Turbógenerátorok hatásos villamos teljesítménylengéseinek csillapítása

Égi Tamás okl. villamosmérnök, PA Rt.–Dr. Kiss Lajos okl. villamosmérnök, BME –Dr. Kisvölcsey Jenô okl. villamosmérnök, BME–Zerényi József okl. villamosmérnök, MVM Rt.

Turbógenerátorok hatásos villamos teljesítménylengéseinek csillapítása ∆ P A villamosenergia-rendszer összes termelôi és fogyasztói teljesítményei ideális esetben egyensúlyban vannak. A fogyasztói rendszer teljesítményében véletlenszerûen fellépô rendszertelen változások ezt az egyensúlyt megzavarják. A teljesítményváltozások hatására a rendszer frekvenciája megváltozik. Az UCTE/CENTREL villamosenergiarendszer saját frekvenciáinak körülbelüli értékei az eddigi modellvizsgálatok és mérések szerint 0,25...0,5...1,2 Hz. Ismert, hogy az elektromechanikai rendszerek valamely zavarásra saját frekvenciájú lengésekkel válaszolnak. A „zavaró jellegû” teljesítményváltozásokra való hatásként a magyar villamosenergia-rendszer frekvencia idôfüggvényében is megjelennek a fenti frekvencia tartományba esô, kb. 5 mHz-es amplitúdójú lengések. Az UCTE/CENTREL együttmûködô villamosenergiarendszer beépített teljesítménye kb. 300 000 MW, amely rendszer frekvencialengéseit egy 200 MW-os blokk gyakorlatilag nem befolyásolja. Az általunk vizsgált 200 MW-os blokkok hatásos villamos teljesítménylengéseit tehát a frekvencialengések okozzák. A jelen publikáció annak a tevékenységnek az elvi és gyakorlati vonatkozásait írja le, amelynek eredményeképpen 1998. október 28-án üzembe került a Paksi Atomerômû Rt. 21. számú turbina-generátor egységén egy lengéscsillapító berendezés (PSS). A munkával kapcsolatos kutatási, mérési és kivitelezési, valamint üzembe helyezési tevékenységet a BME Villamosmûvek Tanszéke, az MVM Rt.-OVRAM, valamint a Paksi Atomerômû Rt. Villamos Igazgatóságának munkatársai végezték. A beruházás költségvonzatára jellemzô, hogy a meglévô forgógépes gerjesztésszabályozó esetén a lengéscsillapító funkció pótlólagos megvalósítása közel 2 M Ft-os költségkereten belül megvalósítható volt.

A gerjesztô gépek felépítése, mûködési filozófiája Amikor a gerjesztésszabályozó hatását vizsgáljuk, figyelembe kell vennünk, hogy a teljes gerjesztô rendszernek a szinkrongenerátor is része. A szabályozás statikus és dinamikus tulajdonságait a szinkrongép reaktanciái, idôállandói és a tehetetlenségi nyomatéka is befolyásolják. A rendszer szabályozó- és gerjesztôgép alrendszerének általános blokkvázlatát az 1. ábrán adjuk meg. Az ábra jelölései: UREF a kapocsfeszültség parancsolt értéke (v.e.); UK a kapocsfeszültség tényleges értéke (v.e.); IS az állórész áram (sztátoráram) értéke (v.e); a terhelés kompenzációt figyelembe vevô állandó k (1); UPSS a PSS kimenôjele (v.e.); USZ a gerjesztés szabályozó kimenô feszültsége (v.e.); UG a gerjesztô feszültség (v.e.);

A Magyar Villamos Mûvek Közleményei, 1999/6.

∆f G(s) s Pt

a generátor hatásos villamos teljesítményének megváltozása (v.e.); a környezeti frekvencia megváltozása (mHz); a gerjesztô feszültségrôl érkezô visszacsatolás átviteli függvénye (v.e.); a Laplace operátor (s); a turbina teljesítmény (v.e.).

