Математичне моделювання і аналіз екстремальних режимів вентильної системи збудження синхронного турбогенератора на базі трифазного мостового тиристорного випрямляча
Автор: Тимофіюк Павло Анатолійович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Електричні системи і мережі
Інститут: Інститут енергетики та систем керування
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2020-2021 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Магістерська кваліфікаційна робота спрямована на розробку математичної моделі вентильної системи збудження синхронного турбогенератора на базі трифазного мостового тиристорного випрямляча. Для забезпечення можливості врахування впливу оперативного вмикання навантаження в коло синхронного турбогенератора, задача розв’язана в значно ширшій постановці, яка полягає в розробці математичної модель не лише самої вентильної системи збудження, але й всієї силової частини енергоблоку, до якої входить синхронний турбогенератор (СТГ), блочний трансформатор, енергосистема, яка представлена трифазною електричною мережею, мостовий трифазний тиристорний випрямляч та трифазне джерело змінної напруги для електроживлення системи збудження (тиристорного мостового випрямляча). Для забезпечення можливості оперативних перемикань трансформатор з’єднаний з СТГ, з одного боку, і енергосистемою, з другого, – двома окремими трифазними вимикачами. Аналогічно, джерело змінної трифазної напруги системи збудження з’єднано з тиристорним мостовим випрямлячем ще одним трифазним вимикачем. Остання обставина дає змогу моделювати аварійне включення резерву (АВР) в колі збудження СТГ вмиканням та вимиканням через необхідний час (час спрацювання АВР) джерела напруги. Математична модель розроблена на підґрунті теорії математичного моделювання електромашино-вентильних систем. Математичною моделлю слугує система диференціальних рівнянь електричного стану, записана в фазних координатах для схеми силового електричного кола енергоблоку за законами Кірггофа. Математична модель цілої схеми силового електричного кола енергоблоку формується з готових математичних моделей окремих структурних елементів відповідно до схеми силового електричного кола енергоблоку, до яких належать: синхронний турбогенератор, трифазний блочний трансформатор, енергосистема, трифазні катодна та анодна тиристорні групи, з яких складається мостовий випрямляч та трифазна мережа живлення системи збудження. Електричний стан силової схеми ЕКЕБ описаний єдиною системою диференціальних рівнянь, що забезпечує врахування взаємних впливів структурних елементів ЕКЕБ, а застосована фазна система координат дає змогу отримати результати моделювання в формі миттєвих значень напруг та струмів. Для трифазного тиристорного випрямляча окрім системи рівнянь електричного стану записана ще й система логічних рівнянь, яка моделює роботу системи керування тиристорним випрямлячем. В математичній моделі ЕКЕБ також передбачено функціювання системи автоматичного керування (САК), призначеної для стабілізування напруги СТГ в разі зміни навантаження. САК в математичній моделі ЕКЕБ представлена пропорційно-інтегральним регулятором (П-І) з пропорційним та інтегральним компонентами. Ці регулятори можуть працювати як разом, так і кожен окремо. Під дією САК змінюється кут регулювання тиристорів таким чином, що дає змогу отримувати необхідне значення напруги і струму збудження для забезпечення необхідного значення напруги статора СТГ. На базі математичної моделі ЕКЕБ розроблено алгоритм розрахунку електромагнітних процесів, на підставі якого розроблено програмне забезпечення. За допомогою цього програмного забезпечення із застосування сучасних комп’ютерів виконано дослідження роботи ЕКЕБ в номінальному робочому режимі, а також в режимі втрати збудження СТГ, який певною мірою кваліфікується як аварійний режим. Математична модель ЕКЕБ дає змогу досліджувати ще два важливі екстремальні режими роботи системи збудження: режим втрати керованості одного тиристора випрямляча з подальшою його роботою в неробочому ході та другий – втрати керованості одного тиристора випрямляча з подальшою його роботою в режимі короткого замикання. Вивчення закономірностей перебігу електромагнітних процесів, які відбуваються в системі збудження СТГ (у тиристорному випрямлячі, зокрема) в таких екстремальних режимах становить і теоретичний, і практичний інтерес, виходячи з того, що результатів подібних досліджень в науковій літературі практично не існує. Алгоритм перемикань вибудовується з графіку роботи ЕКЕБ, яким передбачено ввімкнення СТГ на неробочий хід та в разі потреби підключення блочного трансформатора, який апріорі працює в режимі неробочого ходу (блочний трансформатор відімкнений вимикачем від енергосистеми). В графіку також передбачено втрату напруги живлення системи збудження та перехід в екстремальні режими роботи тиристорного випрямляча з втратою керованості одного тиристора. Проведено два види досліджень. В першому виконано розрахунок та аналіз режимів роботи ЕКЕБ без використання САК напруги СТГ, а в другому – з включенням в роботу САК. Це дає змогу оцінити як роботу СТГ без додаткових впливів (без трансформатора та впливу роботи регулятора), так і отримати важливу інформацію про функціювання вентильної системи збудження СТГ в разі застосуванням САК. Результати моделювання зображені у вигляді графіків напруг та струмів силового кола СТГ, а також для кола його системи збудження. Фазні струмі і напруги СТГ на графіках представлено і у вигляді миттєвих значень, і у формі модулів зображувальних векторів, які відповідають амплітуді. Математична модель ЕКЕБ і відповідне програмне забезпечення слугує засобом комп’ютерного моделювання, як для виконання досліджень в реальних умова експлуатації енергоблоків електростанцій, так і в навчальному процесі профільних вищих навчальних закладів України. Ключові слова: електрична станція, енергоблок, синхронний турбогенератор, оперативне перемикання, вентильна система збудження, тиристор, система автоматичного керування, екстремальні режими, математична модель, алгоритм, програмне забезпечення.