Определение частотных характеристик энергосистемы при проведении пусконаладочных работ на системе возбуждения турбогенератора ТГ5 Белоярской АЭС

В статье представлен метод определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик (АЧХ и ФЧХ) энергосистемы путём воздействия на выходной сумматор автоматического регулятора возбуждения (АРВ) сигнала белого шума, содержащего спектр диапазона частот электромеханических колебаний, при различных параметрах настройки АРВ.

Данный метод безопасен и может применяться для верификации физических и цифровых моделей энергосистем.

Современные быстродействующие системы возбуждения, оснащённые АРВ с каналами стабилизации по отклонениям режимных параметров и их производным, позволяют обеспечить точность поддержания напряжения, высокий уровень статической устойчивости и эффективное демпфирование электромеханических колебаний энергосистемы. Правильная настройка АРВ обеспечивает высокий уровень устойчивости генераторов, работающих в сети, повышает надёжность и живучесть энергосистемы.

На сегодняшний день существуют различные методы настройки АРВ, использующие разнообразные подходы: алгебраический критерий устойчивости, методы оптимизации с использованием частотных характеристик, корневые методы. Вне зависимости от метода настройки перед применением на крупных агрегатах её эффективность проверяют на цифроаналоговом физическом комплексе АО «НТЦ ЕЭС», включающем в себя электродинамическую модель энергосистемы. Данное требование закреплено в соответствующих нормативных документах. В процессе проведения испытаний на электродинамической модели параметры АРВ могут остаться без изменения, либо быть скорректированы. Окончательные значения коэффициентов усиления и постоянных времени должны быть установлены на АРВ реального объекта, что является завершающим этапом настройки.

Стандартная программа пусконаладочных работ (ПНР) системы регулирования возбуждения предусматривает проверку элементов, дискретных и аналоговых сигналов, измерений, силовой части при работе генератора в автономном режиме, на холостом ходу и под нагрузкой. Проверки осуществляются на трёх различных этапах:

1.    Работа при остановленном роторе генератора без подачи силового питания на тиристорный преобразователь;
2.    Работа при вращающемся роторе генератора без связи с энергосистемой;
3.    Работа генератора в энергосистеме.

Каждый последующий этап накладывает всё больше ограничений на возможные действия при испытаниях, что обусловлено повышенным риском при осуществлении неправильных операций. В результате получается, что подавляющее большинство проверок осуществляется на первом этапе, существенно меньше – на втором, а на третьем этапе выполняется минимальный объём испытаний. Вышеперечисленные факторы приводят к тому, что возникают трудности при оценке влияния параметров настройки каналов на эффективность демпфирования качаний при типовых воздействиях, допускаемых программой испытаний генератора в сети. Не допускается проведение каких-либо серьёзных воздействий на генератор и прилегающую энергосистему, поэтому и оценка эффективности работы каналов регулятора не всегда представляется возможной. В итоге важнейшая для обеспечения устойчивости энергосистемы часть АРВ остаётся без должного внимания.

В данной статье предлагается безопасный метод воздействия на генератор, позволяющий определить АЧХ и ФЧХ энергосистемы при различных настройках каналов АРВ конкретного генератора и оценить влияние параметров настройки на демпфирование электромеханических колебаний на реальном объекте. Рассмотрена возможность использования информации, полученной с помощью данного метода воздействия, для верификации цифровых и физических моделей энергосистем. Показаны результаты проверки данной методики на ТГ5 блока №3 БН-600 Белоярской АЭС.


Белоярская АЭС

ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

В крупных энергосистемах электромеханические колебания могут иметь либо локальный, либо системный характер.

Локальные колебания затрагивают малую часть энергосистемы. Они могут быть связаны с колебаниями угла ротора одного генератора или одной электростанции по отношению к остальной части энергосистемы. Такие колебания по смыслу аналогичны колебаниям в системе «синхронная машина – шины бесконечной мощности».

Локальный характер могут также иметь колебания между роторами нескольких генераторов, электрически близко расположенных друг к другу. Такие колебания называют внутристанционными межмашинными колебаниями. Обычно локальные колебания имеют частоты в диапазоне от 0,7 до 2,0 Гц.