1. ábra A gerjesztô rendszerek általános felépítését szemléltetô ábra

Az 1. ábrán leolvasható a gerjesztésszabályozó feladata: a szabályozó addig változtatja az UG értékét, amíg a kapocsfeszültség tényleges értéke (UK) és a parancsolt érték (UREF) közötti eltérés a szabályozó paraméterei által determinált értékû lesz. (Magyarországon szokásos az ún. meddôteljesítmény tartó üzemmód. Ebben az esetben a fentiek értelemszerûen a meddôteljesítményre vonatkoznak.) Az 1. ábrán megadott általános blokkvázlat konkrét megjelenési formája különbözô lehet attól függôen, hogy mikor készült és mely országban valósították meg [2]. A gerjesztôgépek három fô típusát különböztetjük meg: – a gerjesztôfeszültséget kommutátoros egyenáramú gép állítja elô (típus: DC); – egy váltakozó áramú generátor feszültségét álló vagy forgó diódák egyenirányítják (típus: AC); – egy háromfázisú transzformátor feszültségét tirisztorok egyenirányítják (típus: ST). A magyar villamosenergia-rendszerben – tudomásunk szerint – AC típusú gerjesztésszabályozó nem üzemel. A gerjesztô gép átviteli függvénye DC típus esetén az (1) egyenlet szerinti. (1) Az (1) egyenlet szerint, a lineáris tartományban a DC típusú gerjesztô gép integráló szabályozástechnikai elemként modellezhetô. Idôállandója: TE (s). Az energiatárolót a gerjesztô gép induktivitása jelenti. Mivel az ST típusú gerjesz-

33

tésszabályozóban nincs energiatároló, arányos elemnek tekinthetô. A DC típusú gerjesztésszabályozó alapmodelljét a [2] irodalmi hivatkozásból vettük (Type DC1 - DC Commutator Exciter) és szabályozástechnikai modelljét a 2. ábrán közöljük. Az ábra jelölései: TA ,TB ,TC ,TE ,TF idôállandók (s); KA a gerjesztésszabályozó erôsítési tényezôje (v.e./v.e.); KF a visszacsatoló ág erôsítési tényezôje (v.e./v.e.); SE + KE a vastelítést figyelembe vevô tényezô (v.e.), a lineáris szakaszon értéke = 0; T.G.R. Transient Gain Reductor a kapocsfeszültség hirtelen változásainál a gerjesztésszabályozó erôsítését lecsökkenti.

4. ábra A GSD típusú gerjesztésszabályozó szabályozástechnikai modellje

Az ST típusú gerjesztésszabályozó alapmodelljét szintén a [2] irodalmi hivatkozásból vettük (Type ST1 Potential Source - Controlled Rectifier Exciter) és szabályozástechnikai modelljét az 5. ábrán közöljük.

2. ábra A DC típusú gerjesztésszabályozó alapmodellje

A magyar villamosenergia-rendszerben mûködô gerjesztésszabályozók közül az MS és a GS típusúak azok, amelyek a 2. ábrán adott modell változatai lehetnek. A 3. ábrán az MSC típusú gerjesztésszabályozó modelljét adjuk meg. Az ábra jelölései: TE és TF idôállandók (s); AM és AF a gerjesztésszabályozó erôsítési tényezôje (v.e./v.e.); KF a visszacsatoló ág erôsítési tényezôje (v.e./v.e.); SE + KE a vastelítést figyelembe vevô tényezô (v.e.).

5. ábra Az ST típusú gerjesztésszabályozó alapmodellje

A magyar villamosenergia-rendszerben a fentieken túlmenôen mûködnek SG típusú (GANZ ANSALDO Rt.) statikus gerjesztôk, és a hozzájuk tartozó szabályozók (6. ábra). Ezek a következôkben térnek el az 5. ábrán adott alapkapcsolástól:

3. ábra Az MSC típusú gerjesztésszabályozó szabályozástechnikai modellje A 2. és a 3. ábrán adott modellek összevetésébôl látható, hogy a kettô közötti lényeges különbség az, hogy az MSC típusú gerjesztésszabályozó nem tartalmaz T.G.R. elemet. A GSD típusú gerjesztés szabályozó modelljét a 4. ábra tartalmazza. A 2. és a 4. ábrán adott modellek összehasonlítása alapján látható, hogy a kettô közötti lényeges különbség az, hogy a GSD típusú gerjesztésszabályozónak nincs gerjesztô feszültségrôl jövô stabilizáló visszacsatolása, valamint tartalmaz T.G.R. elemet, T1/ T2 idôállandóval, azonban ennek hatását kompenzálja a T2/ T4 > T1/ T2 választással.

