili frekvencije napona generatora sa generatorskih sabirnica. Postoji veliki broj mogućih načina realizacije stabilizatora elektroenergetskog sistema u zavisnosti od izabranog ulaznog signala. U nastavku su navedeni neki od tipova stabilizatora EES-a bazirani na različitim mjerenim promjenljivim jer se oni dosta primjenjuju u sklopu statičkih pobudnih sistema [9].

4.3.1.1 Stabilizatori EES-a bazirani na mehaničkoj ugaonoj brzini ∆ω Ovo je najstarija vrsta stabilizatora elektroenergetskog sistema i kod ovih stabilizatora se koristi direktno mjerenje odstupanja brzine vratila sinhronog generatora. Očigledno je da mjereni signal mora biti obrađen, kako bi se filtrirali svi torzioni modovi sadržani u signalu, i da se izvrši minimizacija šuma u signalu. Glavni problem sa ovom metodom, je kada se primenjuje na turbogeneratore sa dugim vratilom koji su skloni torzionim oscilacijama. U tom slučaju potrebno je izabrati povoljnu poziciju na vratilu generatora tako da se ima što tačnija određena promjena brzine. Za duga vratila je neophodno da se izmjeri odstupanje brzine u određenom broju tačaka duž vratila i da se koriste ove informacije za izračunavanje prosječnog odstupanja brzine [9].

4.3.1.2 Stabilizatori EES-a bazirani na aktivnoj električnoj snazi Pe Pojednostavljena forma stabilizatora elektroenergetskog sistema se može dobiti zanemarujući brzinu vratila i mjerenjem samo aktivne električne snage generatora Pe, s obzirom na jednostavnost njenog mjerenja. Sa ovim odabirom dovoljna je samo jedna ulazna veličina. Ali ograničenje u upotrebi ovih stabilizatora je da se mogu koristiti samo kada se pretpostavlja da je mehanička snaga konstantna. Ako se mehanička snaga mijenja, na primjer zbog sekundarne regulacije frekvencije, ovo rješenje uzrokuje prolazne oscilacije u naponu i reaktivnoj snazi koje nepotrebno forsiraju stabilizator EES-a, jer se ove promjene na njega odražavaju kao promjene u oscilacijama mehaničke snage [9].

4.3.1.3 Stabilizatori EES-a bazirani na ∆ω i Pe Potreba da se mjeri odstupanje brzine u određenom broju tačaka duž vratila može se izbjeći izračunavanjem prosječne brzine odstupanja od mjerene pomoću električnih veličina. Metod proračuna ekvivalentne brzine odstupanja ∆ω indirektno zavisi od integrala snage ubrzanja: 1 (Pm  Pe )dt , (4.1) M gdje se ∆Pe izračunava iz mjerenja generisane aktivne snage električne Pe. Integral promjene mehaničke snage ∆Pm može se dobiti iz izraza:  eq 

 P dt  M m

mjereno

  Pe dt ,

(4.2)

gdje ∆ωmjereno se zasniva na mjerenju brzine na kraju vratila određenim senzorima. Promjene mehaničke snage su relativno spore i na izvedeni integral mehaničke snage može se primijeniti niskopropusni filtar za uklanjanje torzionih frekvencija iz mjerene brzine. Ovaj stabilizator sadrži dva ulazna signala, ∆ωmjereno i ∆Pe koji se koriste za izračunavanje 30

Diplomski rad

Duško Cvijić

∆ωeq. Strukturni dijagram ovog sistema je prikazan na slici 4.4 gdje je G (s ) prenosna funkcija torzionog filtra. Ovaj tip stabilizatora sa dva ulazna signala omogućava da se koristi visoko pojačanje tako da se ima dobro prigušenje u slučajevima snažnih oscilacija u EES-u [9].

Slika 4.4 Strukturni dijagram stabilizatora EES–a koji kao ulazne veličine koristi promjenu brzine i aktivnu električnu snagu [9] Multivarijabilni regulatori pobude imaju široke eksploatacione mogućnosti. Primjena multivarijabilnih regulatora pobude naročito je preporučljiva u slučaju brzih, statičkih pobudnih sistema. Njihovo uvođenje u sistem treba imati u vidu uvijek kada je poželjno povećati pozitivno prigušenje, radi sprječavanja lokalnih oscilacija rotora mašina i oscilacija snaga razmjene po međusistemskim spojnim vodovima. Takođe, prednosti primjene ovih regulatora pobude se manifestuju povećanjem preciznosti i brzine regulacije kao i povećanjem granica stabilnosti pogona sistema.

4.4. Ručni regulator pobude Pomoću ručnog regulatora pobude, napon pobude sinhronog generatora se održava na konstantnoj vrijednosti. On se koristi za stavljanje u pogon, razna ispitivanja i u slučajevima kada je automatski regulator pobude u kvaru. Njime upravlja operator ručno podešavajući referentne vrijednosti pobudnog napona. Preko posebnog para radnih i mirnih kontakata, vrši se prebacivanje sa ručne na automatsku regulaciju i obrnuto [1].

4.5. Ulazni elementi i elementi za modifikaciju signala regulatora pobude Postoji više različitih grupa ovih elemenata, a najvažniji od njih su [1]:      

mjerni transformatori (naponski i strujni); kompenzator pada napona; pretvarač naponskog signala na ulazu u regulator; naponski komarator; ograničavači promjenljivih; propusnici veće ili manje promjenljive na ulazu.

U nastavku će biti ukratko opisani ovi elementi. 

Mjerni transformatori. Osnovna uloga mjernih transformatora je da obezbijede dovođenje mjerenih veličina napona i struje generatora u regulator pobude. Naponski i strujni mjerni transformatori su danas standardizovani za sekundarne napone Vnl"  100 [V ] ili Vnf"  100 / 3 [V ]. Slično tome, standardne sekundarne struje strujnih transformatora su I n"  5 [ A] ili I n"  1 [ A] što u osnovi predstavlja proizvoljan izbor [1].

31

Duško Cvijić

Diplomski rad 

Kompenzatori pada napona. Uloga kompenzatora pada napona je da na ulazu u regulator pobude simulira pad napona u sinhronom generatoru ili još i u generatorskom blok – transformatoru i spojnoj vezi do neke određene tačke u mreži, čiji se napon želi održavati na željenoj vrijednosti. Za to se najčešće koriste fazni ili strujni kompenzatori, koji modifikuju ulazni (mjerni) napon za pad napona koji se kompenzuje. To se postiže tako da se signal mjerenja struje generatora I g uvodi u neku impedansu kompenzatora Z c  Rc  jX c i pad napona na toj impedansi fazorski se sabira sa signalom mjerenja napona V g na krajevima generatora, shodno šemi prikazanoj na slici 4.5.

Slika 4.5 Kompenzacioni element zajedno sa naponskim komparatorom [9] Izlaz iz bloka naponskog kompenzatora, sveden na napon generatora, je Vc  V c  V g  ( Rc  jX c ) I g .

(4.3)

Kada kompenzacija nije primjenjena tada važi Zc=0, pa je Vc=Vg, i automatski regulator napona održava napon na krajevima generatora. Ovaj tip kompenzacije se koristi za jedan od sljedeća dva načina: 1. Kada sinhroni generatori rade na zajedničkim sabirnicama sa nultom spojnom impedansom, kompenzator se koristi da se prividno na regulatoru stvori efekat vještačke spojne impedanse, čiji je cilj da između generatora ostvari željenu raspodjelu reaktivnih opterećenja. Ovo odgovara izboru fiktivne regulacione tačke unutar generatora, pri čemu se pad napona na impedansi Z c  Rc  jX c sabira sa naponom V g u izrazu (4.3), odnosno ima se pozitivna kompenzacija. 2. Kada se radi samo o jednom generatoru koji je vezan na krutu mrežu posredstvom neke veće impedanse ili kada više generatora radi paralelno na mreži posredstvom generatorskih blok transformatora i spojnih vodova, ponekad je poželjno regulisati napon u nekoj tački mreže udaljenoj od priključnih krajeva generatora. Tada se pad napona na impedansi Z c  Rc  jX c u izrazu (4.3) oduzima od napona na krajevima generatora V g , odnosno ima se negativna kompenzacija. U većini slučajeva je otpor kompenzatora Rc  0, tako da se sprovodi samo reaktivna kompenzacija pada napona. Ona se obično izražava u % (ili u r.j.) od nominalnog napona u odnosu na onu tačku mreže čiji se napon može posmatrati kao konstantan. Umjesto kompenzatora po struji mogu se primjeniti i kompenzatori po aktivnoj i reaktivnoj snazi [1], [9]. 32

Diplomski rad 

 



Duško Cvijić

Mjerni pretvarač. Uloga mjernog pretvarača je da kompenzovani ili nekompenzovani naizmjenični signal na izlazu iz kompenzatora napona dalje pretvara u pogodan (jednosmjerni) signal preko ispravljačkog mosta ili mjernog pretvarača napona. Naponski komparator. Ovaj element služi za poređenje izlaznog napona iz mjernog pretvarača Vc sa referentnim naponom Vref, i na taj način se određuje signal koji je proporcionalan naponskoj grešci. Ograničavači promjenljivih. Ograničavači predstavljaju elemente za ograničavanje amplituda pojedinih promjenljivih (gdje se može pretpostaviti gornja i/ili donja granica), kao i za ograničenje dozvoljene brzine promjene promjenljive. U sistemima za regulaciju pobude, obično se postavljaju na promjenljive koje utiču na dozvoljenu maksimalnu i minimalnu pobudu. Propusnici veće ili manje promjenljive na ulazu. To su elementi sa dva ulaza i jednim izlazom koji se koriste u kolima upravljanja kada je upravljačka promjenljiva jedna od dvije veličine na ulazu, zavisno od relativnog odnosa jedne prema drugoj [1].

4.6. Stabilizacija sistema za regulaciju pobude Stabilizacija sistema za regulaciju pobude se koristi za opisivanje osnovne stabilizacione povratne sprege pobudnog sistema, odnosno pobudnice i regulatora pobude. U osnovi se sastoji od elemenata pomoću kojih se formiraju elastične povratne sprege (diferencijalni elementi) u cilju poboljšanja dinamičkih performansi sistema za regulaciju pobude. U zavisnosti od tipa pobudnog sistema i primjenjenih komponenata, može se koristiti više stabilizacionih povratnih sprega [1].

4.7. Ograničavači pobude Vrlo je bitno postaviti unaprijed određena ograničenja izlaznih promjenljivih iz pobudnog sistema da bi se omogućio stabilan rad sinhronog generatora kao i da ne dođe do oštećenja na generatoru koja mogu prouzrokavana ovim promjenljivim. Standardno se upotrebljava: ograničavač maksimalne pobude, ograničavač minimalne pobude i ograničavač odnosa napon/frekvencija. Funkcija ograničavača maksimalne pobude je zaštita sinhronog generatora od prekomjernog zagrijavanja usljed dugotrajne povišene struje pobude. Pobudni namotaj generatora se konstruiše tako da kontinualno radi sa pobudnom strujom koja odgovara nominalnom opterećenju. Funkcija ograničenja maksimalne pobude otkriva stanje prekomjerne pobudne struje i poslije određenog vremenskog zakašnjenja djeluje posredstvom automatskog regulatora napona u smjeru smanjenja pobudne struje na prethodno postavljenu vrijednost. Ograničavač minimalne pobude ima zadatak da spriječi smanjenje pobude generatora na nivo, na kome se ugrožava stabilnost sistema pri malim poremećajima ili granično zagrijavanje namotaja statora. Ograničenje minimalne pobude se podešava u koordinaciji sa zaštitom od gubitka pobude ili proračunatom granicom stabilnosti, na osnovu pogonskog P-Q dijagrama sinhronog generatora. Ograničavač odnosa napona/frekvencija se koristi za zaštitu sinhronog generatora i generatorskog blok transformatora od oštećenja izazvanih prekomjernom vrijednosti fluksa pri niskoj frekvenciji i/ili pojavi prenapona. Ograničavač odnosa V/Hz utiče na regulator pobude tako da se pri prekoračenju granice tog dozvoljenog odnosa smanjuje napon na krajevima generatora [1]. 33

Diplomski rad

Duško Cvijić

4.8. IEEE standardizacija matematičkih modela pobudnih sistema U trećoj glavi prikazane su standardne osnovne elektromašinske šeme pobudnih sistema sinhronih generatora. Da bi se mogla vršiti analiza i simulacije sinhronih generatorskih jedinica u raznim studijama regulacije i stabilnosti elektroenergetskih sistema neophodno je sve komponente, pa i pobudni sistem, modelovati što je moguće prostije, ali sa dovoljno detalja značajnih za konkretnu primjenu. U tom domenu za konkretnu primjenu najznačajniji su IEC standardi1 i preporuke američkog IEEE Komiteta za sinhrone mašine i standardu IEEE Std. 421.5 – 19922 u kojima su normirane definicije i modeli koji se mogu primjenjivati u studijama stabilnosti i regulacije elektroenergetskih sistema. U ovom standardu pored klasifikacije pobudnih sistema standardizovani su modeli stabilizatora elektroenergetskih sistema (PSS). Računarski modeli za predstavljanje digitalnih pobudnih sistema takođe su preporučeni od strane IEEE 1996 godine. Opšta klasifikacija pobudnih sistema (DC, AC i ST) shodno vrsti izvora pobudne struje, bila je baza za standardizaciju matematičkih modela prema klasifikacijama IEC i IEEE. Klasifikacija IEEE je najkompletnija i u njoj je standardizovano 16 modelskih struktura pobudnih sistema u formi strukturnih dijagrama, koji predstavljaju širok spektar danas korišćenih pobudnih sistema. Strukturni dijagrami su dati na osnovu matematičkog opisa svih elemenata pobudnog sistema i njihovih međusobnih veza. Te veze su opisane diferencijalnim jednačinama ili prenosnim funkcijama, što u osnovi zavisi od analiziranog konkretnog pobudnog sistema [1], [10]. U nastavku će biti prikazani samo neki od standardizovanih modela prema IEEE standardizaciji, kao i opis osnovnih karakteristika koje model uvažava. 4.8.1 Pobudni sistemi tipa DC prema IEEE standardizaciji Kroz prethodni dio rada naglašeno je da se ovi pobudni sistemi praktično više ne proizvode. Međutim, mnogo takvih pobudnih sistema je ranije proizvedeno i koji se još uvijek mogu naći u pogonu. Pobudni sistemi tipa DC prema IEEE standardizaciji predstavljeni su kroz sljedeće modele [1]: - Model pobudnog sistema DC1A: obrtni jednosmjerni komutatorski pobudni sistem sa regulatorom kontinualnog dejstva; - Model pobudnog sistema tipa DC2A: varijanta obrtnog jednosmjernog komutatorskog pobudnog sistema DC1A, sa ograničenjima izlaznog signala iz regulatora pobude u zavisnosti od napona na krajevima sinhronog generatora; - Model pobudnog sistema tipa DC3A: obrtni jednosmjerni komutatorski pobudni sistem sa diskretnim regulatorom. Za primjer, naveden je model pobudnog sistema tipa DC1A sa osnovnim karakteristikama.

*** „Rotating Electrical Machines“ – Part 16: „Excitation Systems“, IEC International Standard, IEC, Geneve, Switzerland. Chapter 1: Definitions – IEC Publ. 34-16-1: 1991. Chapter 2: Models for Power Systems Studies – IEC Publ. 34-16-2: 1991. Section 3: Dynamic Performance – IEC Publ. 34-16-3: 1996. 2 *** „IEE Recommend Practice for Excitation System Models for Power Systems”, IEEE Std. 421.5 – 1992, IEEE, New-York, NY, USA, 1987. 1

34

Duško Cvijić

Diplomski rad

4.8.1.1 Model pobudnog sistema tipa DC1A U ovu grupu spadaju svi autonomni elektromašinski jednosmjerni pobudni sistemi sa pobudnicama pokretanim preko zajedničkog vratila sa generatorom, a koriste brze sektorske regulatore napona. Na slici 4.6 prikazana je ekvivalentna šema sa dvije različite komutatorske jednosmjerne pobudnice, pobudnica sa nezavisnom pobudom slika 4.6a i pobudnica sa samopobudom slika 4.6b.

Slika 4.6 Ekvivalentna šema za DC pobudnice: (a) sa nezavisnom pobudom; (b) sa samopobudom [9] Prema šemi na slici 4.6 promjena pobudne struje iexF kod jednosmjernih pobudnica je određena sljedećom diferencijalnom naponskom jednačinom:

RexF iexF  LexF

diexF  vR , dt

(4.5)

gdje je: vR - je napon na krajevima pobudnog kola pobudnice, RexF - otpornost, a LexF -induktivnost pobudnog namotaja jednosmjerne pobudnice. Napon na krajevima glavne pobudnice je nelinearna funkcija struje pobude pobudnice iexF usljed efekta zasićenja i struje opterećenja. Za uvažavanje ovih efekata pri modelovanju jednosmjernih elektromašinskih pobudnica koristi se kriva opterećenja pobudnice pri konstantnom otporu Strukturni dijagram pobudnog sistema tipa DC1A sa jednosmjernom komutatorskom pobudnicom prikazan je na slici 4.7 [9].

Slika 4.7 Strukturna šema pobudnog sistema tipa DC1A [10] Matematički model pobudnog sistema DC1A sastoji se od funkcionalnog bloka koji modeluje regulator napona i bloka koji modeluje pobudnicu. Regulator napona sastoji se od diferencijalno-integralnog uskladnog bloka sa vremenskim konstantama TB i TC, (TB=0, TC =0 za tip DC1A), pojačavača okarakterisanog pojačanjem KA i vremenskom konstantom kašnjenja TA, (KA=46,TA=0.06s). Model jednosmjerne komutatorske pobudnice sastoji se od bloka koji modeluje zasićenje i od funkcije prenosa nezasićene pobudnice sa pojačanjem KE koje se proračunava i vremenske konstante TE (TE=0.46s za tip DC1A). Stabilizaciona povratna sprega izvedena je po indukovanoj elektromotornoj sili generatora koja odgovara pobudnom naponu VF sa parametrima KF=0.1 i TF=1s za tip DC1A [1], [10]. 35

Diplomski rad

Duško Cvijić

4.8.2 Pobudni sistemi tipa AC prema IEEE standardizaciji U trećoj glavi rada prikazane su osnovne elektromašinske šeme najznačajnijih tipova AC pobudnih sistema u zavisnosti od primjenjene pobudnice. Na osnovu takvih i sličnih šema formirani su osnovni AC modeli naizmjeničnih pobudnih sistema. Pobudni sistemi tipa AC prema IEEE standardizaciji predstavljeni su kroz sljedeće modele [1]: - Model pobudnog sistema tipa AC1A: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač sa povratnom spregom po pobudnoj struji glavnog generatora; - Model pobudnog sistema tipa AC2A: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač sa visokom vrijednošću početnog odziva; - Model pobudnog sistema tipa AC3A: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač, sa nelinearnom povratnom spregom po naponu pobude glavne pobudnice; - Model pobudnog sistema tipa AC4A: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – regulisani ispravljač; - Model pobudnog sistema tipa AC5A: beskontaktni pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač; - Model pobudnog sistema tipa AC6A: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač, sa elektronskim regulatorom; - Model pobudnog sistema tipa AC7B: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač sa PI digitalnim regulatorom; - Model pobudnog sistema tipa AC8B: pobudni sistem tipa naizmjenični pobudni generator – neregulisani ispravljač sa PID digitalnim regulatorom. U nastavku su navedene osnovne karakteristike pobudnica koje koriste diodne i tiristorske ispravljače prema IEEE. Za primjer je naveden model pobudnog sistema tipa AC4A sa osnovnim karakteristikama, koji se još primjenjuje u praktičnim realizacijama [1].