Колебания, имеющие системный характер, вызваны взаимодействием между большими группами генераторов и оказывают влияние на значительную часть энергосистемы. Они включают в себя колебания групп генераторов относительно друг друга, которые расположены в различных частях энергосистемы. Такие колебания называют межсистемными.

Характеристики межсистемных колебаний очень сложны и в некоторых отношениях значительно отличаются от характеристик локальных колебаний. В частности, существенное влияние на устойчивость межсистемных колебаний оказывают перетоки мощности по межсистемным связям (электрический режим), состав генерирующего оборудования и оборудования электрической сети, характеристики нагрузок, параметры настройки каналов стабилизации регуляторов возбуждения генераторов, расположенных в определенных узлах энергосистемы, и др. Обычно межсистемные колебания имеют частоты в диапазоне от 0,1 до 0,7 Гц.

Исследование межсистемных колебаний на математических моделях требует подробного моделирования всей объединенной энергосистемы. В частности, должны быть точными модели генераторов, систем возбуждения, и такого же уровня подробности необходимо придерживаться при моделировании остальных элементов энергосистемы.

Частоты электромеханических колебаний наиболее заметны в режимных параметрах при переходных процессах, возникающих после серьёзных возмущений в энергосистеме. Для крупных генераторов, в соответствии с требованиями, при проверке параметров настройки регуляторов возбуждения на физической модели энергосистемы выполняется моделирование широкого спектра расчетных возмущений по программе испытаний, предварительно согласованной Системным оператором, в нормальной и ремонтных схемах электрической сети, что позволяет оценить эффективность параметров настройки каналов стабилизации регуляторов возбуждения.

В процессе ПНР выполнение преднамеренных коротких замыканий в электрической сети для оценки параметров настройки регуляторов возбуждения в части демпфирования электромеханических колебаний является невозможным, т.к. это недопустимо по условиям надежности работы энергосистемы. Одним из возможных и перспективных способов получения информации о колебательных свойствах реального генератора является подача сигнала белого шума со стороны системы возбуждения.

ВЫЯВЛЕНИЕ ЧАСТОТ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ПРИ ПОМОЩИ БЕЛОГО ШУМА

С физической точки зрения, появление колебаний на резонансных частотах объясняется тем, что при возмущении энергосистема получает избыток энергии потенциально на всех возможных частотах, но отклик и рассеивание этой энергии в качестве качаний осуществляется на резонансных частотах. Отклонение от точки равновесия можно создать и другим путём – воздействием на энергосистему со стороны обмотки возбуждения генератора. При работающем контуре регулирования возбуждения на выходной сумматор подаётся сигнал шума, имеющий частотный спектр, указанный на Рис. 1.

Рис. 1   Спектр белого шума

В прилегающей энергосистеме возникают колебания режимных параметров небольшой амплитуды около установившегося режима. Идея заключается в том, что на своих резонансных частотах энергосистема создаст больший отклик и в режимных параметрах будут доминировать и наблюдаться резонансные частоты. При воздействии шума на обмотку возбуждения в течение нескольких минут необходимо осуществлять запись осциллограмм режимных параметров. Применение к осциллограмме частоты или активной мощности преобразования Фурье за время действия шума позволяет получить АЧХ в общем случае с несколькими резонансными пиками. Повторное воздействие шума при других настройках АРВ позволяет получить новую АЧХ. Наложение частотных характеристик на один график и сравнение амплитуд резонансных пиков позволяет судить об эффективности настройки и о влиянии каждого канала на демпфирование колебаний.

Определение АЧХ принципиально производится для генератора, работающего в энергосистеме на завершающем и самом ответственном этапе испытаний при ПНР, поэтому необходимо обдуманно подойти к выбору характеристик сигнала шума и рассмотреть все возможные ограничения, накладываемыми теми или иными факторами.

Сигнал шума складывается с выходным сигналом АРВ от всех каналов регулирования. Во время проведения эксперимента режим должен оставаться неизменным с колебаниями около исходных установившихся значений режимных параметров, следовательно, математическое ожидание шума должно быть равно нулю для того, чтобы генератор находился в квазистационарном состоянии.