34

6. ábra Az SG típusú gerjesztésszabályozó modellje – nem tartalmaznak T.G.R. elemet; – a szabályozónak feszültségszabályozó köre és alárendelt áramszabályozó köre van;


– mind a feszültség-, mind az áramszabályozó körben van egy integráló elem (amelynek az a szerepe, hogy az UREF - UK = 0 értékre szabályozzon); – a gerjesztôáramról jövô visszacsatolásuk van. A 6. ábra jelölései: TU és TI idôállandók (s); AU és AI a gerjesztésszabályozó erôsítési tényezôje (v.e./v.e.). A 2-6. ábrák alapján látható, hogy a magyar villamosenergia-rendszerben mûködô gerjesztésszabályozók szabályozástechnikai modellje eltér a [2] irodalmi hivatkozás alapkapcsolásaitól. A német, francia, lengyel, cseh, szlovák, spanyol és az ukrán energiarendszerben mûködô gerjesztô rendszerek nem, vagy csak kis mértékben térnek el az alapkapcsolásoktól. Ez nem jelenti azt, hogy a magyar villamosenergiarendszerben üzemelô gerjesztô rendszerek statikus és dinamikus tulajdonságai elvileg rosszabbak, mint a felsorolt más rendszereké; azonban az eddig általunk elvégzett modellvizsgálatok és helyszíni mérési eredmények alapján a lengéscsillapító hatás szempontjából az ajánlott alapmodellekétôl eltérô, attól lényegesen alacsonyabb hatásfokú mûködés állapítható meg. A p bemenetû PSS megvalósítása Általános áttekintés, a hatásos villamos teljesítménylengések csillapító áramkörei A hatásos villamos teljesítménylengések csillapító áramköreit az 1. ábrán a rendszerrôl érkezô visszacsatoló jelként (UPSS) tüntettük fel. A jelek forrásai a következô paraméterek lehetnek: 1. hatásos villamos teljesítmény (p), 2. környezeti frekvencia (f), 3. kapocsfeszültség (uK), 4. gerjesztô áram (iG). A csillapító vagy stabilizáló áramkörök (Power System Stabilizer = PSS) kb. 80 %-a p bemenetû. Az eddig kézhez kapott anyagokban uK és iG megváltozását felhasználó bemenetet a cseh, a szlovák és az ukrán rendszerben üzemelô PSS-ek blokkvázlatain láttunk. Ezekre a csillapító áramkörökre azért van szükség, mert tapasztalati tény, hogy ha egy erômûben az összes szabályozó berendezést kézi üzembe állítják, akkor a lengések nagymértékben lecsökkennek [3]. Ezt támasztják alá a 7. ábrán megadott saját mérési eredményeink is. A 7. ábrán látható spektrumvonalak, valamint az SF értelmezését a Függelékben adtuk meg. Az SF értékek a kérdéses generátornak a vizsgált frekvenciasávba esô teljesítményét adják MW-ban. Középértékük meghatározásánál 12 (egymás után következô) 100 másodperces idôintervallumban mért átlagot képeztünk. Nagysága jellemzô a generátor-gerjesztésszabályozó rendszer dinamikus tulajdonságaira. A 7. ábrán látható spektrumvonalak szemmel történô kiértékelése is mutatja, hogy a gerjesztésszabályozó erôsíti a hatásos villamos teljesítménylengéseket, növeli a lengési amplitúdót. Ezt van hivatva ellensúlyozni a PSS. A PSS célja az, hogy a c) esetben mért SFköz legyen kisebb, mint az a) esetben mért érték. Az erômûvi blokk mûködésére jellemzô legfontosabb villamos jelek idôfüggvényeit a 8. ábrán adtuk meg. A 8. ábrán megadott idôfüggvényeken szemmel is követhetô az [1] irodalmi hivatkozásban közölt saját frekvenciák közül a kb. 0,26 és az 1 Hz-es frekvenciaösszetevô. A kb. 0,26 Hz-es frekvenciájú lengések szemmel is láthatóak az SG típusú gerjesztésszabályozó szekrény ajtaján található táblamûszeren. A lengések amplitúdója számottevôen csökken, ha a szabályozót kézi üzemmódba kapcsoljuk. Kimutatható (lásd a [4] irodalmi hivatkozást), hogy az egyes blokkok hatásos villamos teljesítménylengései összegezôdnek, és az eredô érték jelenik meg a villamosenergiaalrendszer teljesítmény szaldójában.