4.8.2.1 Osnovne karakteristike AC pobudnih sistema prema IEEE Pobudni ispravljač za pobudne sisteme tipa naizmjenični pobudi generatorneregulisani diodni mostni ispravljač, prikazan je na slici 4.8a.

Slika 4.8 Trofazni nekontrolisani diodni mostni ispravljač: (a) ekvivalentna šema; (b) naponsko-strujna karakteristika; (c) strukturni dijagram [9] 36

Duško Cvijić

Diplomski rad

Na slici 4.8b prikazana je naponsko-strujna karakteristika ispravljačkog mosta, a na slici 4.8c prikazan je strukturni dijagram za primjenu u modelima. Oznake na slici 4.8 imaju sljedeća značenja: VE – naizmjenični napon na izlazu iz pobudnice, XE – reaktansa namotaja naizmjenične pobudnice, VF – napon pobude, IF – struja pobude i ISHC – struja kratkog spoja na ispravljaču. Slično kao kod primjene nekontrolisanih diodnih ispravljačkih mostova, upotrebljavaju se i kontrolisani tiristorski mostovi, prvenstveno kod statičkih pobudnih sistema tipa ST kao i kod pobudnog sistema tipa AC4A. Na slici 4.9 prikazana je ekvivalentna šema ovog ispravljača, a na slici 4.9b prikazana je naponsko-strujna karakteristika sa uglom α upravljanja tiristorima [9].

Slika 4.9 Trofazni kontrolisani tiristorski mostni ispravljač: (a) ekvivalentna šema; (b) naponsko - strujna karakteristika sa uglom upravljanja α tiristorima [9] Izlazni napon i struja kontrolisanog tiristorskog ispravljača dati su sljedećim izrazima: VF 

3 2



 VE  cos  

3



X EIF ,

(4.6)

VE

[cos   cos(   )]. (4.7) 2X E Za ugao upravljanja tiristorima α=0° izlazne veličine tiristorskog kontrolisanog ispravljača odgovaraju nekontrolisanom diodnom ispravljaču. Kod naizmjeničnih pobudnica treba skrenuti pažnju na velike vrijednosti sinhronih reaktansi XE, koje dovode do značajnih varijacija napona pobude VF u slučajevima kada se mijenja struja opterećenja. Reaktansa koja se suprostavlja prolazu struje između ispravljača naziva se komutaciona reaktansa i ona teži da spriječi trenutno prebacivanje struje sa jedne na drugu poluprovodničku komponentu, (diodu ili tiristor). Posljedica te pojave je da komutacija zahtjeva neko vrijeme koje se definiše preko komutacionog ugla μ. To vrijeme takođe zavisi i od veličine struje opterećenja koja proizvodi dodatno kašnjenje početka komutacionog procesa [1]. IF 

Kada se struja mijenja od vrijednosti praznog hoda do kratkog spoja definišu se tri operativna moda rada pobudnih ispravljača. Efekat komutacionog pada napona modeluje se preko faktora komutacije (ili faktora opterećenja ispravljača) FEX, koji je nelinearna funkcija struje opterećenja (struja pobude generatora IF) i napona na izlazu naizmjenične pobudnice VE, (FEX=FEX(IF,VE)) [1]. 37

Duško Cvijić

Diplomski rad

Sljedeće jednačine definišu ponašanje ispravljača u funkciji od komutacionog pada napona: (4.8) VF  FEX ( I N )VE ,

KC I F , dok je KC faktor koji zavisi od komutacione reaktanse. VE Kada se IN nalazi između vrijednosti 0 i 1 faktor opterećenja je određen sljedećim jednačinama: gdje je FEX  f ( I N ), I N 

FEX

IN     Mod I : 1  3 , 0  I N  0.433,   (0  60 ), ugao zakašnjenja je 0 , (4.9a )    Mod II : 0.75  I N2 , 0.433  I N  0.75,   60 , ugao zakašnj. je (0  30 ), (4.9b)     Mod III : 3 (1  I N ), 0.75  I N  1,   (60  120 ), ugao zakašnj. je 30 . (4.9c) 

Razmatranje tako širokog radnog opsega pobudnih ispravljača prvenstveno je potrebno u slučaju modelovanja neregulisanih ispravljača, jer većina regulisanih ispravljačkih mostova radi u oblasti definisanoj kao mod I, pa se efekat komutacionog pada napona opisuje jednačinom koja definiše FEX kao linearno zavisnu funkciju od IN [1].

4.8.2.2 Model pobudnog sistema tipa AC4A Pobudni sistem tipa AC4A odlikuje se visokom vrijednošću početnog odziva. Njegov model prikazan je na strukturnoj šemi na slici 4.10, i znatno se razlikuje od drugih tipova pobudnih sistema tipa AC koji su navedeni u glavi 4.8.2. U izlaznom kolu ovaj pobudni sistem ima punoupravljivi tiristorski most koji radi u modu I. Regulator napona kontroliše ugao paljenja „gate“-a tiristorskog mosta i na taj način se održava pobudni napon VF glavnog sinhronog generatora na željenoj vrijednosti.

Slika 4.10 Strukturna šema pobudnog sitema tipa AC4A [10] Naizmjenični pobudni generator nije posebno modelovan, već je predstavljen preko ograničenja (VRmax-KCIF i VRmin-KCIF), kojim se modeluje ograničenje pobudnog ispravljača, usljed tranzijentnog efekta opterećenja (pobudna struja IF) i pada napona zbog prisustva komutacione reaktanse (koeficijent KC). Stabilizacija sistema se najčešće ostvaruje preko izbora vremenskih konstanti TB i TC rednog-diferencijalnog uskladnika pomoću kojeg se vrši prolazno smanjenje pojačanja. Ekvivalentno pojačanje označeno je sa KA, a vremenska konstanta pridružena regulatoru i kolu za paljenje tiristora sa TA . Tipične vrijednosti ovih parametara za pobudni sistem tipa AC4A su date sljedećim vrijednostima: TC =1, TB =10, TA =0.015, KA =200, KC =0, VImax =10, VImin =-10, VRmax =5.64 i VRmin = -4.53 [1]. 38

Diplomski rad

Duško Cvijić

4.8.3 Pobudni sistemi tipa ST prema IEEE standardizaciji Kod statičkih pobudnih sistema tipa ST sve karakteristike vezane za pobudne ispravljače ostaju iste kao što je objašnjeno u glavi 4.8.2.1. Sada se umjesto naizmjeničnog generatora koji se koristio kod pobudnih sistema tipa AC koristi pobudni transformator. Pobudni sistemi tipa ST prema IEEE standardizaciji predstavljeni su kroz sljedeće modele [1]: Model pobudnog sistema tipa ST1A: statički samopobudni sistem napajan iz pobudnog transformatora bez kompaundacije sa regulisanim ispravljačem i analognim regulatorom pobude; - Model pobudnog sistema tipa ST2A: statički samopobudni sistem napajan preko pobudnog transformatora sa kompaundacijom po struji opterećenja sa neregulisanim ispravljačem i analognim regulatorom pobude; - Model pobudnog sistema tipa ST3A: statički naizmjenični samopobudni sistem napajan preko pobudnog transformatora sa kompaundacijom sa regulisanim ispravljačem i analognim regulatorom pobude; - Model pobudnog sistema tipa ST4B: statički naizmjenični samopobudni sistem napajan preko pobudnog transformatora sa ili bez kompaundacije sa regulisanim ispravljačem i PI digitalnim regulatorom pobude; - Model pobudnog sistema tipa ST5B: statički naizmjenični samopobudni sistem napajan preko pobudnog transformatora bez kompaundacije sa regulisanim ispravljačem i digitalnim regulatorom pobude. Za primjer, naveden je model pobudnog sistema tipa ST1A sa osnovnim karakteristikama. -

4.8.3.1 Model pobudnog sistema tipa ST1A Ovaj pobudni sistem je namijenjen za predstavljanje svih naizmjeničnih samopobudnih sistema tipa pobudni transformator bez strujne kompaundacije i regulisani ispravljač. Model pobudnog sistema ST1A prikazan je na strukturnoj šemi na sici 4.11.

Slika 4.11 Strukturna šema pobudnog sistema tipa ST1A [6] U pobudnim sistemima ovog tipa inherentne vremenske konstante pobudnice su vrlo male, pa se ne zahtijeva stabilizacija same ispravljačke pobudnice (kada se stavlja KF =0). Tranzijentno smanjenje pojačanja (ako je potrebno) može se izvesti pogodnim izborom vremenskih konstanti TB i TC u funkciji prenosa regulatora, ili preko izbora parametara KF i TF u grani stabilizacione povratne sprege. Pojačanje regulatora napona i 39

Duško Cvijić

Diplomski rad

inherentna vremenska konstanta pobudnog sistema modeluju se preko izbora parametara KA i TA. Podešavanjem vremenskih konstanti TC1 i TB1 modeluje se prolazno povećanje pojačanja, pri čemu je obično TC1>TB1. Način podešavanja ugla paljenja tiristora na ispravljačkom mostu utiče na ulaznoizlaznu karakteristiku, za koju se predpostavlja da je u modelu linearna i predstavljena jednostavno pomoću pojačanja KA (što je za većinu sistema ovog tipa korektno). Uticaj komutacionog pada napona na maksimalnu vrijednost napona pobude modeluje se preko faktora KC, koji zajedno sa strujom IF i naponom VE određuje gornje ograničenje normalizovanog napona pobude VF. U velikom broju slučajeva unutrašnji ograničavač signala VI, iza sumatora na ulazu u regulator, na slici 4.11 može se izostaviti, ali se moraju modelovati ograničenja napona pobude, koja zavise od ET i IF. Ova ograničenja ne postoje kada se ispravljačka pobudnica napaja sa sabirnica sopstvene potrošnje elektrane, a ne sa krajeva generatora. Kod većine ispravljačkih pobudnih sistema napajanih preko pobudnog transformatora komutaciona konstanta KC je vrlo mala, tako da se u mnogim konkretnim modelima pobudnih sistema ovog tipa efekat komutacione reaktanse može zanemariti. Ovi efekti na slici 4.11 nisu uključeni u donje ograničenje na VF, jer su zbog male vrijednosti strije pobude IF u takvim režimima zanemarljivi. Budući da ima visoke mogućnosti forsiranja pobude ovaj pobudni sistem, radi zaštite pobudnog namotaja sinhronog generatora ponekad primjenjuje ograničenje pobude, koje se određuje preko podešavanja ILR, dok je pojačanje predstavljeno preko bloka KLR. Tipične vrijednosti parametara za pobudni sistem tipa ST1A koji je napajan sa krajeva generatora bez prolaznog smanjenja pojačanja i sa diskontinualnim regulatorom pobude date su sljedećim vrijednostima: TC =1, TB =1, TA =0, TB1 =0, TC1 =0, KA =210, KC =0.038, VImax, VImin - nisu predstavljeni, VRmax =6.43, VRmin = -6, KF =0, TF =0, KLR =4.54, i ILR =4.40 [1]. 4.8.4 Modeli stabilizatora EES-a prema IEEE standardizaciji Prema IEEE standardu Std. 421.5-1992 definisana su dva osnovna tipa stabilizatora EES-a, označeni kao tip PSS1A sa jednom ulaznom veličinom slika 4.12 i tip PSS2A sa dvije ulazne veličine slika 4.13, koji se primjenjuje na pobudne sisteme sa digitalnim regulatorom pobude. Na navedenim slikama navedena su značenja pojedinih funkcionalnih blokova. Ulazne veličine u stabilizator EES-a objašnjene su u tački 4.3.1.1÷4.3.3. [10].

Slika 4.12 Strukturna šema stabilizatora EES-a tip PSS1A [6]

Slika 4.13 Strukturna šema stabilizatora EES-a tip PSS2A [6] 40

Duško Cvijić

Diplomski rad

4.9. Uticaj pobudnog sistema na stabilnost EES-a Problem stabilnosti elektroenergetskog sistema (EES-a) je generalno širok problem, i isključivo se vezuje za ugaonu stabilnost sinhronih generatora preko održavanja sinhronizma generatora u EES-u. Za sinhroni generator vezuje se i pojam naponske stabilnosti. U EES-u stalno dešavaju promjene, počevši od malih promjena kao što su promjene pogonskog stanja jer se stalno mijenja potrošnja, broj angažovanih agregata kao i struktura mreže, pa sve do velikih promjena, odnosno poremećenih radnih stanja kao što su kratki spojevi. Te promjene dovode i do promjena ključnih parametara u sistemu. Na osnovu karaktera opisanih poremećaja ugaona stabilnost se u osnovi klasifikuje na stabilnost pri malim poremećajima (statička stabilnost) i na stabilnost pri velikim poremećajima (tranzijentna stabilnost) [5]. U nastavku je opisan uticaj pobudnog sistema na statičku, tranzijentnu i naponsku stabilnost sinhronih generatora u EES-u, u opštem slučaju. Pretpostavlja se realna činjenica, da je svaki pobudni sistem opremljen automatskim regulatorom napona (ARN) koji zauzima centralno mjesto u ovoj analizi. Da bi se imala što bolja slika o uticaju automatskog regulatora napona na stabilnost, prvo je objašnjen efekat djelovanja automatskog regulatora napona na prigušne namotaje. 4.9.1 Efekat djelovanja ARN-a na prigušne namotaje Da bi se pokazao efekat djelovanja automatskog regulatora napona na prigušne namotaje, posmatrajmo prvo sinhroni generator koji je vezan na EES sa isključenim automatskim regulatorom napona. Dinamička jednačina koja opisuje ovo stanje sinhronog generatora je data sljedećim izrazom (smatra se da se dešavaju poremećaji koji su slabog intenziteta pa je dozvoljena njena linearizacija) [8]:

Ti

d 2  d  KD  K S   0. 2 dt dt

U jednačini (4.10) navedene veličine imaju sljedeća značenja: Ti  d  prigušna komponenta momenta i K S  dt M e  M e momenta. Sinhronizacioni koeficijent K S     

sistema, K D

(4.10) 2H

n

 konstanta inercije

 sinhronizaciona komponenta

  određuje se prema ugaonoj  0 karakteristici sinhronog generatora za aktivnu električnu snagu (odnosno električni moment) sa tranzijentnim vrijednostima elektromotorne sile Eq' i sinhrone reaktanse X d' . Da bi se pojednostavilo razmatranje u obzir je uzet samo jedan prigušni namotaj i to po d-osi. Promjena ugla rotora δ dovodi do promjene mehaničke brzine  , tako da se u prigušnim namotajima prema zakonu elektromagnetne indukcije indukuje odgovarajuća elektromotorna sila proporcionalna promjeni brzine. Struja koja je određena ovom elektromotornom silom proizvodi fluks koji u interakciji u međugvožđu proizvodi prirodnu komponentu prigušnog momenta. Na slici 4.14 prikazan je fazorski dijagram za d-osu prigušnog namotaja. Indukovana elektromotorna sila e D (  ) je u fazi sa promjenom brzine

. Prigušni namotaj ima veliku aktivnu otpornost što znači da indukovana struja i D (  ) koja je posljedica promjene brzine zaostaje za e D (  ) za ugao manji od  2. Komponenta 41

Duško Cvijić

Diplomski rad

ove struje po d-osi koja je u fazi sa  stvara prirodni prigušni moment, a poprečna komponenta koja je u fazi sa  poboljšava sinhronizacionu komponentu električnog momenta.

Slika 4.14 Fazorski dijagrami priraštaja oscilacija sa frekvencijom oscilovanja Ω (u rad/s) za prigušni namotaj: (a) za slučaj prirodnog prigušenja; (b) za pobudni i prigušni namotaj u transformatorskoj predstavi za d-osu; (c) za slučaj prirodnog i vještačkog prigušenja [9] Sada sprovedimo analizu koja će uključiti uticaj automatskog regulatora napona. Posmatra se stacionarno stanje u kojem je pobudna struja dostigla ustaljenu vrijednost, tako da je i indukovana elektromotorna sila E q  E F konstantna. Prigušni i pobudni namotaj su skoncentrisani po d-osi, pa imaju isti magnetski put. To znači da imamo dva namotaja koja su zajedno magnetski spregnuta i koja možemo predstaviti kao na slici 4.14b. Fluks koji proizvodi pobudna struja koja je posljedica pobudnog napona obuhvata prigušni namotaj koji ima veliku aktivnu otpornost RD i u njemu indukuje dodatnu struju i D ( E F ) koja zaostaje za  E F . Na slici 4.14c je prikazan položaj ovih fazora. Poprečna komponenta struje i D ( E F ) je u direktnoj opoziciji sa poprečnom komponentom struje i D (  ) . Komponenta struje i D ( E F ) je upravo posljedica pobudnog napona sa kojim upravlja automatski regulator napona, dok je druga komponenta struje i D (  ) posljedica odstupanja brzine od sinhrone i odgovorna je za prirodno prigušenje. Dakle, regulacijom pobudnog napona sa automatskim regulatorom napona koji reaguje samo na signal greške, slabi se prirodno prigušenje. Ovaj efekat slabljenja se naziva vještačkim prigušenjem. Vještačko prigušenje je jače za veću struju i D ( EF ) . Ova struja je s druge strane proporcionalna varijacijama u  E F i V koje su izazvane promjenom ugla  . Sada se jednačini (4.10) može dodati i prigušna komponenta momenta K D Eq' , gdje je koeficijent vještačkog prigušenja određen sa,

KD 

M e . Postojanje prigušne E q'

komponente električnog momenta je posljedica indukovanja elektromotorne sile koja potiče od pobudne struje, a sa kojom upravlja automatski regulator napona koji se nalazi u sastavu pobudnog sistema [8], [9].