Сигнал шума должен иметь спектр с одинаковыми амплитудами в диапазоне частот от 0,1 до 5 Гц. В данном диапазоне находятся практически все возможные резонансные частоты для генераторов, работающих в составе ЕЭС. Первая критическая частота валопровода агрегата накладывает ограничение по верхнему порогу создаваемых частот. Первая критическая частота вала агрегата  определяется отношением длины вала агрегата к его диаметру , при этом большему значению  соответствует меньшая критическая частота. Согласно ранее проведённым исследованиям и общим рекомендациям по проектированию для всех типов турбогенераторов критические значения частот вала лежат в диапазоне от 15 до 45 Гц. Гидрогенераторы в подавляющем большинстве случаев имеют малое соотношение  , поэтому их критические частоты вала находятся намного выше 15 Гц. Условие ограничения шума по критическим частотам для турбогенераторов является более сильным, поэтому в спектре шума частот выше 15 Гц быть не должно во избежание появления крутильных колебаний на резонансных частотах вала агрегата.

Ограничения на величину амплитуды сигнала шума складываются из соображений работы регулятора возбуждения в линейном режиме и достаточной интенсивности воздействия. Выходной сигнал регулятора, сложенный с белым шумом, не должен по амплитуде превышать верхние и нижние ограничения величины напряжения возбуждения. При несоблюдении данного условия ограничения будут вмешиваться в работу и оказывать дополнительное воздействие на выходной сигнал регулятора, что приведёт к тому, что суммарное математическое ожидание шума станет ненулевым, а, следовательно, изменится режим работы генератора. При малой величине амплитуды шума будет оказываться недостаточное влияние на генератор и прилегающую энергосистему, поэтому частотный спектр будет выражен неявно. Исходя из вышеизложенного и с учётом того, что эксперимент определения АЧХ и ФЧХ производится в режимах, близких к номинальной нагрузке генератора, оптимальной величиной амплитуды сигнала шума являются значения от 0,3 до 0,5 е.в.н.

ИСПЫТАНИЯ НА ЦАФК АО «НТЦ ЕЭС»

В рамках работы по выбору параметров настройки регуляторов возбуждения АРВ-РЭМ700ТГ-4, 5, 6 блока №3 Белоярской АЭС и проверки их эффективности на физической модели энергосистемы был выполнен эксперимент определения частотных характеристик энергосистемы методом воздействия сигнала шума со стороны регулятора возбуждения турбогенератора ТГ5 Белоярской АЭС. Схема физической модели ОЭС Урала представлена на Рис. 2.

Рис. 2   Схема физической модели ОЭС Урала

Результаты этого опыта приведены на Рис. 3 и Рис. 4. На Рис. 3 показаны амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики передаточной функции энергосистемы, где входным сигналом является сигнал шума, подаваемый в выходной сумматор регулятора возбуждения АРВ-РЭМ700, а выходным сигналом – частота напряжения статора генератора. Серым цветом на рисунке показаны частотные характеристики для исходных сигналов, а зеленым цветом – после цифровой обработки.

Рис. 3   АЧХ и ФЧХ ТГ5 Белоярской АЭС на физической модели

Из полученных частотных характеристик энергосистемы и известных передаточных функций каналов регулятора возбуждения была построена область колебательной устойчивости в плоскости коэффициентов усиления каналов стабилизации по частоте напряжения и ее производной, которая приведена на Рис. 4. Также на этом рисунке красным цветом отмечена граница устойчивости, полученная на физической модели по точкам путем изменения коэффициентов усиления системного стабилизатора регулятора возбуждения АРВ-РЭМ700 до возникновения незатухающих колебаний, которые свидетельствуют о нахождении на границе области колебательной устойчивости. Из рисунка видно, что область колебательной устойчивости, построенная аналитически из АЧХ и ФЧХ энергосистемы, совпадает результатом, полученным экспериментально, что свидетельствует об адекватности частотных характеристик, определенных с помощью метода подачи сигнала шума со стороны регулятора возбуждения генератора.