7. ábra Egy 200 MW-os blokk hatásos villamos teljesítménymegváltozás idôfüggvényének Fourier transzformáltja; a) a statikus gerjesztésszabályozó kézi üzemben, b) a gerjesztésszabályozó automatikus (feszültségtartó) üzemmódban AVR (Automatic Voltage Regulation) PSS: OFF, c) AVR + PSS

8. ábra Egy 200 MW-os blokk frekvencia-, hatásos és meddôteljesítmény megváltozás idôfüggvénye stacioner állapotban. A statikus gerjesztésszabályozó automatikus (feszültségtartó) üzemmódban, PSS: OFF

35

A p bemenetû PSS hangolása

Adjunk a mixing point-ra egy további, a (2) egyenlet szerinti jelet:

A PSS tervezésénél, gyártásánál és hangolásánál minden, a kérdéssel foglalkozó cég és munkacsoport más-más módszert követ. Mi a PSS hangolásánál az [5] irodalmi hivatkozásban leírtakból indulunk ki. A módszert a 9. és a 10. ábra segítségével szemléltetjük.

(2) ahol A a zavaró jel (UZ) amplitúdója. Értékét minden mérési pontban a hatásos- és a meddôteljesítmény-lengések amplitúdója determinálja. A mérést ugyanis úgy kell elvégeznünk, hogy azzal a blokk stacioner üzemét ne zavarjuk. Az F frekvenciát 0,1 Hz-es lépésekben változtattuk a 0,1 < F < 2,5 Hz frekvenciatartományban. Mérjük meg a ∆P és az UZ idôfüggvény közötti fáziseltolást (ï∆P). Ha a PSS-sel (3)

9. ábra Egy gép nagykiterjedésû hálózat eset elvi sémája. G-TH: generátor-transzformátor-hálózat. ∆ fH: a nagykiterjedésû hálózat „súlypontjában” mért frekvenciának a t = 0 pillanatban mért értéktôl való eltérése (mHz)

vagyis a (3) egyenlet szerinti fáziseltolást hozzuk létre és a jel amplitúdóját UZ = KP . ∆P

(4)

a (4) egyenlet szerintire választjuk és ezt negatív elôjellel adjuk a mixing point-ra, akkor a zavaró jel hatását (elméletileg) kiküszöböljük. A PSS-nek a 0,2 < f < 2,5 Hz frekvenciatartományban kell hatékonyan mûködnie. A 0,2 Hz alatti frekvenciatartományban a turbinaszabályozók aktivizálhatók. A helyszíni mérés eredményeként kiadódott, a hangolás szempontjából lényeges, ϕPSS értékeket a 12. ábra tartalmazza.

10. ábra A p bemenetû PSS beállítását (hangolását) szemléltetô ábra

Azt a Σ pontot, ahol a gerjesztésszabályozóban az UK és az UREF feszültségek találkoznak, mixing point-nak szokták nevezni. Ide csatlakozik a PSS kimenôjele is. Végezzük el a következô gondolatkísérletet (11. ábra). 12. ábra Az 1,2 Hz-re hangolt p bemenetû PSS csatorna Nyquist diagramja. A függôleges irányú nyilak azokhoz a vastag vonalakhoz mutatnak, amelyek a PSS-tôl kívánt fázisforgatást jelölik, az adott frekvenciájú jelek maximális mértékû csillapításához

A p bemenetû PSS elemei

11. ábra A p bemenetû PSS beállítását (hangolását) szemléltetô ábra az UZ és az UPSS jel feltüntetésével

36

Azok a szabályozástechnikai elemek, amelyekkel a 12. ábrán adott Nyquist diagram megvalósítható, az elmúlt 30 évben alakultak ki [6]. Az a struktúra, amellyel a 12. ábrán adott Nyquist diagram elôállítható, szintén alapkapcsolásnak tekinthetô [7], elemei az alul- és felüláteresztô szûrôk (jelfor-


máló elemek), valamint a fázisforgató (lead-lag) egységek. Átviteli függvényeik pedig a következôk. Aluláteresztô szûrô (egytárolós arányos tag) [8]: (5)

(

ahol s a Laplace operátor. Az s = jω helyettesítéssel jutunk el a frekvenciatartományban való vizsgálathoz. Az (5) egyenletbôl látható, hogy ω = 0 esetén YA(jω) = 1, és ω ⇒ ∞ esetén YA(jω) ⇒ 0, tehát valóban aluláteresztô szûrôrôl van szó. Felüláteresztô szûrô (egytárolós differenciáló tag) [8]:

(

(6)

)

Lead-lag elem (fázissiettetô-késleltetô tag) [8]:

(

)

(7)

Ha T2 > T1 akkor a tag fáziskésleltetô, mivel szinuszos bemenôjelre a kimenôjel fázisban késik a bemenôjelhez képest, míg T1 > T2 - nél fázissiettetô tagról van szó. Fentiek alapján az 1,2 Hz-re (vagyis az elektromechanikai önfrekvenciára) hangolt PSS szabályozástechnikai sémáját a 13. ábra tartalmazza.