42

Duško Cvijić

Diplomski rad 4.9.2 Kompenzacija negativne prigušne komponente

U ekstremnom slučaju znatno opterećenog generatora priključenog preko prenosnog voda na EES, veliko pojačanje u naponskom regulatoru može prouzrokovati negativno prigušenje koje može dovesti do postepene oscilatorne nestabilnosti sinhronog generatora. Ovaj štetan efekat može biti iskompenzovan upotrebom dodatne upravljačke konture realizovane sa stabilizatorom EES-a, koji je objašnjen u glavi 4.3.1 [9]. 4.9.3 Uticaj ARN-a na statičku stabilnost sinhronih generatora Statička stabilnost ili stabilnost na male poremećaje odnosi se na ispitivanje stabilnosti rada sinhronog generatora u nekom stacionarnom stanju, uvažavajući male promjene koje se dešavaju tokom rada sistema. Vremenski period od interesa pri malim poremećajima sistema je između 10 i 20 sekundi nakon pojave poremećaja. Stabilnost sistema u osnovi zavisi od postojanja sinhronizacione i prigušne komponente momenta [5]. Kako bi se pokazao uticaj automatskog regulatora napona na održavanje stabilnog rada sinhronog generatora na male poremećaje, pretpostavimo da se sinhroni generator (za primjer posmatramo hidrogenerator) nalazi u stacionarnom stanju u radu na mreži EES-a. Ako se generator opterećuje, a ne mijenja struja pobude, dolazi do povećanja ugla opterećenja. Kako se povećava ugao opterećenja povećava se i aktivna električna snaga koju generator predaje mreži. Ovakvo stanje se može nastaviti sve dok generator ne dođe na granicu krive snaga-ugao (slika 4.15) kojom je određena maksimalna aktivna snaga koju generator predaje mreži.

Slika 4.15 Karakteristika snaga-ugao sinhronog hidrogeneratora Aktivna snaga za hidrogenerator određuje se na osnovu ugaone karakteristike Pe–δ koja je data sljedećim izrazom: Pe ( ) 

E qU G Xd

sin  

U G2 2

 1 1    sin 2 . X   d Xq 

(4.11)

Kriva snaga-ugao na slici 4.15 je dobijena rješavanjem izraza 4.11 u programskom paketu MATLAB, sa stvarnim vrijednostima parametara sinhronog hidrogeneratora 43

Diplomski rad

Duško Cvijić

HE "Bočac" koji su dati za nominalni radni režim sljedećim vrijednostima: Sn=65 MVA, Un=10.5 kV, Eqn=17.85 kV, xd=97%, xq=59% i cosφn=0.85. Sa slike 4.15 se vidi da je maksimum odate aktivne snage za slučaj hidrogeneratora pomjeren ka vrijednostima uglova manjim od 90  . To je posljedica postojanja reluktantne komponente snage koja u zbiru sa sinhronom daje rezultantnu karakteristiku snaga-ugao. Za posmatrani sinhroni generator sa navedenog dijagrama se očitava: δmax=δgr=70° i P(δ)max=124[MW]. Iznad ove vrijednosti generator postaje statički nestabilan, snaga Pe se smanjuje, ugo  se povećava i generator se počinje obrtati nadsinhrono što dovodi do njegovog ispada iz sinhronizma i gubitka stabilnost. Dakle, rad generatora je moguć na P ( ) uzlaznom dijelu krive Pe–δ u oblasti u kojoj je Ps  e  0. Ovaj izraz predstavlja i  kriterijum za ispitivanje statičke stabilnosti, i naziva se sinhronizacionom snagom [2], [5]. Iz izraza (4.11) se vidi da u sinhronoj komponenti snage (čiji je uticaj i najveći u rezultantnoj snazi) pored napona generatora i ugla opterećenja  učestvuje i indukovana elektromotorna sila Eq koja potiče od pobudne struje generatora. Sinhrone reaktanse Xd i Xq za stacionarno stanje su konstantne veličine. Pobudna struja direktno određuje da li je generator u induktivnom ili kapacitivnom području rada. Povećavanjem pobudne struje kojom upravlja automatski regulator napona povećava se i indukovana elektromotorna sila, odnosno komponenta sinhrone snage i generator se udaljava od granice stabilnosti. Ponekad se pojavljuje problem u slučaju dostizanja ograničenja regulatora napona kad generator praktično prelazi u rad s konstantnom pobudom. Sa neprekidnim djelovanjem automatskog regulatora napona problem stabilnosti na male poremećaje se svodi na osiguravanje zadovoljavajuće prigušne komponente momenta [5], [9]. 4.9.4 Uticaj ARN-a na tranzijentnu stabilnost sinhronih generatora U slučaju velikog poremećaja uticaj automatskog regulatora napona je sličan uticaju pri malim poremećajima. Odmah nakon nastanka i prestanka poremećaja, pravilno podešen automatski regulator napona može spriječiti gubitak sinhronizma. Kada se dogodi kvar, napon na sabirnicama generatora pada i automatski regulator napona osjeća veliku regulacionu grešku ∆V. Na veliku regulacionu grešku automatski regulator napona će djelovati tako što će omogućiti da se poveća pobudna struja. U slučaju kada nema automatskog regulatora napona, kada se desi neki poremećaj sistem će izgubiti stabilnost, kao što je prikazano na slici 4.16a. Uticaj automatskog regulatora napona prikazan je na slici 4.16b, gdje on omogućava povećanje pobudne struje što dovodi do povećanja tranzijentne elektromotorne sile Eʹq. Povećanje tranzijentne elektromotorne sile Eʹq može se prikazati skupom karakteristika snaga-ugao Pe(δʹ) za različite vrijednosti Eʹq. Brzoreagujući automatski regulator napona i pobudnica mogu povećati napon pobude VF do svoje maksimalne vrijednosti prije otklanjanja kvara, mada će promjena struje pobude, a time i Eʹq kasniti zbog vremenske konstante pobudnog namotaja sinhronog generatora Tʹd. Povećanje pobudne struje, a time i Eʹq, ima dva pozitivna uticaja. Prvo, kako se Eʹq povećava, smanjuje se snaga ubrzavanja i područje ubrzavanja ograničeno tačkama 1-2-3-4 se malo smanji. Drugo, kada se ukloni kvar, sistem će slijediti višu karakteristiku Pe–δ koja odgovara novome Eʹq, pa je dostupno veće područje usporavanja. U primjeru na slici 4.14b rotor dostiže najveću snagu u tački 6, a područje usporavanja označeno tačkama 4-5-6-6’ je jednako području ubrzavanja 1-2-3-4 prije vraćanja u ravnotežnu tačku. Iako 44

Diplomski rad

Duško Cvijić

brzo-reagujući automatski regulator napona smanjuje prvu oscilaciju rotora, on može povećati drugu i ostale oscilacije što zavisi od parametara sistema, odnosno dinamičkim karakteristikama automatskog regulatora napona i vremenske konstante pobudnog namotaja [9].

Slika 4.16 Područje ubrzavanja i usporavanja rotora kada je uticaj automatskog regulatora napona: a) zanemaren i b) uključen [9] Dakle, poboljšanje tranzijentne stabilnosti moguće je postići putem brzih privremenih povišenja pobudnog napona generatora upravljanog od strane automatskog regulatora napona. To povišenje tokom prelaznih poremećaja utiče na povećanje tranzijentne elektromotorne sile Eʹq koja povisuje sinhronu snagu generatora. Održanje tranzijentne stabilnosti u ovom slučaju zavisi od sposobnosti pobudnog sistema da brzo poveća pobudni napon na najveću moguću vrijednost. Pobudni sistemi sa visokim inicijalnim odzivima i visokim vrijednostima maksimalnog napona pobude u ovom pogledu su znatno efikasniji. Međutim, brz odziv pobudnog sistema na promjene napona generatora koji se zahtijeva za poboljšanje tranzijentne stabilnosti često uvodi smanjenje prigušenja lokalnog moda oscilacija. Upotrebom stabilizatora EES-a uvodi se odgovarajuće prigušenje oscilacija u sistem, te omogućava korišćenje pobudnih sistema sa visokim odzivom. Korišćenje pobudnih sistema s visokim inicijalnim odzivom koji su opremljeni stabilizatorom EES-a najefikasnija je i najekonomičnija metoda poboljšanja ukupne stabilnosti sistema [5], [9]. 4.9.5 Uticaj ARN-a na održavanje naponske stabilnosti Sinhroni generatori sa svojom regulacijom i zaštitom predstavljaju jedan od elemenata koji imaju ključnu ulogu u održavanju naponske stabilnosti i izazivanju naponske nestabilnosti. Sinhroni generatori sa automatskim regulatorima napona su osnovni regulacioni uređaji za regulaciju napona u EES-u. U normalnim uslovima naponi na izvodima generatora moraju se održavati konstantnim. U uslovima sniženih napona u sistemu, zahtjevi za reaktivnom snagom na generatorima mogu izazvati prekoračenje granične pobudne i/ili statorske struje. Kada reaktivna snaga na izlazu iz generatora 45

Duško Cvijić

Diplomski rad

dostigne graničnu vrijednost tada se naponi na tim izvodima ne mogu više održati konstantnim. Pobudna struja generatora je ograničena svojom graničnom vrijednosti. Sa ograničenjem pobudne struje tačka konstantnog napona je iza sinhrone reaktanse, što dovodi do pogoršanja stanja u pogledu naponske nestabilnosti [5]. Kako je u osnovi uzrok naponske nestabilnosti nedostatak reaktivne snage u dijelu sistema, veoma je važno u analizi naponske stabilnosti odrediti koje su mogućnosti i ograničenja radnih režima sinhronog generatora po pitanju generisanja reaktivne snage pri promjenama napona. U tu svrhu važno je posmatrati ugaonu karakteristiku za generisanu reaktivnu snagu sinhronog generatora. Za primjer se posmatra hidrogenerator pa je ova karakteristika data sljedećim izrazom [5]:  cos 2  sin 2   . Qe ( )  cos   U   (4.12)  X  Xd X q d   Generisana reaktivna snaga sinhronog generatora koristeći izraz (4.12) može se odrediti na osnovu pogonskog dijagrama sinhronog generatora. Pogonski dijagram na slici 4.17, dobijen je u programu MATLAB sa osnovnim podacima sinhronog generatora HE "Bočac", Sn=65 MVA, Un=10.5 kV, xd=97%, xq=59% i cosφn=0.85. EqU G

2 G

Slika 4.17 Pogonski dijagram sinhronog generatora sa granicom maksimalne pobude Na pogonskom dijagramu označene su veličine bitne za analizu naponske stabilnosti, odnosno generisana reaktivna snaga ako se za ograničenje uzme zagrijavanje statorskog namotaja, kao i zagrijavanje pobudnog namotaja, tj. maksimalna dozvoljena pobudna struja. Nominalna radna tačka (Pn=55 MW i Qn=34 MVAr) dobijena je u presjeku kruga konstantne prividne snage S n2  P 2  Q 2 , (odnosno ograničenja po struji statora) koji je označen plavom linijom i krive linije snage pri maksimalnoj pobudnoj struji, koja ujedno definiše i granicu maksimalne pobude (označena crvenom isprekidanom linijom). Sa pogonskog dijagrama se vidi da je pri nominalnom naponu reaktivna snaga ograničena zagrijavanjem pobudnog namotaja, dok se ograničenje usljed zagrijavanja statorskog namotaja javlja jedino ako napon padne ispod nominalne vrijednosti. Regulacija napona na generatoru ostvaruje se promjenom generisane reaktivne snage upravljanjem od strane pobudnog sistema. Ukoliko je sinhroni generator opterećen aktivnom snagom manjom od nominalne, on je u stanju dati veću reaktivnu snagu od nominalne [5]. 46

Diplomski rad

Duško Cvijić

4.10. Zahtjevi za upravljačku strukturu i upravljački režimi Upravljačka struktura zavisi od načina rada sinhronih generatora i osnova upravljačke strukture je automatski regulator napona. Zahtjevi s obzirom na način rada sinhronih generatora su:   

otočni rad generatora; rad generatora (elektrane) u elektroenergetskom sistemu; dijeljenje reaktivne snage između generatora.

Kod rada generatora u otočnom radu osnovni zahtjev je regulacija napona, reaktivna snaga zavisi od opterećenja. Dodavanjem regulatora napona (uz ispravno podešavanje) vrijednost napona generatora drži se na vrijednosti zadatom referencom. Kod rada generatora (elektrane) u elektroenergetskom sistemu osnovni zahtjev je regulacija reaktivne snage, a tu se još dodaje i režim regulacije napona na zajedničkim sabirnicama elektrane ili režim kombinovane regulacija napona i reaktivne snage shodno statičkoj U–Q karakteristici elektrane. Ukoliko se reaktivna snaga generatora reguliše promjenom reference napona potrebno je dodati regulacionoj strukturi kompenzaciju po reaktivnoj snazi generatora. Kompenzacijom se osigurava padajuća karakteristika generatora, a realizuje se na način da se naponu generatora dodaje signal proporcionalan reaktivnoj snazi. Kod dijeljenja reaktivne snage između generatora treba razlikovati dva radna režima i to: rad više generatora u elektroenergetskom sistemu (rad elektrane) i rad više generatora na sopstvenoj mreži. U radu više generatora u elektroenergetskom sistemu postoji grupni regulator koji dijeli zadatu veličinu reaktivne snage u zavisnosti od broja generatora koji sudjeluju u dijeljenju snage. Opšta principijelna šema dijeljenja reaktivne snage između dva agregata kao i upravljanje njihovim naponskim režimom pri radu elektrane u elektroenergetskom sistemu prikazana je na slici 4.18. [1].

Slika 4.18. Principijelna šema regulacije naponsko – reaktivnog režima sa dva agregata u radu elektrane u elektroenergetskom sistemu 47

Diplomski rad

Duško Cvijić

Sa slike se može uočiti da se grupna regulacija naponsko-reaktivnim režimom manifestuje kroz dodatno dejstvo zajedničkog centralnog regulatora na nivou elektrane, koje se superponira na spontano dejstvo individualnih primarnih regulatora pobude svakog od generatora. Grupni regulator se u osnovi sastoji od dva odvojena regulatora i to od regulatora režima i regulatora raspodjele. Regulator režima ima zadatak da održava izabranu režimsku veličinu (napon na zajedničkim sabirnicama, zbirnu reaktivnu snagu elektrane ili njihovu kombinaciju), a regulator raspodjele održava željenu stacionarnu raspodjelu neophodnog ili zadatog reaktivnog opterećenja elektrane, između generatora u pogonu, koja obezbjeđuje održavanje izabrane režimske veličine [1]. U radu više generatora na sopstvenoj mreži nema grupnog regulatora i regulatori pobude na generatorima su međusobno povezani komunikacijskim vezama kao na slici 4.19. Ukupni iznos reaktivne snage određen je potrošačima na sabirnicama i potrebno je osigurati zadatu vrijednost napona sabirnica uz dijeljenje reaktivne snage između agregata.

Slika 4.19. Dijeljenje reaktivne snage u radu više generatora na sopstvenoj mreži

48

Diplomski rad

Duško Cvijić

5. STRUKTURA STATIČKOG POBUDNOG SISTEMA I TEHNIČKE KARAKTERISTIKE OPREME U okviru treće glave prethodnog dijela rada opisani su osnovni tipovi i navedeni su osnovni zahtjevi prema vidu primjene statičkih pobudnih sistema. Uzimajući u obzir vrlo široku primjenu statičkih pobudnih sistema zbog svojih odličnih performansi, cilj ove glave je da se predstavi cjelokupna struktura standardnog statičkog pobudnog sistema sa svim funkcijama koje može da omogući. Takođe je, opisan način izbora opreme, vrsta i osnovne karakteristike opreme za realizaciju ovakvih pobudnih sistema. Na kraju je opisan konkretan primjer statičkog pobudnog sistema HE "Bočac".

5.1. Prednosti i struktura statičke pobude U poređenju sa ostalim tipovima pobudnih sistema prednosti statičke pobude su:             

velika brzina regulacije; kratko vrijeme razbuđivanja; velika pouzdanost; velika raspoloživost i rezerva; visok faktor iskorišćenja; optimalna zaštita pobudnog namotaja; kratka dužina osovine generatora; nepostojanje rotirajućih dijelova; niski troškovi održavanja; laka ugradnja u nove i postojeće objekte; mogućnost primjene električnog kočenja agregata; nezavisnost dimenzija od brzine i snage sinhronog generatora; lako prilagođavanje na različite veličine i tipove generatora [11].

Mikroprocesorski upravljački sistemi u odnosu na stare analogne sisteme imaju takođe niz prednosti [11]:          

visoku tačnost i pouzdanost; veliku brzina rada; viši nivo komunikacije i automatizacije u odnosu na postrojenje; egzaktna ponovljivost i dugotrajna stabilnost karakteristika; jednostavno podešavanje parametara i vršenje eventualnih promjena bez zahvata na uređajima i ožičenju; mogućnost realizacije redundantnih struktura; povećane mogućnosti internog nadzora, dijagnostike i samodijagnostike; olakšano ispitivanje i puštanje u rad; jednostavno održavanje; standardizacija uređaja i smanjenje broja različitih elektronskih modula.

Navedene osobine omogućavaju povećanje kvaliteta rada, pouzdanost i raspoloživost kako pobudnog sistema tako i čitavog postrojenja čime se smanjuju troškovi rada i održavanja. Strukturna šema sa osnovnim komponentama koje čine statički pobudni sistem sa tiristorskim punoupravljivim ispravljačem i digitalnim regulatorom pobude prikazana je na slici 5.1. Prema IEEE standardizaciji ovaj tip pobudnog sistema označen je 49

Duško Cvijić

Diplomski rad

kao ST5B ili statički naizmjenični samopobudni sistem sa regulisanim ispravljačem i digitalnim regulatorom pobude. Osnovne komponente ovog pobudnog sistema su: digitalni automatski regulator pobude, tiristorski ispravljač, pobudni transformator, kolo za razbuđivanje, upravljačka i zaštitna kola. Sistem za regulaciju pobude je mikroprocesorski upravljački sistem koji pored regulacije napona omogućava nadzor, upravljanje, zaštitu, komunikaciju i dojavu. Sistem je automatizovan, prilagođen je da omogućava upravljanje sa operatorskog panela kao iz nadređenog upravljačkog centra.

Slika 5.1 Strukturna šema statičkog pobudnog sistema [11]

5.2. Mikroprocesorski sistem upravljanja pobudnim sistemom Sistem upravljanja statičkim pobudnim sistemom bazira se na mikroprocesorskom sistemu koji je prilagođen zahtjevima statičkih pobudnih sistema. Centralno mjesto u cjelokupnom sistemu je snažna programibilna mikroprocesorska jedinica (CPU), čija je struktura prikazana na slici 5.2. Ona omogućava programsko izvođenje složenih zadataka upravljanja i regulacije pobude u realnom vremenu. Odlikuje se visokom tačnošću, pouzdanošću i brzinom. Sam digitalni sistem za regulaciju pobude sastoji se od [11]:   

programabilne mikroprocesorske jedinice; elektronskih modula procesorske jedinice; elektronskih modula za prilagođavanje, filtriranje i A/D pretvaranje mjernih ulaznih promjenljivih veličina generatora; 50

Diplomski rad     

Duško Cvijić

elektronskih modula digitalnih ulaza i izlaza; elektronskih modula za prilagođavanje digitalnih ulaza i izlaza; elektronskog modula za generisanje impulsa; elektronskog modula za D/A i A/D pretvaranje; elektronskog modula za A/D D/A pretvaranje.

