Файл: Болотин, Б. И. Инженерные методы расчетов устойчивости судовых автоматизированных электростанций.pdf

улучшению качества электроэнергии при одиночной работе агрегата, однако обусловило снижение устойчивости при параллельной работе и в ряде случаев вызвало колебания.

Другая причина заключается в том, что не производятся расчеты устойчивости работы агрегата, как единого комплекса, включающего в себя и генератор и первичный двигатель с соответствующими систе­ мами регулирования. Не проводятся также расчеты, связанные с вы­ яснением возможности возникновения колебаний режимных парамет­ ров при параллельной работе ГА, используемых в одной электростан­ ции. Требования устойчивости параллельной работы являются обяза­ тельными и оговариваются в технических условиях на поставку агрегата, поэтому заводами производится оценка устойчивости, но де­ лается это на уже изготовленном и прошедшем испытании по одиноч­ ной работе агрегате, т. е. тогда, когда принять радикальное решение по устранению колебаний практически невозможно. Практика пока­ зывает, что особенно трудно устранить колебания, которые возникают при параллельной работе вновь проектируемых агрегатов. Устране­ ние подобных колебаний требует особо больших затрат времени и средств.

При проектировании систем автоматизации СЭС также не произ­ водится расчетов устойчивости системы в комплексе с устройствами автоматизации. Это приводит к тому, что неустойчивость системы об­ наруживается лишь при испытании САЭС и вызывает, как правило, большие материальные потери.

Книга посвящена исследованию и разработке методов расчета ко­ лебаний в САЭС, которые, независимо от их природы (неустойчи­ вость «в малом», автоколебания, вынужденные колебания), рассмот­ рены с единых позиций теории автоматического регулирования.

Вопросы статической устойчивости 1-го рода, устойчивости на­ грузки, динамической устойчивости имеют самостоятельное значение и в книге не рассмотрены.

§2. Обзор работ, посвященных устойчивости

иколебаниям в автономных электростанциях

Задачи обеспечения устойчивости параллельной работы синхрон­ ных генераторов, работающих в составе одной электростанции и при­ водимых разнородными двигателями (в том числе двигателями с не­ равномерным моментом вращения) принадлежат к тем задачам, ко­ торые в процессе развития электротехники были практически забыты. Поэтому их пришлось решать заново.

Проблема колебаний синхронных генераторов (СГ) в автономных электростанциях впервые возникла в конце прошлого века, т. е. в на­ чальной стадии развития синхронных машин.

В тот период в связи с внедрением электроэнергии в производство стал осуществляться перевод промышленного оборудования на ин­ дивидуальный привод. Для обеспечения собственных нужд в электро­ энергии предприятия стали строить электростанции, в которых обычно

11

использовалось несколько генераторных агрегатов. В качестве пер­ вичных двигателей на таких электростанциях применялись паровые машины с возвратно-поступательным движением, обладавшие боль­ шой неравномерностью развиваемого момента. Так как первые синх­ ронные генераторы соединялись со своими двигателями ременной пе­ редачей, то такая неравномерность, как правило, не вызывала коле­ баний при параллельной работе агрегатов. С ростом мощности отдель­ ных генераторов неудобства, связанные с ременной передачей, стали весьма значительными, поэтому приблизительно с начала 90-х годов прошлого столетия генераторы соединяли с первичными двигателями непосредственно, с помощью жестких муфт. Такое соединение привело к тому, что генератор оказался более чувствительным к неравномер­ ности хода первичных двигателей, в результате чего в системе парал­ лельно работающих СГ часто возникали колебания.

Исследования, проводимые в этот период как иностранными (Бушеро [59], Капп [62], Георгес [60, 61], Блондель [58], Арнольд [55] и др.), так и русскими (В. В. Дмитриев [17], Г. А. Люст [31 ]) учеными позволили установить, что в основном колебания носят резонансный характер и обуславливаются близостью частоты вынуждающих сил, действующих в системе и вызываемых неравномерностью хода пер­ вичных двигателей, к частоте собственных колебаний параллельно работающих генераторов.