13. ábra Az 1,2 Hz-re hangolt p bemenetû PSS csatorna szabályozástechnikai modellje A 12. ábrán látható, hogy a PSS – jó közelítéssel – az 1,2 Hz környezetében adja a legnagyobb kimenôjelet. A 0,5 Hz-re hangolt csatornánál ezt az állapotot csak közelíteni tudtuk úgy, hogy három lead-lag tagot alkalmaztunk. Ha a megvalósított Nyquist diagram olyan, hogy a PSS kimenôjele a 0,2 Hz alatti tartományban sokkal nagyobb, mint azon a frekvencián, amelyre hangoltuk, akkor a turbinateljesítmény üzemszerû megváltozása meg nem engedhetô meddôteljesítmény-változást okoz. Ez azt jelenti, hogy a turbina- és a gerjesztésszabályozónak mind stacioner, mind pedig tranziens állapotban összehangoltan kell mûködnie. További hangolást igényel a PSS és a meddôteljesítmény szabályozó harmonikus együttmûködésének a biztosítása.

15. ábra Az f bemenetû PSS csatorna szabályozástechnikai modellje

A 0,25 Hz-es frekvenciájú hatásos villamos teljesítménylengések csillapítására hangolt PSS Nyquist diagramját a 14. ábrán adjuk meg. A 13. ábrán adott szabályozástechnikai struktúrával a feladat nem oldható meg, mivel a munkaponthoz tartozó jel amplitúdója sokkal kisebb lenne, mint a 0,25 Hz alatti frekvenciákhoz tartozó amplitúdók. Ezért a 15. ábrán adott szabályozástechnikai modellt valósítottuk meg. A 15. ábrán adott modell mindkét egysége kéttárolós differenciáló tag [8]. Az elsô elem egy szûrô, amely azon a frekvencián adja a legnagyobb U1 kimenôjelet, amelyre hangoltuk. A második elem az U1 jel fázisforgatását végzi. Az idôállandók meghatározásánál figyelembe vettük, hogy (9)

Az f bemenetû PSS megvalósítása Általános áttekintés, a hatásos villamos teljesítménylengések csillapító áramkörei Tekintsünk egy erômûvi blokkot. Ha a hatásos villamos teljesítményváltozást (∆P) periodikusan változó környezeti frekvenciaváltozás (∆f) hozza létre, akkor a ∆f 90°-ot siet ∆P-hez képest. Mivel az f bemenetû PSS ugyanarra a Σ pontra hat, mint a p bemenetû, érvényesnek kell lennie a (8) egyenletnek. (8)


14. ábra A 0,25 Hz-re hangolt f bemenetû PSS csatorna Nyquist diagramja. A függôleges irányú nyilak azokhoz a vastag vonalakhoz mutatnak, amelyek a PSS-tôl kívánt fázisforgatást jelölik, az adott frekvenciájú jelek maximális mértékû csillapításához

esetén az egyes elemek kimenôjele aperiodikusán változik. A magyar villamosenergia-rendszerben jelenleg az 1-1,5 a 0,5 és a 0,25 Hz-es frekvenciák azok, amelyekre a PSS-eket hangolni kell. Ha további alrendszerek csatlakoznak az UCTE/CENTREL rendszerhez, akkor ezek a frekvenciák elôreláthatóan kismértékben változni fognak. Ez a probléma – az irodalom szerint – áthidalható olyan gerjesztésszabályozóval és PSS-sel, amely az üzemi körülmények függvényében változtatja a paramétereit [9]. Mi a munkánk során ilyen célt nem tûzhettünk ki magunk elé, mivel a kiindulási feltétel az volt, hogy a meglévô gerjesztésszabályozónak

37

sem a struktúráját, sem pedig a paramétereit nem változtathatjuk meg. Azt a megoldást választottuk tehát, hogy a teljes frekvenciatartományt fogtuk át a (2.p + 3.f) bemenetû PSSsel, melyet 1,2, 0,5, 0,45, 0,35 és 0,25 Hz-re hangoltunk. Elsô ránézésre logikátlannak tûnik, hogy elôbb közöljük a Nyquist diagramot, mint a hozzá tartozó szabályozástechnikai sémát. Ennek az az oka, hogy a tervezés elsô lépése a jPSS meghatározása. Ezzel tulajdonképpen definiálunk egy Nyquist diagramot, amelyhez keresünk egy megfelelô szabályozástechnikai sémát. A PSS illesztése a paksi TVV-221 GSD típusú gerjesztésszabályozókhoz

