Вопрос 27

Статична та динамічна стійкість паралельної роботи синхронних генераторів.

Под устойчивостью СЭЭС понимают ее способность переходить от одного устойчивого режима к другому, также устойчивому режиму после различного рода возмущений. Различают статическую и динамическую устойчивость работы СЭЭС и ее элементов.

Статической устойчивостью СЭЭС называют ее способность возвращаться к исходному режиму (или весьма близкому к нему) после малых изменений ее параметров.

Динамической устойчивостью СЭЭС называют ее способность переходить от исходного устойчивого режима к другому, также устойчивому режиму либо вернуться к установившемуся режиму, близкому к исходному, после больших изменений ее параметров.

Устойчивость работы СЭЭС включает в себя два понятия – устойчивость параллельной работы генераторов и устойчивость нагрузки.

Нарушение устойчивой работы СГ проявляется в следующем: переходе в двигательный режим; нарушении синхронной связи и переходе в асинхронный режим; нестабильном распределении нагрузки или её постоянном колебании между параллельно работающими генераторами; отключении защитными средствами под действием максимальных прямых и обратных токов.

Статическая устойчивость параллельной работы синхронных генераторов

Из теории электрических машин известно, что, пренебрегая явнополюсностью ротора, электромагнитная мощность синхронного генератора

(1)

где Е, U—соответственно э. д. с. и напряжение обмотки статора;

x_d — синхронное индуктивное сопротивление обмотки статора;

 — угол между векторами э. д. с. и напряжения, а также между векторами м. д. с. обмотки статора и обмотки ротора в пространстве.

Эту зависимость называют угловой характеристикой синхронной машины (рис. 1). Ее часть, расположенная выше оси абсцисс, соответствует режиму работы генератором, а часть, расположенная ниже оси абсцисс, — режиму работы двигателем.

Рисунок 27.1. Угловая характеристика синхронного генератора	Рисунок 27.2. Принцип действия СГ в режиме холостого хода (а) и под нагрузкой (б)

При холостом ходе  = 0 (рис.27, а) механическая мощность, приложенная к валу генератора со стороны приводного двигателя, и электромагнитная мощность, отдаваемая генератором, также равны нулю. При увеличении подачи топлива (или пара) приводному двигателю генератора его ротор «забегает» вперед относительно статора на некоторый угол , вызывая растяжение магнитных линий (рис.27, б). Генератор развивает электромагнитную мощность, равную (но противоположную по знаку) механической мощности на валу, и ротор продолжает равномерное вращение с прежней (синхронной) частотой. При номинальной нагрузке генераторов  =15  30°. Дальнейшему повышению механической мощности на валу генератора (см. рис. 27.1) будет соответствовать увеличение угла на + и электромагнитной мощности генератора на + Р вплоть до угла  = 90°. При  = 90° увеличение механической мощности на валу вызывает увеличение угла на + и уменьшение электромагнитной мощности генератора на — Р. К ротору генератора будет приложена избыточная мощность, под действием которой угол  будет непрерывно увеличиваться. В результате магнитная связь между ротором и статором нарушается, и генератор переходит в асинхронный или двигательный режим работы с последующим отключением его защитой.

Таким образом, участок ОА кривой (см. рис. 27.1) соответствует устойчивой работе, а участок АВ — неустойчивой. Условие dP/d >0 является условием статической устойчивости работы синхронного генератора.

Динамическую устойчивость работы генераторов рассмотрим на примере мгновенного уменьшения напряжения в системе, когда генератор с угловой характеристики 1 переходит на работу в режиме, которому соответствует угловая характеристика 2 (рис. 27.3).

Точка А характеристики 1 соответствует работе генератора при номинальном напряжении, при котором угол  равен _н. При резком уменьшении напряжения в сети угол в вследствие инерции вращающихся масс ГА не может измениться мгновенно, а электромагнитный момент генератора резко уменьшится, т. е. точка А с характеристики 1 переместится в точку В характеристики 2 при =_н. Мощность, отдаваемая генератором, уменьшится от Р_н до P₁, а мощность приводного двигателя Р_п.д. сохраняется. Под действием разности мощностей Р_п.д. — Р₁ > 0 ротор генератора получит ускорение, его угловая скорость  будет расти (см. годограф угловой скорости на рис. 27.3) и угол  начнет увеличиваться.

В точке С наступит равенство мощностей генератора и приводного двигателя Р_п.д=Р_н, но из-за инерции ГА ротор генератора будет отклоняться до точки D. На участке CD мощность генератора больше мощности приводного двигателя Р_п.д <Р, в результате чего ротор будет затормаживаться, его угловая скорость будет уменьшаться.

При угле ₂ угловая скорость вращения ротору будет равна синхронной, и он начнет обратное движение, при этом угол  уменьшится. Совершив несколько качаний относительно угла ₁, соответствующего точке С на кривой 2, ротор генератора прекратит колебательный процесс. Значение запасенной ротором кинетической энергии при переходе с кривой 1 на кривую 2 пропорционально площади S₁ фигуры АВС. Наибольший угол ₂ , до которого отклоняется ротор, соответствует площади S₂ фигуры CDE (площади замедления), равной площади S₁ фигуры АВС (площади ускорения).

Рис. 27.3. Графики для определения динамической устойчивости работы СГ

Очевидно, что предельным по динамической устойчивости углом качаний _пр для рассматриваемого случая является угол, соответствующий точке F, поскольку при больших углах мощность приводного двигателя будет снова превышать мощность генератора и угол достигнет 180°. При этом произойдет переход генератора в асинхронный или двигательный режим работы с последующим отключением защитой. Качания ротора в пределах угла от _н до _пр не вызывают нарушения динамической устойчивости, хотя _пр > 90°.

Если же при переходе с характеристики 1 на характеристику 2 (рис. 27.3.) площадь S₁ фигуры АВС будет больше площади S₂ фигуры CD, то для сохранения динамической устойчивости при угле ₂ необходимо восстановить напряжение до первоначального значения. При этом работа генератора будет характеризоваться не точкой D характеристики 2, а точкой Е характеристики 1 и затем точкой F, после чего площадь S₂ фигуры CDEFG будет равна площади S₁ фигуры АВС и ротор начнет обратное движение к точке А (см. рис. 27.3, б) по пути F—Е—А.

Таким образом, динамическая устойчивость параллельной работы синхронных генераторов обеспечивается при условиях:

.