Slika 5.2 Strukturna šema digitalnog automatskog regulatora pobudnog sistema [11]

5.3. Osnovne funkcije mikroprocesorskog upravljačkog sistema Mikroprocesorski sistem upravljanja statičkim pobudnim sistemom omogućava sljedeće funkcije [11]: 1. 2. 3. 4. 5.

regulaciju; logičko i sekvencijalno upravljanje; komunikaciju; zaštitu i nadzor; dojavu i dijagnostiku.

Sve ove funkcije omogućava centralna procesorska jedinica (CPU), na kojoj je zasnovan sistem upravljanja. Većina pobudnih sistema u ovoj formi realizacije omogućava i proširenje sa dodatnim jedinicama, kao i izvođenje rezervne konfiguracije, na primjer sa dva nezavisna regulatora napona. 51

Duško Cvijić

Diplomski rad 5.3.1 Regulacija 

Regulacija napona generatora. Regulacija napona se ostvaruje poređenjem mjerenih vrijednosti napona sa zadatom vrijednošću, a u slučajevima odstupanja generator impulsa upravlja okidnim impulsima tiristora i na taj način postavlja pobudnu struja na potreban iznos. Standardni regulacioni algoritmi u regulaciji napona obuhvataju mjerenje i formiranje mjernog signala i osnovno regulaciono djelovanje koje obuhvata [11]: o o o o

formiranje referentnog signala, formiranje regulacionog signala odstupanja, selektore maksimalnog i minimalnog signala za priključak ograničavača; odgovarajući zakon upravljanja.

U okviru regulacije sprovedena su i određena ograničenja za sljedeće promjenljive generatora: o o o o

trenutno i vremenski ograničenje pobudne struje; vremensko ograničenje struje statora u induktivnom području; trenutno ograničenje struje statora u kapacitivnom području; ograničenje minimalne pobudne struje.

Da bi regulacija u potpunosti zadovoljila sve neophodne funkcije koje su potrebne u procesu upravljanja izvode se i dodatne regulacione funkcije: o kompenzacija spoljne karakteristike generatora po reaktivnoj i aktivnoj struji generatora; o frekvencijska kompenzacija napona generatora u procesu pokretanja, o postepeno povećanje napona u procesu pokretanja; o praćenje izlaza rezervne regulacije; o rasterećenje po reaktivnoj snazi. Nadređene regulacione funkcije obuhvataju:





o stabilizator elektroenergetskog sistema (PSS); o regulator reaktivne snage; o regulator faktora snage. Rezervna regulacija (regulacija po struji pobude). U slučaju kvara u kolu regulacije napona statički pobudni sistemi obično se realizuju sa regulatorom struje pobude. Struja pobude mjeri se na naizmjeničnoj strani tiristorskog ispravljača, upoređuje sa zadatom vrijednošću, a u slučaju odstupanja pojačana vrijednost te razlike preko generatora impulsa upravlja tiristorskim okidnim impulsima, i na taj način postavlja pobudnu struju na potreban iznos. Prelaz sa automatske na rezervnu regulaciju treba da se omogući bez oscilacija i udaraca reaktivne snage. Standardni regulacioni algoritmi u regulaciji struje pobude obuhvataju [11]: o mjerenje i prilagođavanje signala pobudne struje, o formiranje referentnog signala, o formiranje signala regulacionog odstupanja; o odgovarajući zakon upravljanja. o automatsko praćenje izlaza regulatora napona. Generisanje impulsa. Generisanje impulsa se realizuje određenim elektronskim modulom kojim se upravlja preko I/O sabirnice iz centralne 52

Diplomski rad



Duško Cvijić

procesorske jedinice. Generator impulsa treba da radi u širokom opsegu promjene napona sinhronizacije po frekvenciji (20 do 140 Hz) i po iznosu (od 10 do 140%). Primjenjeni elektronski modul treba da posjeduje dobru neosjetljivost na izobličenje sinhronizacijskog napona zbog komutacijskih propada. Signali okidnih impulsa dalje se vode na impulsni pojačavač gdje se pojačavaju i vode na tiristorske ispravljače [11]. Test režim. Za potrebe ispitivanja pobudnog sistema, generatora i čitavog postrojenja u procesu realizacije digitalnog regulatora pobude predviđa se test režim rada koji omogućava regulisanje ugla paljenja tiristora α i zadavanje step smetnje u referencama regulatora. Regulator ugla α radi kao nezavisno upravljačko kolo i omogućava direktno upravljanje tiristorskim ispravljačem po uglu upravljanja okidnih impulsa tiristora. Pobudni sistem se u tom slučaju napaja iz nezavisnog izvora kako bi se pobudna struja mogla postepeno regulisati od nule. Test režim najčešće se koristi za snimanje karakteristika praznog hoda i kratkog spoja generatora te ispitivanje generatorskih zaštita. Zadavanje step smetnji koristi se pri ispitivanju dinamičkih odziva pobudnog sistema. Iznos, predznak i trajanje smetnje može se mijenjati po potrebi [11].

5.3.2 Logičko i sekvencijalno upravljanje Logičko i sekvencijalno upravljanje pobudnim sistemom realizuje se uz odgovarajuću programsku podršku koja na osnovu stanja digitalnih ulaza djeluje na digitalne izlaze. Izbor načina upravljanja koji se omogućava treba da je automatski ili ručno, a mogućnosti upravljanja treba da su prilagođene zahtjevima regulacije. Digitalni izlazi preko relejnih modula uključuju ili isključuju pojedine uređaje. Obično se upravljanje omogućava sa ormara pobude (lokalno) ili upravljanje iz komandne prostorije (daljinsko). Daljinsko upravljanje ostvaruje se kablovskim vezama preko standardnih relejnih kontakata ili komunikacijskim kanalom sa nadređenim sistemom upravljanja. Na taj način povećava se rezerva u upravljanju, te fleksibilnost sistema u smislu mogućnosti naknadnog proširenja automatizacije cjelokupnog postrojenja nadređenom sistemu upravljanja. 5.3.3 Komunikacija Komunikacija između operatora i sistema upravljanja ostvaruje se preko panela “soft touch screen” koji se spaja preko standardnog dvosmjernog asinhronog RS 485 komunikacionog interfejsa. Komunikacija se takođe omogućava i izvodi iz komandne prostorije putem ovog komunikacionog interfejsa koji omogućuje dvosmjerni prenos podataka iz centra upravljanja u pobudni sistem i obrnuto. Komunikacija treba da omogući lak pristup programima, njihovo očitavanje i po potrebi promjenu programa, kao uključenje i isključenje pojedinih dijelova programa. Takođe, treba da omogući promjenu parametara regulacije, na primjer iznos pojačanja regulacione petlje. 5.3.4 Zaštita i nadzor Uloga mikroprocesorskog sistema upravljanja je takođe, da štiti pobudni sistem od spoljašnjih i unutrašnjih grešaka koje se mogu javiti tokom rada sistema. On putem detekcije grešaka djeluje na uređaje ili programski sistem kako bi pobudni sistem bio zaštićen od posljedica tih grešaka. U zavisnosti od postrojenja mogu se primijeniti neke od standardnih zaštita: o prekostrujna zaštita pobudnog transformatora; o zaštita od kratkog spoja na jednosmjernim sabirnicama; o V/Hz zaštita. 53

Diplomski rad

Duško Cvijić

Uobičajene kontrolne funkcije su: o kontrolisanje naponskih mjernih kola; o kontrolisanje pobudne struje; o kontrolisanje početnog pobuđivanja; o kontrolisanje prenaponske zaštite rotora, o kontrolisanje napona sinhronizacije; o kontrolisanje sopstvenog napajanja; o kontrolisanje generisanja impulsa; o kontrolisanje ispravnog vođenja tiristora; o kontrolisanje osigurača u tiristorskim mostovima. Ako dođe do pojave kvarova u pobudnom sistemu u zavisnosti od vrste kvara sistem automatski treba da omogući jednu od sljedećih radnji: o signalizaciju o kvaru; o prelaz sa automatskog na rezervni regulator; o brzo razbuđivanje generatora. 5.3.5 Dojava i dijagnostika Prema obrađenim podacima na osnovu analognih i digitalnih ulaza od sistema se zahtjeva mogućnost dojave stanja uređaja, radni režim, prorada odgovarajuće zaštite, prorada ograničenja i stanje rada elektronskih modula. Način dojave se obično izvodi u vidu upaljenih indikacionih sijalica. Dojavljivanje se preko izlaznih relejnih kontakata ili preko komunikacijskog kanala prosljeđuje u komandnu prostoriju. Kod nekih sistema omogućeno je i memorisanje podataka o vrstama kvarova odakle se mogu po potrebi prikazati. Uz ove podatke se obično memoriše i vrijeme nastanka kvara, čime se poslije olakšava analiza nastalih kvarnih stanja. U toku rada neophodno je da sistem trajno i periodično obavlja nadzor nad funkcionalnošću mikroračunarskog sistema. Nakon indikacije pogrešnog djelovanja zbog prolazne greške ili kvara potrebno je da se omogući preusmjeravanje programa na izvođenje unaprijed programiranih radnji. Kod prolaznih smetnji regulator treba normalno da nastavi rad. Ako su greške trajnog karaktera treba se omogućiti automatski prelaz na rezervnu regulaciju ili isključenje sistema [11].

5.4. Napajanje elektronike digitalnog upravljačkog sistema Napajanje elektronike digitalnog upravljačkog sistema treba da je u formi sistema sa besprekidnim napajanjem. Kao primarni izvor može se koristiti akumulatorska baterija elektrane i naizmjenični napon sopstvene potrošnje. Tako sistem može normalno raditi ako postoji bar jedan od izvora. Elektronika digitalnog upravljačkog sistema tokom početnog pobuđivanja napaja se iz baterijskog napona, a nakon uspostavljanja napona generatora napajanje prelazi na naizmjenični napon sopstvene potrošnje za napajanje pobudnog sistema. Naponi napajanja elektronike digitalnog upravljačkog sistema se nadziru i ispad pojedinog izvora se dojavljuje. U slučaju ispada oba izvora dojavljuje se kvar pobude, prije prestanka funkcionisanja mikroprocesorskog sistema [11].

5.5. Tiristorski ispravljač Tiristorski ispravljač se sastoji od tiristorskog mosta, pojačavača okidnih impulsa i nadzora pregaranja osigurača ili indikatora nesimetrije struja. Upravljanje tiristorskim ispravljačem vrši automatski regulator napona. Tiristorski ispravljač se obično sastoji od jednog do četiri paralelno spojena tiristorska mosta. Broj mostova zavisi od zahtjevane 54

Duško Cvijić

Diplomski rad

pobudne struje. Svaki most se izvodi kao trofazna, šest-pulsna jedinica sa jednim tiristorom, brzim osiguračem u seriji sa svakom granom, kao na slici 5.3.

Slika 5.3a Tiristorski most sa osiguračima u granama [11]

Slika 5.3b Karakteristika pobudnog napona u stacionarnom stanju [11]

Tiristorski ispravljač se realizuje tako da može raditi kao ispravljač ili kao invertor. To znači da se njegov izlazni jednosmjerni pobudni napon VF može praktično trenutno regulisati na bilo koju pozitivnu ili negativnu vrijednost prema slici 5.3b unutar granica definisanih naponom napajanja, odnosno sekundarnim naponom pobudnog transformatora. Srednja vrijednost pobudnog napona data je izrazom: VF 

3 2  U ST



 cos  ,

(5.1)

gdje je: UST – linijski sekundarni napon pobudnog transformatora, α – ugao paljenja tiristora. U radnom režimu pobudnog ispravljača kada je njegovo jednosmjerno kolo opterećeno u izrazu (5.1) treba uvažiti i pad napona na komutacionoj reaktansi XS pobudnog transformatora, tako da je pobudni napon određen sa: VFn 

3 2  U ST



 cos  

3 X ST I F



.

(5.2)

U praksi se zna da je napon nešto niži usljed pada napona na dva tiristora oko 2×1.5 V, a na otpornostima se uzima pad napona od 5% od ukupnog napona. Međutim, negativni izlazni napon postoji tako dugo dok teče struja u pobudnom kolu. Negativna pobudna struja u ovom rješenju se ne može dobiti. Jedinica generatora okidnih impulsa tiristora je sastavni dio digitalnog regulatora napona i projektuje se tako da se izlazni jednosmjerni napon ispravljača varira promjenom faznog ugla okidnih impulsa u odnosu na napon napajanja ispravljača. Izlazni jednosmjerni napon ispravljača linearno je zavisan od upravljačkih signala iz regulatora napona. 5.5.1 Strujno i naponsko dimenzionisanje tiristorskih ispravljača Ukoliko posebni zahtjevi ne zahtjevaju drugačije, ispravljač se projektuje za pobudnu struju generatora pri nominalnom opterećenju i garantovanim preopterećenjima. Vrlo često se tiristorski pretvarač izvodi sa n+1 paralelno spojenih mostova koji su dovoljni za rad pobude (n+1 konfiguracija) gdje je jedan rezerva, kao na slici 5.4. Druga varijanta je (1+1 konfiguracija) tako da je jedan dovoljan za nominalni rad pobude, dok je drugi rezerva i blokiran je te u slučaju kvara sistem prelazi u rad sa rezervnim mostom. 55

Duško Cvijić

Diplomski rad

Naponska klasa tiristora se bira sa faktorom sigurnosti, 2.5 do 3.0 puta većim nego što je maksimalna trajno dozvoljena vrijednost napona napajanja (vršna vrijednost) sa pobudnog transformatora [11].

Slika 5.4 Konfiguracija sa n+1 tiristorskim ispravljačem 5.5.2 Hlađenje tiristorskih ispravljača Tiristorski ispravljači se najčešće hlade prinudnim strujanjem vazduha pomoću jednog ili više ventilatora, što zavisi od broja tiristorskih mostova. Jedan ventilator je obično dovoljan za dva mosta, dok su dva ventilatora potrebna za tri, odnosno četiri mosta. Rashladni vazduh ulazi ili kroz ulaze u podu ispod ormara ili kroz perforacije na veznim pločama pri dnu ormara, a izlaz vazduha je iz ventilatora na vrhu ormara [11].

5.6. Pobudni transformator Snaga pobude obično se dobija sa priključaka generatora preko pobudnog transformatora. Pobudni transformator vrši odvajanje pobudnog kola sinhronog generatora od statorskog namotaja i mreže. Napon se transformiše na vrijednost koja je određena zahtijevanim maksimalnim naponom tiristorskog ispravljača. Struja transformatora je određena maksimalnom trajnom dozvoljenom strujom. Transformator se izvodi kao trofazni, dvonamotajni, prirodno hlađeni, a može biti suvi, epoksidni ili uljni [11].

5.7. Početno pobuđivanje Sinhroni generatori imaju nizak remanentni napon pa je zbog toga na početku procesa pobuđivanja neophodno nekoliko sekundi napajati pobudni namotaj generatora sa malom jednosmjernom strujom, da bi se iniciralo izgrađivanje napona, odnosno samopobuđivanje. Približno 10% – 15% pobudne struje dovodi se preko jedinice početnog pobuđivanja na pobudni namotaj generatora, dok se ne pojavi dovoljan napon na priključcima generatora za napajanje statičkog ispravljača. Energija početnog pobuđivanja se dobija iz vanjskog jednosmjernog napajanja, kao što je npr. akumulatorska baterija. Takođe, početno pobuđivanje se može obezbijediti i iz naizmjeničnog napajanja iz sopstvene potrošnje. U tom slučaju oprema početnog pobuđivanja sadrži transformator i diodni ispravljač [11].

56

Diplomski rad

Duško Cvijić

5.8. Razbuđivanje Tiristorski ispravljač se spaja na pobudni namotaj sinhronog generatora preko jednosmjernog prekidača sa kontaktom za razbuđivanje i otpornikom za razbuđivanje. Ukoliko dođe do električnog kvara, bilo unutar sinhronog generatora ili izvan njegovih naizmjeničnih priključaka, generator treba biti razbuđen što je prije moguće, sa ciljem ograničenja struje kvara i sprečavanja oštećenja. Takođe se treba omogućiti razbuđivanje u slučaju kvara u kolu upravljanja pobudom. Naponski zavisan, ili nelinearni otpornik, koristi se za što je brže moguće razbuđivanje, ograničavajući pri tome napon u pobudnim kolu, kako ne bi prešao vrijednost najvišeg dozvoljenog napona na pobudnom namotaju i na prekidaču za razbuđivanje. Kod ovih sistema moguće je izvesti i statičko razbuđivanje, tj. razbuđivanje tiristorima iz prenaponske zaštite uz primjenu naizmjeničnog prekidača za odvajanje pobudnog kola i krajnjeg tiristora, slika 5.5 [11].

5.9. Dodatne zaštite 5.9.1 Izvođenje prenaponske zaštite pobudnog kola Svrha prenaponske zaštite u pobudnom kolu je da spriječi da se pobudno kolo generatora i tiristorski ispravljač izlože visokom naponu indukovanom u pobudnom kolu generatora, koji se može pojaviti za vrijeme određenih prelaznih stanja, što je objašnjeno u glavi 3.7. Ova zaštita se izvodi kao dvosmjerna pošto postoji mogućnost pojave naizmjenične komponente struje u rotoru u asinhronom radu generatora.