minálja a PSS hatékonyságát, melynél nagyobb csak a gerjesztés szabályozó átalakításával lenne lehetséges. Az üzembe helyezési mérés eredményeinek ismertetése A mérések elsô lépése az ún. alapjel ugratás, mely a következôt jelenti. Megvizsgáljuk, hogy mekkora az a legnagyobb meddôteljesítmény-változás, amely az erômû üzembiztonságát még nem veszélyezteti. Ez esetünkben 50 MVar-ra adódott. A kapocsfeszültség parancsolt értékét (UREF) lassan változtatva meghatározzuk az 50 MVar meddôteljesítményváltozáshoz tartozó (UREF) értékét; mely esetünkben 0,02 v.e.-re adódott. Ezt az értéket egységugrás szerûen a S pontra adva regisztráljuk a DP idôfüggvényét (17. ábra).

A paksi turbógenerátorok GSD-A, GSD-K típusú gerjesztésszabályozókkal rendelkeznek. A GSD-A gerjesztésszabályozó a generátor kapocsfeszültségét szabályozza. A szabályozó úgynevezett korlátozó fiókjába helyeztük el a PSS áramköröket. A szabályozástechnikai, valamint a p bemenetû PSS funkciókat a PADS-WORK nevû nyomtatott áramkör tervezô program segítségével terveztük és analóg mûveleti erôsítôkbôl építettük meg. A frekvenciamérést és az f bemenetû PSS-t egy nyomtatott áramköri lapon elhelyezett mikroprocesszor valósítja meg. A PSS áramköri kártyák blokkvázlatát a 16. ábra tartalmazza.

17. ábra A generátor hatásos villamos teljesítményének idôfüggvénye a kapocsfeszültség parancsolt értékének egységugrás jellegû megváltoztatása esetére; a) PSS-OFF (kikapcsolt) és b) PSS-ON (bekapcsolt) üzemállapotban

16. ábra A PSS áramköri kártyák blokkvázlata Az egyes kártyák megnevezése, funkciói: Y2 az 1,2 Hz-re hangolt p bemenetû PSS lead-lag és összegezô kártyája; Y3 az f bemenetû PSS kártya (mikroprocesszor); Y4 a 0,5 Hz-re hangolt p bemenetû PSS alul- és felüláteresztô szûrô kártyája; Y5 a 0,5 Hz-re hangolt p bemenetû PSS lead-lag kártyája; Y6 az 1,2 Hz-re hangolt p bemenetû PSS alul- és felüláteresztô szûrô kártyája; Y20 PSS mûködést engedélyezô kártya. Az IN jel esetünkben a generátor hatásos villamos teljesítménye, amely a távadó tábláról érkezik. Az Y3 kártya bemenô jele frekvencia, amelyet a generátor feszültségváltójának feszültségébôl képezünk. Az Y2 kártya összegezi és a KP valamint a KF faktoroknak megfelelôen erôsíti a PSS megfelelô csatornáinak a kimenô jeleit. Az Y20 kártya a PSS-ek összegezett kimenôjelét (OUT) a generátor hatásos villamos teljesítményének 50 MW-os értéke felett a gerjesztésszabályozó fiók Σ pontjához kapcsolja (4. ábra), ha a vezénylôben a PSS élesítve van. A PSS kimenôjele (OUT) ± 0,2 v.e.-re van korlátozva. Ez 50 MVar meddôteljesítmény-változást jelent. A PSS stacioner állapotban történô beavatkozásait is – természetesen – meddôteljesítmény-változások kísérik. A KP és a KF tényezôk úgy vannak beállítva, hogy ennek a lengésnek az amplitúdója ne haladja meg a 10 MVar értéket. Ez deter-

38

A 17. ábrán adott idôfüggvények alapján megállapítható, hogy a PSS hatékonyan csillapítja a lengéseket az elektromechanikai sajátfrekvencia környezetében. A gerjesztésszabályozó rendszernek és a PSS-nek a teljes mûködési sávban való viselkedését a Fourier transzformált függvények mutatják meg. Az ehhez készült 2*20 perces regisztrátum elsô 20 másodpercét a 18. ábrán adtuk meg.