В 20-х годах в связи с сооружением мощных электростанций, на которых в качестве первичных двигателей используются лишь гидрав­ лические и паровые турбины (обладающие равномерным моментом вращения), и объединением этих станций в общие энергосистемы через длинные линии передач (в нашей стране такое объединение было про­ ведено в результате выполнения плана ГОЭЛРО) вопрос колебаний синхронных генераторов, работающих параллельно в одной станции, снова утратил свою остроту. Основной проблемой стала проблема ста­ тической и динамической устойчивости параллельной работы разных станций, соединенных длинными линиями передач. Эта проблема свя­ зана с наличием относительно большого реактанса таких линий, что обуславливает передачу мощности при углах более близких к предель­ ным, при которых происходит выпадение станции из синхронизма.

Практически вся литература последующего периода, затрагиваю­ щая вопросы параллельной работы синхронных генераторов, была посвящена этой проблеме (например, монографии Крылова Н. М. и Боголюбова Е. И., Жданова П. С., Веникова В. А. и др.).

За прошедшие несколько десятилетий параллельная работа СГ, приводимых двигателями с неравномерным моментом в автономных электростанциях, не применялась и вопрос о колебаниях в таких электростанциях практически не затрагивался ни у нас, ни за рубе­ жом. Правда, в 1933 г. была опубликована статья М. Стоуна [64],

ния агрегата. Стоун показывает, что увеличение демпфирования (регулятора скорости или генератора) так же, как увеличение мо­ мента инерции, не всегда снижает амплитуду колебаний.

12

В 1935 г. была опубликована статья 1В. К- Житомирского [19], в которой рассматривалось действие вынужденных сил при параллель­ ной работе дизель-генераторов.

Начавшееся в 40-х годах внедрение на судах переменного тока при­ вело к разработке новых типов генераторных агрегатов, оснащенных автоматическими регуляторами скорости и напряжения, обладающими большим быстродействием, высокими коэффициентами усиления и чувствительностью, обеспечивавшими получение во всех режимах одиночной работы электроэнергии высокого качества. Проектирова­ лись такие агрегаты, как уже указывалось, не всегда с учетом возмож­ ной работы их в параллель. Когда потребовалось создать судовые стан­ ции, предусматривающие параллельную работу, оказалось, что неко­ торые типы генераторных агрегатов (в том числе и турбогенераторы) в параллель работать не могут из-за больших колебаний. Автомати­ зация подобных станций осложнила положение, так как внесла в си­ стему параллельно работающих генераторов новые контуры регули­ рования, которые могли оказывать определенное воздействие на устойчивость системы и обуславливать появление колебаний частоты и активной мощности.

Наличие подобных систем, так же, как и упомянутых выше регу­ ляторов, сделало проблему колебаний СГ качественно иной, чем прежде. Если ранее, в основном, колебания обуславливались дейст­ вием вынуждающих сил, то в современных САЭС природа колебаний ГА при параллельной работе стала сложнее.

Наряду с вынужденными колебаниями, в некоторых случаях воз­ никали автоколебания, комбинационные колебания, вызываемые од­ новременным действием вынужденных колебаний и автоколебаний, и пр.

Наиболее тяжелым положение оказалось в середине 60-х годов, когда выявилась невозможность из-за наличия колебаний параллель­ ной работы генераторных агрегатов некоторых типов (ДГР 100/750;

ДГР 100/1500; ДГР 150/750; ДГР 200/1500, ЗЭП-7 и др.).

В1967 г. в Ленинграде состоялось общесоюзное отраслевое сове­ щание по автоматизации дизель-генераторных агрегатов. На этом совещании были рассмотрены вопросы колебаний СГ при параллельной работе. Материалы совещания показывают всю сложность проблемы колебаний.

Подобное положение сложилось и за рубежом. Так, значительные колебания СГ наблюдались на ряде судов иностранной постройки, эксплуатируемых нашим флотом. Вследствие этого в ряде стран были начаты работы по изучению колебаний СГ.

Так, в ФРГ в 1963—1964 гг. были начаты работы по исследованию качаний СГ, связанных с изменением крутящего момента, происходя­ щего из-за режима работы топливной аппаратуры. Эти работы прово­ дились исследовательским объединением тепловых двигателей под руководством Вальтера Бенца.

В1966 г. во Франкфурте на Майне состоялся специальный коллок­ виум, посвященный проблеме колебаний СГ, в которых приняли уча­ стие представители многочисленных фирм, изготавливающих отдель­

13