Slika 5.5 Razbuđivanje i prenaponska zaštita pobudnog kola [11] Na slici 5.5 označeno je: 1 – trofazni punoupravljivi tiristorski ispravljač, 2 – prekidač za razbuđivanje sa kontaktom i otpornikom za razbuđivanje, 3 – tiristori prenaponske zaštite, 4 – serijski otpornik, 5 – prekostrujni relej, 6 – prenaponska okidna jedinica, 7 – vanjski kontakt za okidanje kod statičkog razbuđivanja, 8 – tiristor, 9 – pobudni namotaj, 10 – naizmjenični prekidač. Glavno kolo zaštite sadrži antiparalelno spojene tiristore (3) i serijski otpornik (4), kao na slici 5.5. Impulse za uključivanje antiparalelnih tiristora omogućava naponski zavisna okidna jedinica (5), kad napon pređe postavljeni prag zaštite. Jedan tiristor se pali u slučaju pojave pozitivnog prenapona, dok se drugi pali u slučaju pojave negativnog prenapona. Serijski otpornik ograničava struju kroz zaštitno kolo. Serijski otpornik mora biti izveden tako da pad napona, prouzrokovan najvišom mogućom indukovanom pobudnom strujom koja teče kroz otpornik, ne pređe prag podešenja zaštite. Prekostrujni relej (6) nadgleda proradu zaštite i daje impuls za isključenje kad zaštita djeluje. Ponekad 57

Diplomski rad

Duško Cvijić

se koristi isti otpornik (4) za prenaponsku zaštitu i za razbuđivanje. Kod statičkog razbuđivanja kada imamo samo naizmjenični prekidač (10) i sklop prenaponske zaštite koristimo mogućnost okidanja odgovarajućeg tiristora vanjskim kontaktom (7). Kod tiristorskih ispravljača u konfiguraciji (1+1) tiristor (8) se koristi za kratko spajanje rotora generatora u slučaju potrebnog prelaska sa jednog tiristorskog mosta na drugi tiristorski most [11]. 5.9.2 Zaštita od nesimetrije struja u tiristorskom mostu Mogući razlozi pojave nesimetrije u tiristorskom ispravljaču su sljedeći: pregorjevanje osigurača u grani tiristorskog ispravljača, kvar tiristora i kvar u paljenju tiristora. Ukoliko se tiristorski ispravljač izvodi sa više od dva paralelna mosta, indikator nesimetrije struja potrebno je postaviti uz opremu ispravljača. Indikator detektuje nesimetriju struje između pojedinih mostova i otkriva neispravan most. Indikator nesimetrije otkriva neispravan tiristor, pregorjevanje osigurača i nestanak upravljačkog impulsa. Za ispravljač sa jednim rezervnim mostom, indikator nesimetrije će dati signal alarma kad je kvar u jednom mostu, a ukoliko se pojavi i kvar u drugom mostu daće signal isključenja. Ukoliko je ispravljač bez rezervnog mosta, indikator nesimetrije daje signal isključenja čim se pojavi kvar u jednom tiristorskom mostu [11], [12]. 5.9.3 Osigurači u tiristorskom mostu Tiristori se štite od kratkog spoja između faza ili prema masi na naizmeničnoj strani brzim osiguračima koji su prilagođeni vremensko-strujnoj karakteristici tiristora i koji se vezuju na red sa tiristorima. Uz osigurače se postavljaju i mikroprekidači, koji služe za signalizaciju pregorjevanja osigurača. Kod ispravljača sa jednim ili dva tiristorska mosta vrši se nadzor pregaranja osigurača u granama mosta [12]. 5.9.4 Prekostrujna zaštita tiristorskog mosta Prekostrujna zaštita tiristorskog mosta se koncipira tako da svojim djelovanjem zaštiti tiristore i brze osigurače od pregorijevanja. Ova zaštita se realizuje sa strujnim transformatorima u sve tri faze, strujne pretvaračke kartice i diskriminaciono-vremenskog modula. Obično se podešava za vrijednost struje 3InTM i djeluje bez zadrške [12]. 5.9.5 Termička zaštita od pregrijavanja tiristorskog mosta U slučaju da usljed preopterećenja ispravljača ili spriječene cirkulacije vazduha dođe do pregrijavanja tiristorskih ispravljača postavlja se termička zaštita, koja reaguje kada se pređe podešena vrijednost temperature, na oko 100°C. Termička zaštita se realizuje ugradnjom termičkih kontakata u tijelo hladnjaka ispravljača sa gornje strane [12]. 5.9.6 Zemljospojna zaštita pobudnog namotaja Iako se ovaj vid zaštite odnosi na zaštitu sinhronog generatora, za zaštitu elemenata pobudnog sistema ova zaštita ima veliki zanačaj. Rotorsko kolo je izolovano od zemlje. Ukoliko dođe do pojave jednostrukog spoja pobudnog namotaja sa zemljom neće doći do pojave oštećenja generatora i pobudnog sistema. Međutim, ako dođe do pojave dvostrukog spoja pobudnog namotaja i zemlje to će djelovati kao direktan kratak spoj pobudnice i kao posljedice mogu se imati velika oštećenja. Zbog tih razloga neophodno je da se odmah već prvi zemljospoj otkrije i da se generator ukoliko je moguće isključi iz pogona [11].

58

Diplomski rad

Duško Cvijić

5.9.7 Djelovanje zaštita Djelovanje zaštita pobudnog kola zavisi od vrste i opasnosti koju nosi određeni kvar, kao i od ugrađenih rezervnih struktura u pobudni sistem. Tako na primjer, ako je pobudni sistem izveden sa dva kanala, pri prelasku sa jednog na drugi pobudni kanal dolazi pri pojavi neispravnosti kanala u radu. Ukoliko je i rezervni kanal u kvaru dolazi do ispada pobudnog sistema i isključenja agregata sa mreže. Takođe, kod nekih zaštita se postavljaju i određena ograničenja i stepeni reagovanja. Prenaponska zaštita pobudnog kola djeluju na ispad sistema pobude i izbacivanje agregata sa mreže. Statički pobudni sistemi mogu da sadrže još niz drugih zaštita, vezanih uopšte za pobudni sistem ili cjelukupni agregat sa pobudnim sistemom. Ovaj pristup uopšte zavisi od proizvođača pobudnih sistema, načina realizacije, upotrebljenih komponenata, ostalih zaštita koje su primjenjene na generatorima kao i zahtjeva korisnika [12].

5.10. Mjerenje napona i struje pobude Za mjerenje struje u jednosmjernom pobudnom kolu koristi se šant, smješten u ormaru prekidača pobude. Signal sa šanta prosljeđuje se preko mjernih pretvarača na instrumente u ormaru pobude i komandnoj prostoriji. Jednosmjerni napon mjeri se na jednosmjernim sabirnicama preko otporničkog razdjelnika. Zbog izolacije energetskih kola od kola mjernih instrumenata, signal se preko mjernog pretvarača vodi na instrumente. Mjerenje napona i struje pobude za potrebe digitalne regulacije napona izvodi se na naizmjeničnoj strani tiristorskog mosta preko sinhronizacijskog transformatora, odnosno strujnih mjernih transformatora [11].

5.11. Dispozicija opreme Kod statičkih pobudnih sistema sva oprema osim pobudnog transformatora se postavlja u standardne metalne ormare (mehaničke zaštite IP22) koji su zaštićeni od korozije. Oprema u ormarima je grupisana prema vidu primjene i funkcijama. Njihov broj zavisi od intenziteta pobudne struje, odnosno od broja tiristorskih mostova. Energetski priključci na pobudni sistem treba da se realizuju tako da je moguće priključenje preko sabirničkih i kablovskih veza, a priključenje spoljnih mjernih kola naponskih i strujnih transformatora treba da su odvojenog tipa. Statički pobudni sistemi opremaju se i sa akvizicionim sistemom sa odgovarajućim softverom za akviziciju koji omogućava sistemu mogućnost kontinualnog praćenja i dijagnostikovanja stanja pobudnog sistema.

5.12. Standardi i propisi Uređaji i komponente od kojih se sastoji oprema statičkog pobudnog sistema izvode se sa odgovarjućim IEC standardima i propisima i IEEE preporukama za sinhrone mašine.

5.13. Statički pobudni sistem HE “Bočac” U ovom dijelu rada kao primjer naveden je statički pobudni sistem sinhronih generatora (Sn=2×65 MVA) sa električnim kočenjem HE “Bočac”. Ovaj pobudni sistem realizovan je sa tiristorskim mostovima i digitalnim regulatorom pobude. Takođe, predstavljene su osnovne funkcije koje ovaj pobudni sistem omogućava, tehnički podaci o pobudnom sistemu, opremi, upotrebljenim komponentama i načinu upravljanja.

59

Diplomski rad

Duško Cvijić

5.13.1 Osnovne funkcije pobudnog sistema HE “Bočac” Pobudni sistem HE “Bočac” obezbjeđuje sljedeće funkcije [13]:  

            

napajanje pobudnog namotaja sinhronog generatora potrebnom pobudnom strujom u svim dozvoljenim radnim režimima generatora; automatsku regulaciju napona na izvodima u svim režimima rada generatora uz kompenzaciju po reaktivnom opterećenju, odnosno regulaciju napona generatora po naponsko-reaktivnoj karakteristici sa podešenim statizmom regulacije; automatsko ograničenje rada generatora u oblasti dozvoljenih termičkih naprezanja statora i rotora prema pogonskom dijagramu sinhronog generatora; automatski prelaz sa automatske na ručnu regulaciju pobude; ručna regulacija pobudne struje; automatski prelaz sa jednog na drugi pobudni kanal; test režim; forsiranje pobude sa zadatim koeficijentima forsiranja po naponu i po struji pobude, pri sniženju napona na sabirnicama generatora usljed poremećaja u sistemu; razbuđivanje sinhronih generatora invertovanjem tiristorskog mosta pri normalnom zaustavljanju; gašenje pobudnog polja generatora u havarijskim režimima prekidačem za demagnetizaciju, mogućnost uvođenja dodatnih regulacionih i upravljačkih funkcija (grupna regulacija pobude); lokalno i daljinsko upravljanje pobudnim sistemom (iz komandne sale elektrane); zaštite; merenja (napona generatora, struje generatora, struje i napona pobude); signalizacija (na lokalnom i daljinskom nivou).

5.13.2 Tehničke karakteristike pobudnog sistema HE “Bočac” Statički pobudni sistem sa tiristorskim mostovima ima sljedeće osnovne parametre [13]:              

Napon napajanja tiristorskih mostova: 340 V, 50 Hz Opseg podešavanja napona generatora u praznom hodu: 85% ÷ 115% Opseg podešavanja statizma naponsko-reaktivne karakteristike: -10% ÷ +10% Pobudni napon u praznom hodu: 101.65 V Pobudna struja u praznom hodu: 605 A Nominalni pobudni napon generatora: 206 V Nominalna pobudna struja generatora: 1225 A Koeficijent forsiranja po pobudnoj struji: 1.6 Dozvoljeno vrijeme trajanja forsiranja: <20s Pobudni napon generatora u režimu forsiranja: 330 V Maksimalna pobudna struja u režimu forsiranja: 1960 A Jednosmjerni napon napajanja sopstvene potrošnje: 220 V Invertorski napon napajanja sopstvene potrošnje: 230 V Naizmjenični napon napajanja sopstvene potrošnje: 3×400 V, 50 Hz 60

Diplomski rad

Duško Cvijić

5.13.3 Struktura energetskog kola statičkog pobudnog sistema HE “Bočac” Osnovu strukture energetskog kola statičkog pobudnog sistema HE “Bočac” čine energetski ispravljač, pobudni transformator i blok upravljanja pobudom. Jednopolna šema statičkog pobudnog sistema prikazana je na slici 5.6. Na naizmjeničnoj strani energetskog dijela pobudnog sistema nalaze se prekidači QP i QK. Prekidač QP se nalazi na naizmjeničnom dovodu prema energetskom dijelu pobudnog sistema i služi za napajanje tiristorskih mostova u redovnom pogonu sa sekundara pobudnog transformatora Em1. U režimu električnog kočenja agregata napajanje tiristorskih mostova sa pobudnog transformatora se ukida isključenjem prekidača QP, a uključuje se prekidač QK i napajanje na tiristorske mostove se dovodi preko transformatora za električno kočenje Em2. Komandovanje ovim prekidačima (preko ugrađenih kalema za uključenje i isključenje) je automatsko putem PLC-a za kontrolu procesa električnog kočenja, a mogućnost istovremenog automatskog uključenja je onemogućena. U test režimu rada pobudnog sistema sa ovim prekidačima moguće je manipulisati ručno prema odgovarajućoj proceduri za rad u test režimu. U sastavu pobudnog sistema nalaze se dva tiristorska mosta kao nezavisne cjeline. Napajanje tiristorskih mostova vrši se iz uljnog pobudnog transformatora Em1. Tiristorski mostovi su trofazni, punoupravljivi sa mogućnošću rada u ispravljačkoj i invertorskoj oblasti. Mostovi su dimenzionisani tako da jedan most može da zadovolji sve potrebne radne režime pobudnog sistema, uključujući i forsiranje pobude pri havarijskim režimima sa definisanim koeficijentom forsiranja. Svaki tiristorski most nalazi se u okviru svog pobudnog kanala pobudnog sistema. Pobudni kanal pobudnog sistema čine jedan tiristorski most i jedan digitalni automatski regulator pobude. Ovakva realizacija pobudnog sistema sa dva nezavisna pobudna kanala je u cilju povećanja pouzdanosti rada čitavog pobudnog sistema. U slučaju kvara ili problema na bilo kom od dva pobudna kanala vrši se automatski prelazak na drugi pobudni kanal koji je u režimu praćenja aktivnog kanala. Preko glavnih radnih kontakata prekidača za demagnetizaciju QD se prenosi jednosmjerna struja prema pobudnom namotaju generatora. Mirni kontakt prekidača za demagnetizaciju služi da se preko njega pri brzom razbuđivanju paralelno pobudnom namotaju, prije isključenja glavnih radnih kontakata, poveže nelinearni otpornik za demagnetizaciju RD. Sklop početne pobude se sastoji od: kontaktora, diode i otpornika za ograničenje struje pri početnom pobuđivanju. Napajanje početne pobude je ostvareno iz razvoda sopstvene potrošnje 220 V DC. Prenaponska zaštita djeluje na isključenje pobudnog sistema i brzo razbuđivanje generatora u slučajevima pojave prenapona na pobudnom namotaju usljed poremećaja na strani statora i ispada iz sinhronizma generatora. Reagovanje prenaponske zaštite je podešeno na 1200 V, a komponente koje su upotrebljene za realizaciju prenaponske zaštite navedene su u tabeli 5.1, pod rednim brojem (8) [13].

61

Diplomski rad

Duško Cvijić

Slika 5.6 Jednopolna šema pobudnog sistema generatora G1 i G2 u HE “Bočac”[13] 62

Duško Cvijić

Diplomski rad

5.13.4 Karakteristike energetske opreme statičkog pobudnog sistema HE “Bočac“ Statički pobudni sistemi za hidrogeneratore (G1 i G2) u HE “Bočac“ su dimenzionisani na osnovu podataka o sinhronim generatorima. Nominalni podaci za generator G1 dati su u prilogu 2A na kraju rada u tabeli P-1. Karakteristike energetske opreme statičkog pobudnog sistema HE “Bočac” navedene su u tabeli 5.1. Tabela 5.1 Karakteristike energetske opreme statičkog pobudnog sistema HE“Bočac” [13] R.broj 1 2

Naziv opreme

Osnovni podaci

800 kVA, 10.5/0.34 kV/kV, 44/1350 A/A, 50 Hz, Dyn5 Transformator (Em2) za napajanje 250 kVA, 0.4/0.34 kV/kV, 360/425 A/A, pobude iz sopstvene potrošnje 50 Hz, Yyn0 Pobudni transformator (Em1)

Tiristorski most (2 kom.)

- nominalni napon: 340 V ± 10 % - nominalna struja: 1890 A - brzi osigurač 1400A /690V/200kA / 370 kA2s (6 kom.), -RC zaštita (3 kom.) 51Ω/200W i 0.22uF/ 1200V AC, - ventilator za prisilno hlađenje tiristorskih mostova (1 kom.), - termički prekidač (3 kom.) NC/95°C.

3

Sastavni dijelovi tiristorskog mosta:

4

Strujni mjerni transformatori na 1500/5 A, 20VA, kl.0.5 naizmjeničnoj strani TM-a (3 kom.), Prekidači Q P i Q K Osnovni podaci niskonaponskih kompaktnih prekidača Q P i Q K :

- nominalna struja: 1250 A - nominalni napon: 690V, 50Hz - prekidna moć (415 V), Icu: 65 kA - prekidna moć (1s), Icw: 55 kA - podešenje termičke zaštite: 1250 A - podešenje kratkospojne zaštite 5000 A

6

Prekidač za demagnetizaciju Q D pobudnog sistema generatora G1

- nominalna struja: Ith: 1500 A - nominalni napon, Ue: 600 V DC

7

Prekidač za demagnetizaciju Q D pobudnog sistema generatora G2

- nominalna struja: Ith: 2000 A - nominalni napon, Ue: 1000 V DC

Sklop prenaponske zaštite Sastavni dijelovi:

- blok antiparalelnih tiristora - naponski razdjelnik 4×1kΩ / 2×50Ω - izvršni relej prenaponske zaštite - elektronska kartica za prenaponsku zaštitu - otpornik za prenaponsku zaštitu

5

8

63

Duško Cvijić

Diplomski rad 5.13.5 Struktura digitalnog regulatora pobude HE “Bočac“

Osnovna funkcija automatskog digitalnog regulatora pobude (DARP) je upravljanje pobudnim sistemom, a najvažnija je automatska regulacija napona generatora. Blok šema digitalnog regulatora pobude je predstavljena na slici 5.7. Ovim regulatorom upravlja DSP mikrokontroler koji omogućava objedinjavanje širokog spektra upravljačkih funkcija, funkcija zaštite, merenja i signalizacije. U cilju povećanja pouzdanosti rada koriste se dva digitalna regulatora pobude sa identičnim funkcijama pri čemu je jedan u radu, a drugi je rezerva. Sistem je realizovan modularno, čime je povećana pouzdanost i olakšan proces održavanja pogona u eksploataciji [13].

Slika 5.7. Strukturna šema digitalnog regulatora pobude [13] Upravljačke funkcije regulatora pobude realizovane su korišćenjem sljedećih modula: kartica mjernih pretvarača (KMP), mikrokontrolerska kartica (MPK), kartica digitalnih ulaza (KDU), kartica digitalnih izlaza (KDI), kartica upravljačkih izlaza (KUI). 