18. ábra A Paksi Atomerômû Rt. 21. sz. 220 MW-os generátora frekvencia-, hatásos és meddôteljesítmény-megváltozás idôfüggvénye stacioner állapotban. A GSD gerjesztésszabályozó automatikus (feszültségtartó) üzemmódban, PSS: OFF(kikapcsolt)


A 18. ábra frekvencia idôfüggvényén jól látható a rendszerközi lengések 0,25 Hz-es összetevôje, míg a ∆P idôfüggvényben az elektromechanikai sajátfrekvenciájú lengések dominálnak. A hatásos teljesítménymegváltozás idôfüggvényének Fourier transzformáltját a 19. ábra tartalmazza. A 19. ábrán szemmel is látható a PSS hatása. Ennek számszerû megítéléséhez képezzük a következô hányadost:

energia-rendszerek próbaüzeme elôtt, a rendszerközi lengések csillapításának optimalizálása érdekében. Tapasztalati tény, hogy a DP, DQ és Df lengések a villamosenergia-rendszeregyesülések perifériáján, a szélsô rendszerrészekben a legnagyobbak. Ismét csak a gyakorlat dönti el, hogy az együttmûködô UCTE/CENTREL rendszer jövôbeli keleti határán mért lengések mennyire veszélyeztetik a rendszer stabil üzemét, illetve határozzák meg vagy korlátozzák a rendszerrészek közötti energiaszállítások nagyságát.

Függelék Ez azt jelenti, hogy az üzemben lévô PSS a hatásos villamos teljesítménylengéseket 40%-kal csökkenti.

A Fourier transzformáció módszerének alapelve A PSS hangolásánál a mixing point-ra sinus alakú jelet adunk, és leolvassuk a zavaró jel (UZ) és a ∆P közötti fáziseltolást. Ha zavaró jelnek a környezeti frekvencia-megváltozás idôfüggvényt tekintjük, akkor a generátor kapcsain a 17. ábrán adott idôfüggvényeket mérhetjük. Rendelkezésünkre áll tehát a ∆P idôfüggvény, melyet 100 másodperces intervallumokra osztunk. Ezt tekintjük a Fourier transzformáció periódusidejének (20. ábra). A 20. ábrán szemmel is látható, hogy az egyes intervallumokban felvett idôfüggvények különbözôek. Ezért a Fourier transzformált függvények is el fognak térni egymástól (21. ábra).

19. ábra A Paksi Atomerômû Rt. 21. sz. 220 MW-os generátora hatásos teljesítménymegváltozás idôfüggvényének Fourier transzformáltja; a) a gerjesztésszabályozó automatikus (feszültség tartó) üzemmódban (AVR = Automatic Voltage Regulation), PSS: OFF (kikapcsolt), b) AVR + PSS

Összefoglalás, javaslatok a további munkára Publikációnk annak a munkának a gyakorlati eredményeit tartalmazza, amely a rendszerközi hatásos villamos teljesítménylengések csillapítását célozza. Megállapítható, hogy a kérdéses erômû – jelen esetben a Paksi Atomerômû Rt. – szakembereinek közremûködésével eredményes munkát lehet(ett) végezni. (Valószínûnek látszik, hogy a gerjesztésszabályozót helyi szinten jól ismerô szakemberek segítsége nélkül ilyen fejlesztési tevékenység nem oldható meg eredményesen.) A fentiek alapján az elkövetkezendô idôszakra nézve a következô tevékenységek elvégzése lesz célszerû: – Elkészítendô egy olyan hordozható mérôberendezés, amellyel az 50 MW-os és annál nagyobb teljesítményû generátorokon a Fourier spektrum felvehetô. (V. ö. a 7. ábrával.) – A mért Fourier spektrum-ok alapján megállapítandó, hogy mely generátorok gerjesztô rendszerébe kell beavatkozni a következô UCTE/CENTREL-hez csatlakozó villamos-


20. ábra Erômûvi blokk hatásos villamos teljesítményének idôfüggvénye 12 egymást követô idôintervallumban. A mintavétel frekvenciája 100 Hz. A mérések idôintervalluma 100 s

Definiáljuk a következô mennyiségeket:

39

ahol Pi az i-edik spektrum vonal nagysága (MW), SF a k-adik idôintervallumban mért és a 0,1-2,5 Hz-es frekvenciasávba esô hatásos villamos teljesítmény (MW), N a spektrumvonalak száma = 250, mely a következôképpen adódik: a mérési frekvencia 100 Hz, mivel igen zajos környezetben mérünk. Képezzük 10 minta átlagát és ezt tekintjük egy mérési eredménynek. Így másodpercenként 10 minta áll rendelkezésre. A Fast Fourier Transform of a Complex Valued Sequence digitális számítógépi program lefuttatása után 0,01 Hz-enként kapunk egy teljesítményspektrum vonalat. Mivel a frekvenciahatár 2,5 Hz, így N = 250 adódik. Az S∆F mennyiség jellemzô arra, hogy az egyes intervallumok idôfüggvényeinek Fourier spektrumai mennyire térnek el egymástól.