Рис. 4    Область колебательной устойчивости для ТГ5 Белоярской АЭС, полученная аналитически из АЧХ и ФЧХ энергосистемы и определенная по точкам на физической модели

ИСПЫТАНИЯ НА БЕЛОЯРСКОЙ АЭС

Аналогичные эксперименты были выполнены в процессе ПНР на реальном оборудовании Белоярской АЭС. Для проверки эффективности выбранной настройки в комплексную программу испытаний при работе генератора ТГ5 с выдаваемой активной мощностью 92 МВт и 200 МВт были включены пункты экспериментов по определению АЧХ и ФЧХ при выведенных каналов стабилизации и с параметрами их настройки, рекомендованными АО «НТЦ ЕЭС». Осциллограммы реакции генератора на шум, подаваемый со стороны обмотки возбуждения, представлены на Рис. 5. Как видно из рисунка, до момента времени 79 секунд происходит воздействие шума на обмотку возбуждения, генератор находится в квазистационарном режиме, после 79 секунды подача сигнала шума прекращается, генератор переходит в установившийся режим.

Рис. 5   Реакция генератора при подаче шума на обмотку возбуждения генератора. P = 92 МВт.

Результаты экспериментов по определению АЧХ при выдаваемой активной мощности генератора, равной 92 МВт, представлены на Рис. 6. Синим цветом обозначена АЧХ с выведенными каналами стабилизации, а красным цветом – с введенными каналами стабилизации и параметрами настройки, рекомендованными АО «НТЦ ЕЭС».

Рис. 6   АЧХ генератора, работающего в энергосистеме с введенными (красный цвет) и выведенными (синий цвет) каналами стабилизации автоматического регулятора возбуждения ТГ5. P = 92 МВт.

Результаты экспериментов по определению АЧХ при выдаваемой активной мощности генератора, равной 200 МВт, показаны на Рис. 7. На рисунке аналогично синим цветом обозначена АЧХ с выведенными каналами стабилизации, красным – с введенными каналами стабилизации и параметрами настройки, рекомендованными АО «НТЦ ЕЭС».

Рис. 7    АЧХ генератора, работающего в энергосистеме с введенными (красный цвет) и выведенными (синий цвет) каналами стабилизации автоматического регулятора возбуждения ТГ5. P = 200 МВт.

При нахождении генератора в режиме воздействия шума величиной 0,4 е.в.н. на обмотку возбуждения, отклонения режимных параметров от установившихся значений в худших с точки зрения демпфирования качаний условиях, то есть при всех выведенных каналах стабилизации и при активной мощности 200 МВт, не превышало значений, приведённых в Табл. 1.

Табл. 1  Предельно достигаемые отклонения режимных параметров от установившихся значений при воздействии шума величиной 0,4 е.в.н. на обмотку возбуждения ТГ5 Блока №3 Белоярской АЭС

Обобщая информацию, следует заметить, что для других генераторов и в других схемно-режимных ситуациях в энергосистеме могут наблюдаться отклонения параметров генератора, отличающиеся от величин, приведённых в Табл. 1, но путем изменения амплитуды уровня сигнала шума, подаваемого на обмотку возбуждения, можно добиться необходимого изменения величин отклонений параметров генератора.

При испытаниях на Белоярской АЭС при величинах отклонений параметров, приведенных в Табл. 1, не происходило срабатывания защит и сигнализации, появления неисправностей, не наблюдалось увеличения уровня вибраций агрегата и прочих нежелательных изменений в работе основного и вспомогательного оборудования электростанции.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДИКИ ДЛЯ ВЕРИФИКАЦИИ ЦИФРОВЫХ И ФИЗИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Осциллограммы, полученные при опытах подачи шума со стороны АРВ реального генератора, так же являются очень ценной информацией о колебательных свойствах энергосистемы и могут быть полезны для верификации цифровых и физических моделей, разрабатываемых при исследованиях устойчивости.