Kartice mjernih pretvarača (KMP) galvanski izoluju, filtriraju i prilagođavaju naponskom nivou mikrokontrolera analogne ulazne signale, nakon čega se ovi signali vode na ulaze A/D konvertora mikrokontrolera. Na osnovu mjerenja URST u mikrokontroleru određuje se efektivna vrijednost napona generatora, dok se pomoću URS i IRS određuju trenutne vrijednosti aktivne i reaktivne snage generatora. Signal Usinh predstavlja međufazni napon URS, kojim se napajaju odgovarajuće grane tiristorskog mosta. Poslije uobličavanja ovog signala dobija se signal usinh koji nosi informacije o fazi napona URS, potrebnu prilikom sinhronizacije upravljačkih signala za paljenje tiristora u mostu. Signal IF predstavlja trenutnu vrijednost struje pobude i mjeri se na naizmeničnoj strani tiristorskih mostova. Ovaj signal se koristi za generisanje ograničenja maksimalne struje pobude i prilikom rada rezervnog regulatora pobude. Mikroprocesorska kartica (MPK) služi za realizaciju upravljačkih funkcija pobude generatora. Upravljanje se vrši obradom ulaznih analognih i digitalnih signala, i generisanjem izlaznih upravljačkih signala za paljenje tiristora ispravljačkih mostova i za pobudu izvršnih releja. U okviru programa mikroprocesora realizovane su sljedeće funkcije: pobuđivanje i razbuđivanje generatora, automatska regulacija po naponu generatora i prema podešenoj naponsko-reaktivnoj karakteristici, rezervna regulacija po struji pobude generatora, praćenje aktivnog kanala regulatora, forsiranje, test režim, limiteri pobude i upravljanje i signalizacija na panelu regulatora. 64

Diplomski rad   

Duško Cvijić

Kartica digitalnih ulaza (KDU) služi za očitavanje stanja kontakata signalnih releja i tastera za komandovanje na uređaju. Kartica digitalnih izlaza (KDI) služi za pojačavanje signala pobude izlaznih releja, koji dalje vrše pobuđivanje izvršnih releja kao i za pobuđivanje signalnih led dioda. Kartica upravljačkih izlaza (KUI) generiše miliamperske impulse za paljenje tiristora. Regulator kanala koji je u radu generiše šest impulsa za paljenje tiristora, a trenutak za slanje ovih impulsa određen je odgovarujućim uglom paljenja i signalom sinhronizacije. Na kartici upravljačkih izlaza ovi impulsi se pretvaraju u miliamperske signale. Poslije obrade, zbirni komandni signali za paljenje tiristorskih mostova vode se na pojačavač impulsa, a zatim i na ispravljačke tiristorske mostove [13].

5.13.6 Regulacione i upravljačke strukture regulatora pobude HE “Bočac” U toku pobuđivanja napon statora generatora se regulisano dovodi do zadate referentne vrijednosti praznog hoda. Nakon pobuđivanja slijedi sinhronizacija i vezivanje generatora na mrežu. Tokom rada generatora na mreži mogući su sljedeći režimi rada regulatora pobude: automatska regulacija napona generatora uz kompenzaciju reaktivne snage, rezervna regulacija po struji pobude, praćenje aktivnog kanala i režim forsiranja. Automatska regulacija napona generatora uz kompenzaciju reaktivne snage se vrši pomoću PID upravljačkog zakona, pri čemu se referenca napona određuje na osnovu podešene naponsko-reaktivne karakteristike. Nagib naponsko-reaktivne karakteristike se mijenja promjenom statizma regulacije na panelu regulatora. Strukturna šema regulacione konture u režimu automatske regulacije prikazana je na slici 5.8.

Slika 5.8. Šema regulacione konture u režimu automatske regulacije [13] Strukturna šema regulacione konture u režimu rezervne regulacije po struji pobude prikazana je na slici 5.9. Rezervna regulacija struje pobude generatora se vrši po PI upravljačkom zakonu. U režim rezervne regulacije se može ući ručno sa panela regulatora ili automatski usljed gubitka signala mjerenja napona statora generatora.

Slika 5.9. Šema regulacione konture u režimu rezervne regulacije [13] Praćenje aktivnog kanala u funkciji je u rezervnom kanalu i u slučaju kvara ili problema na bilo kom od dva pobudna kanala vrši se automatski prelazak na drugi pobudni kanal. U ovom režimu regulator ne šalje impulse za paljenje tiristora svom tiristorskom mostu, ali prati sve potrebne veličine, tako da u slučaju ispada aktivnog kanala bez prekida preuzima regulaciju pobude agregata. 65

Diplomski rad

Duško Cvijić

U okviru regulatora pobude realizovani su sljedeći limiteri: limiter maksimalne struje pobude, limiter minimalne struje pobude i limiter maksimalne struje statora. Limiter maksimalne struje pobude spriječava povećanje struje pobude iznad podešene vrijednosti, koja je određena trajno dozvoljenom strujom rotora. Limiter minimalne struje pobude spriječava smanjenje struje pobude ispod vrijednosti određene pogonskim P-Q dijagramom generatora u kapacitivnom režimu rada. Limiter maksimalne struje statora smanjuje struju pobude u slučaju da se radna tačka nađe van pogonskog P-Q dijagrama generatora [13]. 5.13.7 Električno kočenje Za razliku od mehaničkog, električno kočenje se uključuje već nekoliko trenutaka nakon rasterećenja generatora i odvajanja od mreže i traje do zaustavljanja agregata. Na taj način vrši se kočenje kroz cijeli period zaustavljanja, a ne samo u području niskih brzina, što znatno smanjuje vrijeme zaustavljanja. Električno kočenje vrši se transformatorom za električno kočenje, koji se priključuje na sopstvenu potrošnju elektrane. Proticanjem statorske i rotorske struje razvija se elektromagnetski kočni moment koji dodatno koči agregat. Nakon početka procesa zaustavljanja agregata i automatskog razbuđivanja generatora pomakom okidnih impulsa tiristorskog pretvarača ukoliko su zadovoljeni svi potrebni uslovi može da počne proces električnog kočenja. Proces električnog kočenja HE “Bočac” [13]:       

provjeravaju se uslovi za otpočinjanje električnog kočenja (prekidač QD uključen, generatorski prekidač QG isključen, sprovodni aparat zatvoren, brzina agregata manja od 50% nominalne brzine); priprema rasklopne opreme za proces električnog kočenja (isključenje QP, uključenje QK, uključenje prekidača za formiranje kratkog spoja na izvodima generatora QGK); blokada mehaničkih kočnica i blokada diferencijalne zaštite generatora; pobuđivanje generatora na vrijednost pobudne struje koja odgovara približno nominalnoj vrednosti struje statora generatora; kada brzina agregata opadne ispod 2-3% nominalne brzine vrši se razbuđivanje, deblokiraju se mehaničke kočnice kao i diferencijalna zaštita generatora; vrši se vraćanje rasklopne opreme u stanje za normalni pogon agregata i novo pokretanje (uključenje QP, isključenje QK, isključenje prekidača QGK); kada se agregat zaustavi gasi se napajanje PLC-a i sistem pobude ostaje spreman za novo pokretanje agregata.

U toku električnog kočenja realizovana je dodatna prekostrujna zaštita transformatora Em2 za električno kočenje. U slučaju da prije, u toku i nakon otpočinjanja procesa električnog kočenja dođe do nekih problema koji onemogućavaju električno kočenje regulatoru pobude izdaje se signal o neuspješnom električnom kočenju i deblokiraju se mehaničke kočnice. Statički pobudni sistem HE “Bočac” omogućava realizaciju širokog spektra regulacionih, upravljačkih i zaštitnih funkcija. Konfiguracijom redundantnih struktura u upravljačkom i energetskom dijelu povećana je pouzdanost rada pobudnog sistema. Realizacija ovakvog pobudnog sistema uz stalan nadzor i praćenje pruža lak pristup u smislu redovnih ispitivanja i održavanja pobudnog sistema [13].

66

Diplomski rad

Duško Cvijić

6. MODEL, SIMULACIJSKI I EKSPERIMENTALNI ODZIVI STATIČKOG POBUDNOG SISTEMA U okviru ove glave urađen je model statičkog pobudnog sistema tip ST1A prema strukturnom dijagramu IEEE standardizacije. Model sinhronog generatora koji je priključen na mrežu EES-a u analizi regulacije pobude je predstavljen korišćenjem MATLAB/Simulink dodatnog modula Power System Blockset (PSB). Upotrebljeni parametri za podešavanje generatora i mreže su stvarni parametri HE „Bočac“, koji su dati u prilogu na kraju rada. Proračun korišćenih baznih veličina takođe je dat u prilogu rada označenom kao P1A. U nastavku je opisana upotreba modula Power System Blockset (PSB), upotrebljeni elementi i modelovanje potrebnih elemenata za statički pobudni sistem u regulaciji pobude sinhronog generatora vezanog na krutu mrežu, kao i model generatora i postojeće mreže. Na kraju je urađena simulacija i prikazani simulacijski odzivi statičkog pobudnog sistema, za radni režim regulacije napona sinhronog generatora baziran na stvarnim parametrima. Takođe, su predstavljeni i eksperimentalni dinamički odzivi generatora G1 HE "Bočac" u procesu regulacije pobude snimljeni u test režimu rada pobudnog sistema.

6.1. MATLAB/Simulink - modul Power System Blockset (PSB) MATLAB/Simulink - modul Power System Blockset (PSB) služi za razvoj modela i simulacije elektroenergetskih sistema i elektromotornih pogona. Power System Blockset je dizajniran tako da obezbijedi moderno sredstvo koje omogućava korisnicima da brzo i lako izgrade modele koji simuliraju radne režime elektroenergetskog sistema u Simulink okruženju. PSB omogućava grafički interfejs za povezivanje različitih električnih komponenti, električnih kola i elektro-mehaničkih uređaja, kao što su električni motori i generatori. Takođe, omogućava modelovanje i simulaciju električnih kola koja sadrže linearne i nelinearne elemente. Jedan od načina pokretanja PSB biblioteke je pokretanje Simulinka i aktiviranje ikone SimPowerSystems, slika 6.1. [14].

Slika 6.1 Pokretanje modula SymPowerSystems iz Symulink Library Browser-a 67

Diplomski rad

Duško Cvijić

Elementi biblioteke modula SymPowerSystems su svrstani u različite grupe prema svojoj prirodi: električni izvori, elementi, energetska elektronika, električne mašine, mjerenja, primjena biblioteke, dodatni blokovi i grafički korisnički interfejs. Ovi podsistemski blokovi mogu da se otvore i da prikažu prozor koji sadrži komponente koje mogu da se prenose u Simulink radni prostor. Svaka komponenta je predstavljena specijalnom ikonom koja ima jedan ili više ulaza i izlaza koji odgovaraju različitim izvodima komponenti. Podešavanje komponenti je isto kao u standardnim Simulink blokovima. Rezultati simulacije mogu se vizuelno predstaviti pomoću Simulink osciloskopa koji se priključuje na izlaz mjernih blokova dostupan u PSB biblioteci. Ovi mjerni blokovi djeluju kao interfejs između električnih blokova i Simulink blokova.

6.2. Model statičkog pobudnog sistema u regulaciji pobude sinhronog generatora priključenog na mrežu EES-a Kompletan model regulacije pobude se sastoji iz dva podsistema. Prvi podsistem čini statički pobudni sistem sa komponentama za regulaciju pobude. Drugi podsistem čini sinhroni generator koji je priključen na mrežu EES-a preko blok transformatora. U nastavku je prvo predstavljen matematički model statičkog pobudnog sistema tip ST1A sa osnovnom regulacionom strukturom. 6.2.1 Matematički model statičkog pobudnog sistema tip ST1A Matematički model statičkog pobudnog sistema tip ST1A sa osnovnim komponentama koji je korišćen u simulaciji regulacije pobude je prikazan na slici 6.2 u formi strukturnog dijagrama. Model ovog pobudnog sistema je opisan sa osnovnim jednačinama na osnovu kojih su napisane funkcije prenosa sa kojima su pojedine komponente ovog pobudnog sistema modelovane. Osnovne karakteristike ovog pobudnog sistema prema IEEE standardizaciji navedene su u glavi 4.8.3.1. Ovaj model pobudnog sistema sadrži model regulatora napona, model pobudnice (regulisani ispravljač) i model stabilizacione povratne sprege. Sporedne funkcije koje se mogu dodati ovakvom pobudnom sistemu su primjena regulatora struje za strujnu regulaciju pobude za vrijeme velikih prolaznih poremećaja u sistemu kao i regulator reaktivne snage [15].

Slika 6.2 Strukturni dijagram matematičkog modela pobudnog sistema tip ST1A korišćenog u simulaciji regulacije pobude (regulacije napona) sinhronog generatora 68

Duško Cvijić

Diplomski rad

Matematički modeli komponenata statičkog pobudnog sistema prikazani u obliku funkcija prenosa na slici 6.2 izvedeni su na osnovu jednačina koje opisuju upotrebljene komponente koje su prikazane u nastavku. 

Model regulatora napona Model regulatora napona je trećeg reda. Osnovne jednačine koje opisuju regulator napona koji je na slici 6.2 predstavljen funkcijama prenosa predstavljene su sljedećim izrazima [14]: T 1 1 VR   VR  (VREF  VS  VC )  C (VREF  VS  VC ); TB TB TB VIMIN  VREF  VS  VC  VIMAX , T 1 1 VR1   VR1  VR  C1 VR  TB1 TB1 TB1



T 1 1 VR1  V R  C1 TB1 TB1 TB1

(6.1)

 1  T 1   VR  (VREF  VS  VC )  C (VREF  VS  V ) ; (6.2) TB TB  TB 

K 1 VA  A VR1  V A ; V AMIN  V A  V AMAX . (6.3) TA TA  Model pobudnog transformatora i ispravljača Jednačina koja opisuju model pobudnog transformatora i ispravljača koji se primjenjuje u pobudnom sistemu tip ST1A (prema strukturnoj šemi na slici 4.11) predstavljena je sljedićim izrazom: VF  V A  K LR ( I F  I LR ); I F  I LR  0; VT VRMIN  VF  VT VRMAX  K C I F .

(6.4)

U prikazanoj strukturnoj šemi na slici 6.2 pad napona na komutacionoj induktivnosti je zanemaren s obzirom da nije uvažena strujna regulaciona kontura. Ova pretpostavka je opravdana ako se u obzir uzme vrlo mala vrijednost komutacione konstante KC, pošto je pretpostavljeno da se pobudni ispravljač napaja sa pobudnog transformatora. Dakle, model pobudnog transformatora i ispravljača je modelovan samo uvažavajući dozvoljena ograničenja napona pobude. 

Model stabilizacione povratne sprege

Stabilizaciona povratna sprega regulatora pobude i pobudnice opisana je sljedećom jednačinom: K 1 VF   VF  F VF . (6.5) TF TF Poslije modelovanih ograničenja izlaza VF u strukturi pobudnog kola dodat je filtar. U simulacijskom modelu korišćene su sljedeće vrijednosti parametara pobudnog sistema: TC =1, TB =1, TA =0, TB1 =0, TC1 =0, KA =80, VRmax =3.5, VRmin = -3.5, Kff =0, Tff =0. Ovakav pobudni sistem se kombinuje sa modelima sinhronih generatora (koji mogu biti nelinearni ili linearizovani) formirajući na taj način sisteme za regulaciju pobude sinhronih generatora. 69

Diplomski rad

Duško Cvijić

6.2.2 Model stabilizatora EES-a Ulazni signal VS stabilizatora EES-a priključuje se u sumator u sklopu regulatora pobude. Upotrebljeni stabilizator EES-a je prema IEE standardizaciji tip PSS1A, koji koristi kao ulaznu promjenljivu promjenu brzine rotora (devijaciju brzine rotora dω). Kao izlazna promjenljiva iz stabilizatora EES-a je signal VS u r.j. koji se uvodi u regulator pobude. On djeluje na ulaz regulatora napona na način da usporava dinamiku pobudnog sistema. Strukturni dijagram sa kojim je modelovan stabilizator EES-a koji je korišćen u simulaciji prikazan je na slici 6.3.

Slika 6.3 Strukturni dijagram modela stabilizatora EES-a PSS1A Parametri koji odgovaraju podešavanju ovog bloka dati su sa: Ks =10 Tw=10, T1=10, T2=6, T3 = 0.08, T4 = 0.01 Vsmin = -0.15 i Vsmax = 0.15. 6.2.3 Model sinhronog generatora priključenog na EES U drugom podsistemskom bloku koji je dio modela regulacije pobude sinhronog generatora modelovani su sljedeći elemenati: sinhroni generator, blok transformator i postojeća 110kV mreža. Navedeni upotrebljeni modeli elementa su takođe opisani, a model sinhronog generatora je detaljnije obrazložen da se ukažu osnovne pretpostavke na kojima je model izgrađen s obzirom na značaj sinhronih generatora u regulaciji EES-a.

6.2.3.1 Matematički model sinhronog generatora Modeli sinhronih mašina unutar modula PSB se nalazi u biblioteci Machines kao dodatni blokovi. Na raspolaganju unutar modula nalaze se i drugi tipovi sinhronih mašina. Iz navedenog bloka upotrebljen je standardni per-unit model (model za unos podataka u relativnim jedinicama) sinhronog hidrogeneratora koji je prikazan na slici 6.4.

Slika 6.4 Grafički prikaz osnovnog per-unit modela sinhronog generatora Razlog upotrebe ovog modela je taj što su dostupni standardni parametri (prvenstveno se misli na sinhrone reaktanse i vremenske konstante) sinhronog generatora HE “Bočac”. Upotrebom navedenog modela omogućeno je podešavanje generatora u strukturi bloka unošenjem direktno navedenih parametara. Električni dio mašine je predstavljen u prostoru stanja šestog reda, a mehanički dio je predstavljen elektromehaničkom jednačinom kretanja rotora. Sinhroni generator modelovan na taj način se sastoji od dva statorska namotaja u d-q sistemu, jednog pobudnog namota i tri prigušna namotaja, kao što je prikazano na slici 6.5. Model sinhronog generatora je baziran na Parkovoj transformaciji statorskih veličina u 70

Diplomski rad

Duško Cvijić

d-q koordinatni sistem koji rotira brzinom rotora ωr, čime se vremenski zavisne induktivnosti namotaja u jednačinama ekvivalentiraju fiktivnim induktivnostima koje rotiraju zajedno sa rotorom. Takav način modelovanja generatora je u širokoj upotrebi. Model uzima u obzir dinamiku statora, pobude i prigušne namotaje. Modelovana su dva prigušna namotaja, u d i q osama, sa kratkospojenim namotajem. Treći prigušni namotaj u q osi je značajan za analizu dvopolnih i četveropolnih sinhronih turbogeneratora kod kojih se rotori najčešće izrađuju od masivnog čelika. Budući da su u ovom radu od ključnog interesa pitanja vezana za regulaciju pobude generatora, ovakav model zadovoljava po složenosti. Zasićenje u gvožđu je takođe moguće uvažiti u podešavanju parametara generatora.