1. táblázat Azon paraméterek feltüntetése, amelyek alapján meghatározható az idôintervallumok száma, amely esetén megfelelôen stabil Fourier transzformált függvényt kapunk

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

SF (MW) j

S∆F (MW) j

SFátl (MW) k

S∆Fátl (MW) k

0,197 0,130 0,129 0,142 0,190 0,131 0,138 0,197 0,147 0,133 0,122 0,125

0,113 0,089 0,085 0,079 0,116 0,090 0,091 0,139 0,093 0,101 0,077 0,073

0,197 0,154 0,139 0,136 0,143 0,138 0,136 0,141 0,140 0,137 0,134 0,132

0,113 0,074 0,059 0,048 0,045 0,039 0,037 0,037 0,034 0,032 0,031 0,029

Az (F3) egyenletbôl látható, hogy minden eredô spektrumvonalat k számú vonal átlagaként állítunk elô. Az 1. táblázatból látható, hogy hatnál nagyobb intervallumszám esetén a gyakorlat számára megfelelôen stabil Fourier spektrumot kapunk, tehát az általunk választott k = 12 megfelelô. Az alkalmazott módszer a vizsgálandó blokk üzemvitelét nem zavarja. Kézenfekvô tehát, hogy minden 50 MW-os és ennél nagyobb névleges teljesítményû blokkról készüljön el a 7. ábrán adott Fourier spektrum. Tudomásul kell vennünk, hogy az elmúlt idôszakban üzembe helyezett szabályozók csak véletlenül teljesíthetik a rendszerszintû követelményeket, mivel nem erre vannak hangolva. Megállapítható, hogy a paraméterbeállítások rendszerszintû optimalizálást jelentô munkát az elkövetkezô idôszakban nem lehet elkerülni.

IRODALOM

21. ábra A 20. ábrán adott idôfüggvények Fourier spektruma (Az egyes idôfüggvényeket és a hozzájuk tartozó Fourier spektrumokat sorszámaik azonosítják.) Az 1. táblázat adatai mutatják, hogy elegendôn nagy számú intervallum Pi mennyiségeinek az (F3) egyenlet szerinti figyelembevételével stabil Fourier spektrum állítható elô. (F3)

40

[1] Zerényi, J.: Rendszerközi lengések és csillapításuk az UCPTE CENTREL rendszerben. Magyar Villamos Mûvek Közleményei, 98/4 pp. 2 - 11. [2] Excitation System Models for Power System Stability Studies IEEE Committee Report IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PAS - 100, No. 2, February 1981 pp. 494 - 509 [3] IEEE Tutorial Course: „Power System Stabilization via Excitation Control Course Text” 81 EHO 175 - 0 PWR 1980 [4] Dr. Kiss, L., Zerényi, J.: A Simple Measuring Method to Determine the Damping Efficiency of the Excitation Systems and Power System Stabilizers (PSS) IEEE Power Tech ‘99 Conference, Budapest, Hungary, Aug 29 - Sept 2, 1999 [5] Commissioning Instructions Power System Stabilizer ABB (ASEA BROWN BOVERI) Operating Instruction, June 1992 [6] Hanson, O., W., Goodwin, C., J., Dandeno, P., L.: Influence of Excitation and Speed Control Parameters in Stabilizing Intersystem Oscillations IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PAS - 87, No. 5, May 1968 pp. 1306 - 1313 [7] De Mello, F., P., Hannett, L., N., Undrill, J., M.: Practical Approaches to Supplementary Stabilizing from Accelerating Power IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems. Vol. PAS 97, No. 5, Sept/Oct 1978 pp. 1515 - 1521 [8] Dr. Csáki, F., Bars R.: Automatika Tankönyvkiadó. Budapest, 1969 [9] Brown, M., D., Swidenbank, E., S., Hogg, B., W.: Transputer Implementation of Adaptive Control for a Turbogenerator System. Electrical Power & Energy Systems, Vol. 17, No. 1. pp. 21 - 38 1995


Turbógenerátorok hatásos villamos teljesítménylengéseinek csillapítása

Recommend Documents