В качестве примера на Рис. 8 приведено сравнение частотных характеристик ТГ5 Белоярской АЭС в близких между собой режимных условиях для реального генератора (красный цвет) и моделей, подготовленных АО «НТЦ ЕЭС»: физической (зеленый цвет) и цифровой (синий цвет).

Рис. 8    Сравнение АЧХ и ФЧХ ТГ5 Белоярской АЭС реального генератора, физической модели, подготовленной на ЦАФК АО «НТЦ ЕЭС» и цифровой модели, разработанной в ПВК Eurostag

ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МЕТОДА ПОДАЧИ ШУМА В ЧАСТИ АНАЛИЗА МЕЖСИСТЕМНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Из приведенных в настоящей статье результатов, полученных для ТГ5 Белоярской АЭС, видно, что в данном случае наблюдается по сути только одна резонансная частота колебаний (порядка 1,5 Гц). Как было отмечено ранее, на межсистемные низкочастотные колебания, которые могут присутствовать в режимных параметрах генератора, влияет существенно больше факторов, чем на локальные колебания более высокой частоты, что требует в таких случаях повышенного внимания к проведению эксперимента и интерпретации результатов при подаче шума со стороны системы возбуждения конкретного генератора. При этом выведение каналов стабилизации на регуляторах возбуждения на части генераторов или на всех генераторах электростанции нецелесообразно, т.к. это в некоторых случаях может приводить к нарушению устойчивости параллельной работы генераторов с энергосистемой. Необходимо отметить, что при выполнении ПНР, а, следовательно, и эксперимента подачи шума осуществляется в одной (или нескольких) режимных точках работы энергосистемы и может не охватить всей совокупности наиболее тяжелых схемно-режимных ситуаций, которые рассматриваются на цифровых и физических моделях при исследованиях устойчивости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложена методика, позволяющая определять частотные характеристики энергосистемы путем воздействия сигнала шума на обмотку возбуждения реального генератора.

2. Показано, что нахождение генератора при воздействии на обмотку возбуждения шума с правильно заданными параметрами является безопасным режимом и не приводит к нарушениям в работе основного и вспомогательного оборудования электростанции.

3. Благодаря сравнению АЧХ, полученных при различных настройках каналов АРВ, получена возможность увидеть и оценить эффективность работы каждого канала с точки зрения участия в демпфировании электромеханических колебаний на реальном объекте.

4. Осуществлена проверка предложенной методики на ЦАФК АО «НТЦ ЕЭС» и на турбогенераторе ТГ5 блока №3 БН-600 Белоярской АЭС.

5. Отмечена ценность получаемой при проведении эксперимента информации о колебательных свойствах энергосистемы, которая может быть полезна при разработке и верификации цифровых и физических моделей энергосистемы, разрабатываемых при исследованиях устойчивости.

Белоярская атомная электростанция им. И.В. Курчатова (БАЭС) – российская атомная электрическая станция, расположена в 45 км от Екатеринбурга, вторая промышленная атомная станция в стране (после Сибирской), единственная в России АЭС с разными типами реакторов на одной площадке. Самая старая из действующих ныне атомных электростанций в России.

На станции были сооружены четыре энергоблока: два с реакторами на тепловых нейтронах и два с реакторами на быстрых нейтронах. В настоящее время на станции два действующих энергоблока: 3-й энергоблок с реактором БН-600 электрической мощностью 600 МВт – первый в мире энергоблок промышленного масштаба с реактором на быстрых нейтронах, а также 4-й энергоблок БН-800, который является крупнейшим в мире действующим энергоблоком с реактором на быстрых нейтронах.



КОМКОВ А.Л., управляющий директор ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш»
ВИШНЯКОВ А.А., ведущий инженер-программист ОЦСУ ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш»
ФИЛИМОНОВ Н. Ю., младший научный сотрудник ОСВ ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш»
ЮРГАНОВ А. А., доктор техн. наук, проф. кафедры «Электрические системы и сети» СПбПУ Петра Великого
БИКБАЕВ И.М., ведущий инженер службы РЗА ОО ЭЦ Белоярской АЭС
ПРОХОРОВ К.В., младший научный сотрудник НИО-3 АО «НТЦ ЕЭС»