Slika 6.5 Namotaji u sinhronom generatoru i rotirajuće d-q ose [8] Do matematičkog modela se dolazi transformacijom sistema naponskih jednačina iz faznih RST koordinata u d-q koordinate. Pretpostavlja se da su naponi simetrično raspoređeni, da su parametri statorskog električnog kola pojedinih faza međusobno jednaki i da u međugvožđu postoji samo osnovni harmonik rezultantnog polja. Pošto se radi o sinhronom generatoru pretpostavlja se da je pozitivna struja statora usmjerena prema priključnim sabirnicama. Uz tu konvenciju mogu se pisati naponske diferencijalne jednačine i jednačine fluksnog obuhvata za električni dio modela sinhronog hidrogeneratora, izražene u relativnim jedinicama (vrijeme je izraženo apsolutno) u obrtnom d-q koordinatnom sistemu: d d ' u d   Rs id   r q  ,  d   Ld id  Lmd (id  i 'fd  i Dd ) , (6.6a.b) dt d q ' u q   Rs iq   r d  ,  q   Lq iq  Lmq (iq  iQq ), (6.7a.b) dt d 'fd ' u 'fd  R 'f i 'fd  , •  'fd  L' fd i 'fd  Lmd (i sd  i 'fd  i Dd ), (6.8a.b) dt ' d Dd ' ' ' ' ' 0  u Dd  RD' i Dd  ,  Dd  L'Dd i Dd  Lmd (i sd  i 'fd  i Dd ), (6.9a.b) dt ' d Qq ' ' ' ' ' ' 0  u Qq  RQ iQq  ,  Qq  L'Qq iQq  Lmq (i sq  iQq ). (6.10a.b) dt 71

Duško Cvijić

Diplomski rad

Napomena: U navedenim jednačinama nije navedena naponska jednačina za treći prigušni namotaj po q-osi, iz razloga koji je prethodno objašnjen. Svi parametri rotora kao i sve električne veličine su svedene na stator, pa su te veličine označene oznakom prim. U navedenim jednačinama korišćene oznake imaju sljedeća značenja: u d , u q - naponske jednačine statora projektovane u obrtni koordinatni sistem dq osa, ' ' - naponske jednačine prigušnih u 'fd - naponska jednačina pobudnog namotaja, u Dd , uQq

' ' namotaja po d i q osama,  d , q, 'fd , Dd - fluksni obuhvati respektivno: statorskih i  Qq namotaja u dq obrtnom koordinatnom sistemu, pobudnog namotaja i prigušnih namotaja po d i q osi. Iz jednačina (6.6ab) do (6.10ab) su izvedene ekvivalentne šeme dinamičkog modela sinhronog generatora u d i q osama, koje su prikazane na slici 6.6.

Slika 6.6 Ekvivalentna šema dinamičkog modela sinhronog hidrogeneratora u dq osama Jednačina za elektromagnetski moment u sistemu relativnih jedinica je data sa: mem   d iq   q id .

(6.11)

Mehanički dio modela sinhronog generatora je predstavljen elektromehaničkom diferencijalnom jednačinom kretanja rotora, koja je za generatorski režim rada izražena u relativnim jedinicama (vrijeme je izraženo apsolutno), i data sljedećim izrazom: d r (t ) 1  (mmeh  mem )  k D  r (t ), dt 2H  r (t )   B (t )   r .

(6.12) (6.13)

U jednačinama (6.12) i (6.13) navedene oznake imaju sljedeća značenja: mmeh-mehanički moment na vratilu generatora, mem-elektromagnetski moment, mf=kD∆ωr(t)-frikcioni moment (kD je frikciona konstanta), T=2H-konstanta inercije sistema, ωr-ugaona brzina rotora, ωB - bazna brzina koja odgovara sinhronoj brzini i ∆ωr - je promjena brzine rotora i u stacionarnom stanju ∆ωr ima vrijednost nula. Ulazi i izlazi u model bloka sinhronog hidrogeneratora: Pm- Prvi ulaz je mehanička snaga na vratilu mašine. U načinu generisanja ovaj unos može biti pozitivna konstanta ili funkcija izlaza nekog pokretačkog bloka. Da bi se simulirao generatorski rad sa upotrebljenom sinhronom hidromašinom u modelu je potrebno dovesti ulaznu mehaničku snagu Pm sa pozitivnim predznakom, a u motornom režimu rada ova 72

Duško Cvijić

Diplomski rad

konstanta je negativna. U simulacijskom modelu mehanička snaga je predstavljena pozitivnom konstantnom zadatom referentnom vrijednosti u relativnim jedinicama koja odgovara nominalnom radnom režimu sinhronog generatora. Vf - Drugi ulaz je pobudni napon. Ovaj ulaz ujedno ostvaruje spojnu vezu između prvog podsistemskog bloka koji modeluje pobudni sistem i drugog podsistemskog bloka koji modeluje rad sinhronog generatora na mreži EES-a. U modelu regulacije pobude pobudni napon se dovodi od strane modelovanog statičkog pobudnog sistema u relativnim jedinicama. m - Izlazni Simulink blok je predstavljen kao vektor koji sadrži 22 izlazna signala koji opisuje posmatrane veličine sinhronog generatora. Ovi signali se mogu demultipleksirati korišćenjem bloka ''Bus Selector'' koji je smješten u Simulink-ovoj biblioteci. Generator je podešen tako da radi u stacionarnom stanju i da je nominalno opterećen, pa su za početne vrijednosti u podešavanju bloka uzete te vrijednosti. Parametri prema kojima je podešen sinhroni hidrogenerator dati su u tabeli P-1, koja je navedena u prilogu P2A na kraju rada. Proračunati parametri za rad generatora u nominalnom stacionarnom stanju takođe su navedeni u okviru priloga P2A-1.

6.2.3.2 Model blok transformatora i postojeće 110 kV mreže Blok transformator je modelovan standardnim modelom dvonamotajnog trofaznog transformatora koji se nalazi unutar modula PSB u biblioteci Elements. Model blok transformatora je prikazan na slici 6.7, a model modelovane 110 kV mreže se nalazi u biblioteci Electrical Sources i prikazan je na slici 6.8.

Slika 6.7 Grafički prikaz modela blok transformatora

Slika 6.8 Grafički prikaz modela 110 kV mreže

Model blok transformatora je izgrađen na osnovu standarne ekvivalentne šeme transformatora. Redna grana je modelovana sa rasipnom induktivnosti i otpornosti namotaja koje se zadaju u samom bloku u relativnim jedinicama. Poprečna grana je modelovana sa induktivnošću magnećenja Lm i aktivnom otpornošću Rm. Sprega transformatora sa VN i NN strane može se izabrati iz bloka za podešavanje parametara, naznačene su sljedeće sprege: Y, Yn sa dostupnim zvjezdištem, uzemljena Yg, trougao ∆1 i trougao ∆11. Blok uzima u obzir tip sprege koja se izabere. Blok sa trofaznim izvorom kojim je modelovana 110 kV mreža EES-a na koju je priključen sinhroni generator se sastoji od uravnoteženog trofaznog naponskog izvora sa unutrašnjim R-L impedansama. Podešavanje ovog bloka je izvršeno zadavanjem snage tropolnog kratkog spoja mreže S3pks, naponskog nivoa mreže UnL, i odnosa reaktansi i rezistansi mreže X/R koja se modeluje. Od parametara u blok se unosi još frekvencija mreže u Hz i fazni stav unutrašnjeg napona naponskog izvora faze A u stepenima. Trofazni naponi se generišu u pozitivnoj sekvenci, a unosom faznog stava faze A automatski se podešavaju fazni stavovi 73

Diplomski rad

Duško Cvijić

faza B i C koje su u zaostajanju za fazom A za 120° i 240°, respektivno. U okviru bloka koji modeluje mrežu EES-a izabrana je sprega uzemljena zvijezda Yg sa nedostupnim zvjezdištem. Proračunati parametri za podešavanje generatorskog blok transformatora i modelovane 110 kV mreže EES-a navedeni su u prilogu P1B.

6.2.3.3 Model potrošnje u mreži Model potrošnje je modelovan blokom koji modeluje serijsko opterećenje i nalazi se unutar modula PSB u biblioteci Elements kao dodatni funkcijski blokovi. Model bloka potrošnje u mreži je prikazan na slici 6.9.

Slika 6.9 Grafički prikaz modela potrošnje u mreži U bloku koji modeluje potrošnju izabran je RL tip opterećenja koje se sastoji od uravnoteženog trofaznog opterećenja u serijskoj kombinaciji RL elemenata. Na ovaj način uvažena je potrošnja aktivne i reaktivne snage što odgovara stvarnom sistemu. U okviru bloka podešen je nominalni linijski napon opterećenja, frekvencija mreže kao i aktivna i reaktivna snaga koju troši priključeno opterećenje. Aktivna i reaktivna snaga koju troši priključeno opterećenje srazmjerna je sa kvadratom promjene napona. Izabrani tip sprege u koju je vezano opterećenje je uzemljena zvijezda Yg sa nedostupnim zvjezdištem. Pretpostavljeno je da je opterećenje priključeno na sabirnicama NN strane, odnosno na naponski nivo od 10.5 kV.

6.2.3.4 Modeli blokova sa kojima su simulirani poremećaji Za slučaj neregulisanog sinhronog generatora tropolni kratki spoj na generatorskim sabirnicama je modelovan upotrebom bloka "fault" iz PSB biblioteke, koji je prikazan na slici 6.10. Ovaj blok omogućava da se izabere tip simuliranog kratkog spoja i njegovo vrijeme trajanja, što se vrši u podešavanju samog bloka. Da bi se mogli uočiti karakteristični pokazatelji koji pokazuju rad statičkog pobudnog sistema u regulaciji napona sinhronog generatora vezanog na mrežu EES-a, potrebno je na neki način simulirati uticaj poremećaja zadatih naponskom regulatoru pobude. U tu svrhu u okviru izvođenja simulacije regulacije napona simulirani su step poremećaji promjenom referentne vrijednosti napona koji se zadaje naponskom regulatoru pobude pomoću bloka "lookup table" koji je prikazan na slici 6.10 i koji omogućava promjenu referentne veličine za definisano vrijeme trajanja.

Slika 6.10 Grafički prikaz bloka za Slika 6.11 Grafički prikaz bloka za simuliranje 3pks-a simuliranje step poremećaja U modelima je uvažen i blok koji modeluje generatorski prekidač tako da se praktično ima cjelokupni prikaz koji prati važniju elektroenergetsku opremu EES-a. U simulacijama su korišćeni i drugi standardni funkcionalni blokovi koji nisu eksplicitno opisani jer se odnose na elemente modula MATLAB/Simulink. 74

Diplomski rad

Duško Cvijić

6.1. Simulacija rada neregulisanog (Pmeh=const. i Vf =const. ) sinhronog generatora na mreži EES-a U ovoj simulaciji posmatra se neregulisan nominalno opterećen sinhroni generator sa Pn=55 MW i Qn=34 MVAr koji je vezan na mrežu EES-a. Navedenom nominalnom opterećenju sinhronog generatora pridružena je vrijednost nominalnog napona pobude koja je i njegova trajna dozvoljena vrijednost. Ova vrijednost pobudnog napona se sve vrijeme održava kao konstantna veličina u sprovedenoj analizi. Simulacijski model koji se koristi u ovoj analizi prikazan je na slici 6.12.

Slika 6.12 Grafički prikaz simulacijskog modela neregulisanog sinhronog generatora priključenog na mrežu EES-a Cilj simulacije je da se pokaže kako promjena velikog intenziteta (u ovom slučaju posmatra se tropolni kratak spoj-3pks na generatorskim sabirnicama) dovodi do gubitka sinhronizma neregulisanog sinhronog generatora sa mrežom EES-a. U prvom slučaju posmatran je rad nominalno opterećenog generatora na mreži EES-a bez simuliranog kvara, a u drugom slučaju generator je takođe nominalno opterećen ali simuliran je 3pks koji nastaje u t1=25s i traje tk=400ms. Nominalne vrijednosti podataka za sinhroni generator koje odgovaraju posmatranom radnom režimu date su u relativnim jedinicama, osim ugla opterećenja čija je vrijednost data u stepenima, sa sljedećim vrijednostima: If=1.73 r.j., Vf= 1.73 r.j., ugn=1 r.j., nn=1 r.j., δn=20.85°, pn=0.85 r.j. i qn=0.53 r.j. Na dijagramima 6.13a prikazane su promjene karakterističnih veličina koje karakterišu pobudno kolo bez simuliranog 3pks-a na generatorskim sabirnicama, a na dijagramima 6.13b sa simuliranim 3pks koji je dovodi do gubitka sinhronizma sinhronog generatora sa mrežom EES-a. U realnim uslovima rada sinhroni generator bi u trenutku 75

Diplomski rad

Duško Cvijić

gubitka sinhronizma ispao sa mreže EES-a nakon prorade prekostrujnih zaštita. U posmatranoj simulaciji u trenutku nastanka 3pks, kao i nakon njegovog prestanka mehanička snaga je sve vrijeme na vratilu generatora konstantna. Nakon gubitka sinhronizma generatora sa mrežom, zbog uvažavanja ove činjenice, simulacije na dijagramima 6.13b i dalje prikazuje ponašanje sinhronog generatora. Ovakva analiza može da ukaže na promjene koje bi se dešavale u sistemu, jer ovakave promjene u realnom sistemu nisu dozvoljene.

Slika 6.13 Dijagrami karakterističnih veličina koje karakterišu pobudno kolo; slika 6.13a sa i slika 6.13b bez simuliranog 3pks-a na generatorskim sabirnicama Ako se izvrši simulacija u kojoj se ne eliminiše nastali 3pks i bez dovođenja mehaničke snage na vratilo generatora i takav proces nastavi do kraja trajanja simulacije dobija se promjena struje pobude za vrijeme trajanja 3pks-a.

Slika 6.14 Struja pobude u funkciji vremena za vrijeme trajanja 3pks-a Promjena fluksa u pobudnom namotaju indukuje elektromotornu silu koja uvećava struju pobude, stvarajući na ovaj način da se fluks pobudnog namotaja zadrži na početnoj vrijednosti. U novom ustaljenom (stacionarnom) stanju struja u pobudnom namotaju ima upravo onu vrijednost koju je imala i prije nastanka kratkog spoja. Na dijagramima 6.15a prikazane su promjene napona na sabirnicama sinhronog generatora, mehaničke ugaone brzine, ugla opterećenja, aktivne i reaktivne električne snage sinhronog generatora za vrijeme nominalnog radnog režima slika 6.15a i za vrijeme i poslije gubitka sinhronizma sinhronog generatora sa mrežom EES-a, slika 6.15b. 76

Diplomski rad

Duško Cvijić

Slika 6.15 Rad neregulisanog (Vf =const.) nominalno opterećenog sinhronog generatora na mreži EES-a; slika 6.15a bez i slika 6.15b sa simuliranim 3pks trajanja tk=400ms koji dovodi do gubitka sinhronizma sinhronog generatora sa mrežom EES-a 77

Diplomski rad

Duško Cvijić

6.2. Simulacija rada statičkog pobudnog sistema u regulaciji napona sinhronog generatora Ova simulacija treba da prikaže osnovno regulaciono svojstvo statičkog pobudnog sistema sa automatskim regulatorom napona i stabilizatorom EES-a. U ovoj simulaciji posmatra se statički pobudni sistem sa osnovnom regulacionom konturom za održavanje napona sinhronog generatora i pored ove regulacione konture ostale mogućnosti regulatora pobude nisu uvažene. Pretpostavlja se idealizovan slučaj rada jednog generatora na mreži EES-a prema simulacijskom modelu koji je prikazan na slici 6.16.

Slika 6.16 Grafički prikaz simulacijskog modela statičkog pobudnog sistema sa osnovnom regulacionom konturom i sinhronog generatora u procesu regulacije napona Rezultati rada simulacije imaju dva osnovna cilja. Prvi cilj simulacije je da se prikaže odziv promjene napona statora sinhronog generatora Sn=65 MVA, Un=10.5 kV koji je priključen na modelovanu 110 kV mrežu EES-a. U modelu pobudnog sistema upravljanje naponom je ostvareno promjenom referentne vrijednosti zadatog napona automatskom regulatoru pobude. U analizi je analiziran najkritičniji slučaj nominalno opterećenog sinhronog generatora Pn=55 MW i Qn=34 MVAr. S obzirom na posmatrani nominalni radni režim sinhronog generatora, ovakav zahtjev moguć je samo u kratkotrajnom vremenskom intervalu u odnosu na dopuštena ograničenja definisana prema pogonskom dijagramu. Ovakav radni režim dovodi do pregrijavanja pobudnog namotaja, koji može trajno da radi sa strujom 5% većom od nominalne, a dozvoljava se samo kratkotrajno termičko preopterećenje. Drugi cilj simulacije je da se pokaže pozitivan efekat djelovanja stabilizatora EES-a, koji je uključen u regulacionu konturu zajedno sa regulatorom pobude. Važno je napomenuti da nominalna vrijednost struje pobude za nominalno opterećen sinhroni generator iznosi If=1.73 r.j.. Simulirana je promjena referentne vrijednosti napona koji je zadat regulatoru pobude i iznosi u1ref =1 r.j. na u2ref =1.05 r.j. koja nastupa u t1=20s i traje do t2=30s. Poslije ove 78

Diplomski rad

Duško Cvijić

promjene ponovo se uspostavlja dozvoljeni nominalni radni režim sinhronog generatora. Između ova dva intervala moguće je vidjeti prelazni proces koji karakteriše promjene praćenih veličina na strani pobudnog kola, kao i promjene praćenih izlaznih veličina generatora. Na dijagramima 6.17a prikazani su odzivi karakterističnih veličina koji karakterišu pobudno kolo sa stabilizatorom EES-a, a na dijagramima 6.17b bez stabilizatora EES-a.

Slika 6.17 Promjene karakterističnih veličina u regulaciji pobude sinhronog generatora koje karakterišu pobudno kolo; slika 6.17a sa i slika 6.17b bez stabilizatora EES-a Na slici 6.18 prikazan je izlazni signal Vs iz stabilizatora EES-a koji kao ulaznu veličinu koristi promjenu mehaničke ugaone brzine dω i koji se uvodi u regulator pobude.

Slika 6.18 Izlazni signal iz stabilizatora EES-a Sa navedenog dijagrama može se uočiti da stabilizacioni signal VS u stacionarnom stanju ima vrijednost nula, a da je za vrijeme promjena u mehaničkoj brzini generatora 79

Diplomski rad

Duško Cvijić

prigušna komponenta momenta koja se uvodi preko signala VS u regulator pobude u fazi sa promjenom mehaničke ugaone brzine generatora. Na slici 6.19 prikazana je promjena napona sinhronog generatora u odnosu na zadati regulacioni signal automatskom regulatoru pobude.

Slika 6.19 Promjena napona generatora-efektivna vrijednost i mjerena vrijednost na generatorskim sabirnicama; slika 6.19a sa i slika 6.19b bez stabilizatora EES-a Sa navedenih dijagrama može se uočiti funkcija regulacije napona koja drži izlazni napon sinhronog generatora na konstantnoj, unaprijed zadatoj vrijednosti. Ovaj rezultat je posljedica povećanja pobudne struje sinhronog generatora, usljed čega dolazi do porasta fluksa u međugvožđu i srazmjerno tome elektromotorna sila generatora raste. Usljed porasta fluksa u međugvožđu raste i generisana reaktivna snaga, što će dovesti do porasta napona UG na krajevima sinhronog generatora. Na dijagramima 6.20a prikazane su karakteristične veličine sinhronog generatora sa stabilizatorom EES-a, a na dijagramima 6.20b bez stabilizatora EES-a. U tu svrhu posmatraju se mehanička ugaona brzina, ugao opterećenja aktivna i reaktivna snaga sinhronog generatora.

80

Diplomski rad

Duško Cvijić

Slika 6.20 Promjene karakterističnih veličina u regulaciji pobude sinhronog generatora koji karakterišu sinhroni generator; slika 6.20a sa i slika 6.20b bez stabilizatora EES-a Sa dijagrama koji su prikazani na slici 6.20a, vidi se pozitivan efekat djelovanja stabilizatora EES-a koji tokom prelaznog procesa djelovanjem na pobudni sistem proizvodi dovoljnu prigušnu komponentu elektromagnetskog momenta. Na ovaj način obezbijeđeno je prigušenje nepoželjnih sporih oscilacija rotora kao i oscilacija u aktivnoj električnoj snazi sinhronog generatora. Na dijagramima koji su prikazani na slici 6.20b u regulaciji pobude nije uključen stabilizator EES-a, tako da se mogu primjetiti dugotrajne spore oscilacije mehaničke ugaone brzine i aktivne električne snage koje nastaju zbog promjene ugla opterećenja sinhronog generatora. Ugao opterećenja se smanjuje zbog porasta indukovane elektromotorne sile generatora usljed povećanja struje pobude. Aktivna snaga u posmatranoj simulaciji održava se na zadatoj nominalnoj vrijednosti. Takođe, zbog promjene struje pobude primjećuje se znatno povećanje reaktivne snage sinhronog generatora preko dozvoljenih ograničenja. Dakle, iz navedenog uočava se da sinhrone generatore nije pametno opteretiti sa punim reaktivnim opterećenjem, budući da oni predstavljaju glavnu rezervu u reaktivnoj snazi koja se može relativno brzo iskoristiti pri iznenadnim poremećajima u sistemu. Ovo znači da je održavanje pomenute rezerve u reaktivnoj snazi veoma bitno za povećanje raspoloživosti EES-a.

81

Diplomski rad

Duško Cvijić

6.3. Dinamički odzivi pobudnog sistema HE "Bočac" Karakteristike koje su prikazane na slikama 6.21a.b i 6.22a.b su snimljene pri ispitivanju statičkog pobudnog sistema generatora G1 HE Bočac [13]. Ove karakteristike predstavljaju tipične dijagrame na osnovu kojih se može vidjeti kvalitet regulacije pobude pri radu sinhronog generatora na mreži EES-a. Odziv sistema regulacije pobude generatora G1 pri velikim poremećajima (pobuđivanje i razbuđivanje) u automatskoj regulaciji pobude predstavljen je na slici 6.21a odakle se uočava da sistem regulacije pobude ima aperiodičan odziv. Odziv sistema regulacije napona generatora pri malim poremećajima (step poremećaji 5%, 10% i 15%) prikazani su na slici 6.21b. Sa slike 6.21b uočava se da se, poslije prelaznog procesa, napon generatora smiruje na vrijednost koja je jednaka veličini napona mreže u tom trenutku.

Slika 6.21 (a) Pobuđivanje i razbuđivanje sinhronog generatora u automatskom režimu rada pobude [13], (b) Step poremećaj 5%, 10% i 15% u naponu sinhronog generatora u automatskom režimu regulacije pobude [13]. Odziv pobudnog sistema pri sinhronizaciji generatora na mrežu EES-a prikazan je na slici 6.22a, a normalno zaustavljanje agregata koje se realizuje električnim kočenjem prikazano je na slici 6.22b

Slika 6.22 (a) Odziv pobudnog sistema pri sinhronizaciji generatora na mrežu [13], (b) Normalno zaustavljanje agregata električnim kočenjem [13]. 82

Duško Cvijić

Diplomski rad

7. ZAKLJUČAK Značaj rada je u tome što na različite načine predstavlja ulogu pobudnih sistema sinhronih generatora u regulaciji elektroenergetskih sistema. Prikazane su prednosti statičkih pobudnih sistema u odnosu na stara rješenja, pa je očigledan put u osavremenjavanju regulacije pobude sinhronih generatora. U tu svrhu rad je popraćen navođenjem realnih primjera na kojima su objašnjene neke važnije veličine u pogledu kako samog pobudnog sistema tako i generatora. Posebna pažnja je posvećena statičkim pobudnim sistemima, jer je razvoj i primjena savremenih tehničkih i tehnoloških rešenja doveo do realizacije fleksibilnih statičkih pobudnih sistema koji omogućavaju realizaciju širokog spektra regulacionih, upravljačkih i zaštitnih funkcija. U okviru statičkih pobudnih sistema opisane su nove varijante sa digitalnom regulacijom pobude, jer pobudni sistemi realizovani sa digitalnim regulatorima pobude pokazuju odlične performanse u postupku regulacije pobude. Takođe, opisane su i rezervne strukture statičkih pobudnih sistema u energetskom i upravljačkom dijelu. Ako se na ovo doda još i mogućnost praćenja i stalnog nadzora nad pobudnim sistemom i regulacionim veličinama ostvaren je praktično veliki korak za stabilan i pouzdan rad sinhronih generatora u elektroenergetskom sistemu. U okviru rada urađene su simulacije sa neregulisanim i regulisanim sinhronim generatorom. Da bi se vidio efekat djelovanja pobudnog sistema u regulaciji napona sinhronog generatora analizirana je simulacija koja posmatra regulisan sinhroni generator vezan na mrežu elektroenergetskog sistema. U ovoj simulaciji simuliran je zahtjev za promjenu napona na generatorskim sabirnicama da se pokaže odziv pobudnog sistema i promjena ključnih veličina koje će omogućiti da se realizuje ovakav zahtjev. Za primjer pobudnog sistema takođe, je analiziran i opisan statički pobudni sistem HE "Bočac", jer takvi vidovi realizacije pobudnih sistema se široko primjenjuju. Na ovaj način sagledani su pobudni sistemi i njihova najznačajnija uloga. Uočen je put koji se mora osigurati za povoljan rad elektoenergetskog sistema. Za tu ulogu potrebno je pratiti stalne promjene, usavršavati i osigurati stabilnu regulacionu konturu koja treba da odgovori na bilo kakve promjene u sistemu i omogući zadovoljavajući rad sinhronih generatora uz minimalne gubitke tokom njihove eksploatacije. Ovaj diplomski rad može da predstavi polaznu osnovu za dalje usavršavanje i realizaciju pobudnih sistema s obzirom na njihov značaj u regulaciji sinhronih generatora. Takođe, važno je napomenuti da s obzirom na ispitane simulirane prelazne procese koji se dešavaju za vrijeme velikih poremećaja u elektroenergetskom sistemu razmatranja u ovom radu mogu poslužiti za proširivanje analize upravljanja pobudom sinhronih generatora u cilju održavanja njihovog stabilnog rada. Takođe, imajući u vidu da se danas koriste isključivo digitalni regulatori pobude, nastavak rada se može proširiti na modelovanje ovakvih regulatora pobude koji uključuju više regulacionih kontura.

83

Duško Cvijić

Diplomski rad

8. LITERATURA Milan S. Ćalović, Regulacija elektroenergetskih sistema, Tom-2, ETF Beograd, Beograd, 1997 [2] Milenko B. Đurić, Željko Đurišić, Aleksandar R. Čukarić, Veselin Ilić, Elektrane, ETF Beograd, Beograd, 2010 [3] Slobodan N. Vukosavić, Električne mašine, ETF-BG, Akademska misao, Beograd 2010 [4] Miloš Milanković, Sinhrone mašine, skripta, skolska 2005/06 godina [5] Nikola Rajaković, Analiza elektroenergetskih sistema 2, Akademska misao, Beograd, 2008 [6] Ion Boldea, SYNCHRONOUS GENERATORS, Polytechnical Institute Timisoara, Romania, Published in 2006 by CRC Press Taylor & Francis Group [7] SIPOL Transistorized Excitation Systems Published by and copyright 2004, Siemens AG for Synchronous Generators [8] ABB Impact of excitation system on power system stability, publikacija sa interneta u formi prezentacije, ABB Industrie AG [9] Jan Machowski, Janusz W. Bialek, James R. Bumby, POWER SYSTEM DYNAMICS Stability and Control, Second Edition, this edition first published 2008 [10] IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies, IEEE Std. 421.5-1992, Approved March 19, 1992 [11] Statički sustav uzbude s tiristorskim usmjerivačem i digitalnim regulatorom napona tipa DRN, Končar, Katalog LA 2858HR [12] Zoran Ćirić, Đorđe Stojić, Dušan Joksimović, Nemanja Milojčić, Dušan Arnautović REKONSTRUKCIJA SISTEMA POBUDE BLOKA 4 U TE "NIKOLA TESLA A" Elektrotehnički institut “Nikola Tesla”, Beograd [13] Zoran Ćirić, Đorđe Stojić, Nemanja Milojšić, Milan Milinković, Dušan Joksimović, Dušan Arnautović: Izrada i puštanje u pogon statičkih sistema pobude sinhronih Generatora u HE "Bočac", stručni rad, Elektrotehnički institut “Nikola Tesla”, biblid: 0350-8528(2008-2009),19.p. 117-128, Beograd 2009 [14] Power System Blockset, (PSB) User's Guide, The MATH WORKS, 2008 [15] Milan S. Ćalović, Predrag Č. Stefanov: Zbirka zadataka iz regulacije elektroenergetskih sistema, Beopres, Beograd, 2000. [16] The Mathworks, Inc., ”MATLAB version R2010b”, © 1984-2010 [1]

84

Duško Cvijić

Diplomski rad

Prilog 1A Usvojene bazne vrijednosti promjenljivih veličina generatora Za osnovne bazne vrijednosti odabrane su [15]:   

65MVA ili  21.666 MVA S B  65 MVA 3 10.5 kV  6.062 kV Bazni napon: U 1B  U fn  ili U B  10.5 kV  3 Bazna električna ugaona brzina: ωB  ωn  2πf n  2π  50  314 el.rad/s

Bazna snaga: S1B  S fn 

Iz osnovnih baznih vrijednosti dobijaju se sekundarne bazne vrijednosti statora: S1B 21.66 MVA   3.574 kA U 1B 6.062 kV



Bazna struja: I1B  I fn 



Bazna impedansa statorskog kola: R1B  Z1B 



Bazno vrijeme: t B 



Bazna mehanička ugaona brzina:  mB 



Bazna indiktivnost: L1B 



Bazni fluks:  B 



Bazni moment: M B  p 

1

n

U 1B

B





U 1B 6.062 kV   1.696 Ω I 1B 3.574 kA

1  0.003184 s / rad 314

Z 1B

B



B p



314  15.7 rad / s 20

1.696  5.40 mH 314

6.062 kV  19.305Wb 314 SB

mB



SB

B



65 MVA  207 kN 314

Bazne vrijednosti veličina pobudnog namotaja rotora [15]: Napomena: Nominalanom naponu na krajevima generatora u praznom hodu odgovara pobudna struja I f  605 A, po karakteristici međugvožđa. Trenutni napon faze a je u a  i f  n M f sin  , što znači da amplituda faznog napona odgovara proizvodu i f  n M f . Mf 

2U fn

n I f



2  6.062 kV  45.128 mH 314  605

85

Duško Cvijić

Diplomski rad

kM f 

3  45.128 mH  55.270 mH , 2

k

3 -recipročna vrijednost modifikovane konstante Parkove transformacije 2

kf 

kM f Lmd



55.270 mH  12.476, 4.430 mH

Nakon proračuna koeficijenta svođenja, (posmatranih sa strane statora) se dobija [14]:

 Lmd za

 Ld  Ld  4.430 mH 

bazne

vrijednosti

veličina

rotora

I 1B 3574   286.470 A k F 12.476



Bazna vrijednost struje pobude: I FB 



Bazna vrijednost pobudnog napona: VFB  k FU1B  75631.730V



Bazna otpornost rotorskog kola: RFB  k F2 R1B  12.476 2  1.696  263.983 



Bazna induktivnost rotorskog kola: LFB  k F2 L1B  12.476 2  5.40  10 3  0.840 H

86

Duško Cvijić

Diplomski rad

Prilog 2A Podaci o sinhronom generatoru HE Bočac Podaci o sinhronom generatoru G1 HE "Bočac" koji je korišćen u simulaciji i vrijednosti nominalnih parametara navedeni su u tabeli P.1.    

Proizvođač: Rade Končar Tip: C7707 – 40 Godina proizvodnje: 1980. Broj faza: 3

U tabeli P.1 su dati nominalni podaci u SI-sistemu i u sistemu r.j. za sinhroni hidrogenerator G1 HE "Bočac". Tabela P.1 Nominalni podaci sinhronog hidrogeneratora G1 HE "Bočac" Naziv veličine Prividna snaga generatora Linijski napon Struja statora generatora Faktor snage Frekvencija Brzina obrtanja generatora Vremenska konstanta inercije Sinhrona uzdužna nezasićena reaktansa Sinhrona poprečna nezasićena reaktansa Tranzijentna uzdužna nezasićena reaktansa Subtranzijentna uzdužna nezasićena reaktansa Sinhrona rasipna reaktansa statora Otpornost namotaja statora pri 20°C Otpornost namotaja rotora pri 20°C Otpornost namotaja rotora pri 75°C Vremenska konstanta pri otvorenom kolu statora i sa prigušnim namotajem Tranzijentna vremenska konstanta pri kratkom spoju statora Subtranzijentna vremenska konstanta pri kratkom spoju statora Subtranzijentna vremenska konstanta pri otvorenom kolu statora Napon pobude u praznom hodu Struja pobude u praznom hodu Nominalni napon pobude Nominalna struja pobude

Oznaka

Vrijednost

S Un In cosφ f n H xd xq x’d x”d xσ Rs RF RF

65 MVA 10.5 kV 3574 A 0.85 50 Hz 150 o/min 5s 97%, 0.97 r.j. 59%, 0.59 r.j. 41%, 0.41 r.j. 26%, 0.26 r.j. 15%, 0.15 r.j. 0.0042 Ω 0.1382 Ω 0.1680 Ω

Tdo'

3.99 s

T d'

1.70 s

Tq' '

0.02 s

Tq' '

0.01 s

VF IF VFn IFn

101.65 V 605 A 206 V 1225 A 87

Duško Cvijić

Diplomski rad

Prilog 2A-1 Proračun stacionarnog stanja generator G1 HE "Bočac" Prije bilo koje promjene koja izaziva dinamički odziv sinhronog generatora potrebno je definisati početne uslove, tj. potrebno je definisati stacionarno stanje u kojem se generator nalazio. U izvođenju simulacija pretpostavljeno je da u početnom trenutku generator radi priključen na krutu mrežu konstantnog napona i frekvencije pri čemu je nominalno opterećen. Za rad generatora u ovom stacionarnom stanju, vrijede sljedeće nominalne veličine: Napon krute mreže: uM =1 r.j. φM=0° Nominalne struje statora: iA=1r.j.,φA=31.75°, iB=1r.j, φB=-88.75°., iC=1r.j., φC=-208.25°. Ako se nacrta vektorski dijagram sinhronog hidrogeneratora pri poznatim uslovima na krajevima mašine,

može se doći do izraza koji određuje ugao opterećenja koji za nominalni radni režim ima sljedeću vrijednost : x q in cos   rs in sin  0.59  1  0.85  0.0024  1  0.526  n  arctg  arctg  20.86 . u  rs in cos   x q in sin  1  0.0024  1  0.85  0.59  1  0.526 Sada se na osnovu fazorskog dijagrama može pisati:

u d  u n sin  n  0.356 r. j.

id  in sin(  n   n )  0.795 r. j.

u q  u n cos  n  0.934 r. j.

iq  in cos( n   n )  0.606 r. j.

Za nominalnu indukovanu elektromotornu silu (e q ) koja potiče od pobudne struje dobija se: eq  u q  rs iq  x d id  1.73 r. j. U modelu sinhronog generatora u MATLAB/Simulink-u kao bazna vrijednost struje pobude iFdB odabrana je struja iFd0 koja mora teći pobudnim namotajem da bi se u praznom hodu u statorskom namotaju indukovao nominalni napon. Budući da je vrijednost nominalnog napona statora jednaka unG =1.0 r.j., a prividna indukovana elektromotorna sila eq je proporcionalna struji pobude, odatle slijedi da je relativna vrijednost napona pobude za neku stacionarnu radnu tačku generatora jednaka vrijednosti elektromotorne sile eq, tj. može se pisati: u Fd (r. j.)  eq (r. j.).

88

Duško Cvijić

Diplomski rad

Prilog 1B Podaci o blok transformatoru HE Bočac i o postojećoj 110 kV mreži Osnovni podaci o blok transformatoru HE "Bočac" koji je korišćen u simulaciji su: Tip: 1 TOP 65 000 – 123 Snaga: 65 000 kVA Napon: 121 kV/10.5 kV u k (%)  10.66%

Broj: 309019 Broj faza: 3 Struja: 310/3574 Hlađenje: ONAN/ONAF

Godina: 1981 Sprega: YN d5 Frekvencija: 50 Hz Ukupna masa: 70.6t

Proračunate vrijednosti nominalnih parametara koje su korišćene u simulaciji date su u nastavku. Koristeći izraz u k (%)  z k (%) , ekvivalentne šeme:

Zk 

i cos  k  0.02,

dobijaju se parametri redne grane

z k % U n2 10.66 10.5 2     0.1808  100 S n 100 65

Rk  Z k cos  k  0.003616 

X k  Z k sin  k  0.1807  Približno se može uzeti da su aktivne i reaktivne otpornosti primara jednake svedenim aktivnim i reaktivnim otpornostima sekundara,

Rk  0.00180  , 2 X X 1  X 2'  k  0.09035  . 2

R1  R2' 

r1  r2'  0.0010 r. j. x1  x2'  0.0532 r. j. l1  l 2'  0.0532 r. j.

Postojeća 110 kV mreža U simulacijama je korišćena i postojeća 110 kV mreža na koju je generator priključen preko blok transformatora. Za simulaciju se zahtjeva poznavanje snage tropolnog kratkog spoja mreže i odnos rezistansi i reaktansi mreže. Usvojeno je da se struja kvara troplnog kratkog spoja na sabirnicama elektrane određena sa ≈18 kA i za naponski nivo od 110 kV izračunata je snaga tropolnog kratkog spoja koja je data sa: S M' (3PKS )  3U n I M'  3430  10 6 VA. Takođe, uvažena je i činjenica da za 110 kV mrežu vrijede odnosi rezistansi i reaktansi mreže u omjeru oko 1:2, (R:X=1:2). 89

Diplomski rad

Duško Cvijić

Prilog 1C Pogonski dijagram HE "Bočac"

90