proširenje područja stabilnog rada sinkronog generatora

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU

FAKULTET ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA

Tomislav Idžotić

PROŠIRENJE PODRUČJA STABILNOG RADA SINKRONOG GENERATORA REGULACIJOM UZBUDE

Doktorska disertacija

Zagreb, 2003. godine

Disertacija je izrađena na Zavodu za elektrostrojarstvo i automatizaciju FAKULTETA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA Zagreb.

Mentor: Prof.dr.sc. Gorislav Erceg

Disertacija ima 164 listova

Povjerenstvo za ocjenu doktorske disertacije:

1. Dr.sc. Drago Ban, red. prof. FER-a Zagreb

2. Dr.sc. Gorislav Erceg, izv. prof. FER-a Zagreb

3. Dr.sc. Joško Deur, doc. Fakulteta strojarstva i brodogradnje Zagreb

Povjerenstvo za obranu doktorske disertacije:

1. Dr.sc. Drago Ban, red. prof. FER-a Zagreb

2. Dr.sc. Gorislav Erceg, izv. prof. FER-a Zagreb

3. Dr.sc. Joško Deur, doc. Fakulteta strojarstva i brodogradnje Zagreb

4. Dr.sc. Tomislav Tomiša, izv. prof. FER-a Zagreb

5. Dr.sc. Mario Žagar, red. prof. FER-a Zagreb

Datum obrane disertacije: 19. prosinca 2003.g.

Zahvaljujem se prof.dr.sc. Gorislavu Ercegu na višegodišnjoj suradnji na razvoju sustava digitalne regulacije uzbude sinkronih generatora kao i na stalnim poticajima i pomoći pri izradi disertacije.

Osobito se zahvaljujem supruzi Zdenki na podršci i razumijevanju tijekom izrade ovog rada.

Zahvaljujem dipl.inž. Damiru Sumini na suradnji pri izradi modela sinkronog generatora. Zahvaljujem se prof.dr.sc. Zlatku Maljkoviću i dipl.inž. Željku Zebiću na pomoći u dijelu rada vezanom uz opis sinkronog generatora.

Također se zahvaljujem kolegama sa Zavoda za elektrostrojarstvo i automatizaciju, posebno dr.sc. Viktoru Šunde, dipl.inž. Mirku Cettolu, mr.sc. Marinku Miletiću i mr.sc. Milivoju Puzaku na pomoći pri izradi ovog rada. Zahvalu dugujem i inž. Mladenu Žubriniću na izradi sklopovlja digitalnog sustava te laborantima Velimiru Pavlakoviću, Dinku Vujini i Zdenku Štifteru na pomoći pri izradi laboratorijske makete.

Zahvaljujem se ostalim kolegama sa Zavoda za elektrostrojarstvo i automatizaciju na pomoći pri realizaciji ovog rada.

SADRŽAJ 1. UVOD................................................................................................................................. 1 2. STABILNOST SINKRONOG GENERATORA SPOJENOG U ELEKTROENERGETSKI SUSTAV......................................................................................... 3 3. STRUKTURA SUSTAVA UZBUDE SINKRONOG GENERATORA ........................... 5

3.1. Energetski krug napajanja uzbude sinkronog generatora........................................... 6 3.2. Algoritam zadržavanja generatora u stabilnom radu ................................................. 6 3.3. Digitalni sustav regulacije.......................................................................................... 9

4. MJERENJE I ESTIMIRANJE KUTA OPTEREĆENJA SINKRONOG GENERATORA10 4.1. Mjerenje kuta opterećenja ........................................................................................ 10 4.2. Estimiranje kuta opterećenja .................................................................................... 11 4.3. Statička točnost estimacije kuta opterećenja............................................................ 15 4.4. Dinamička točnost estimacije kuta opterećenja ....................................................... 18 4.5. Osjetljivost estimacije kuta opterećenja s obzirom na promjenu parametara generatora ............................................................................................................................. 21 4.6. Granice primjenjivosti estimiranog kuta opterećenja u algoritmima povećanja granice stabilnosti generatora ............................................................................................... 25

5. MATEMATIČKI MODELI, SIMULACIJSKI I ESKPERIMENTALNI ODZIVI KOMPONENTI SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE GENERATORA.............................. 26

5.1. Simulacija čopera ..................................................................................................... 26 5.2. Simulacija pogona sinkronog generatora ................................................................. 29 5.3. Simulacija sinkronog generatora.............................................................................. 30 5.4. Simulacija kruga regulacije struje uzbude generatora ............................................. 40 5.5. Simulacija kruga regulacije napona generatora ....................................................... 41 5.6. Simulacija kruga regulacije jalove snage generatora ............................................... 45 5.7. Simulacija estimatora kuta opterećenja generatora.................................................. 49 5.8. Simulacija kruga regulacije kuta opterećenja generatora......................................... 50

6. OPTIMIRANJE PARAMETARA REGULATORA KUTA OPTEREĆENJA GENERATORA....................................................................................................................... 54

6.1. Određivanje parametara regulatora .......................................................................... 56 6.1.1. Određivanje pojačanja proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja .... 58 6.1.2. Određivanje pojačanja derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja ......... 60 6.1.3. Određivanje pojačanja integralnog člana regulatora kuta opterećenja ............ 62

6.2. Određivanje graničnih iznosa regulatora kuta opterećenja ...................................... 65 7. SIMULACIJSKI I EKSPERIMENTALNI ODZIVI DJELOVANJA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE GENERATORA ............................................................................ 69

7.1. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator napona generatora ............................................................................................................................. 71 7.2. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator jalove snage generatora ............................................................................................................................. 75 7.3. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora............................................................................................................... 77 7.4. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora i referencu napona nula ........................................................................ 79

7.5. Ispad reference napona uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora81 8. ISPITIVANJE DJELOVANJA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE UPOTREBOM SIMULACIJE........................................................................................................................... 84

8.1. Ispitivanja djelovanja sustava regulacije uzbude uvjetima kratkog spoja ............ 84 8.2. Ispitivanja algoritama zadržavanja generatora u stabilnom radu na turbogeneratoru nazivne snage 247MVA ....................................................................................................... 87

9. LABORATORIJSKA MAKETA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE SINKRONOG GENERATORA....................................................................................................................... 92 10. ZAKLJUČAK .............................................................................................................. 99

POPIS OZNAKA……..…..……………..…………..……………………………..….…….102 LITERATURA ..….………..………….………………..…………………………..….……104 DODACI Dodatak A

Dodatak B Dodatak C

Uvod

1

1. UVOD

Sinkroni generator spojen u elektroenergetski sustav se u uvjetima kapacitivnog opterećenja približava granici stabilnosti i tada postoji opasnost ispada iz sinkronizma s mrežom u slučaju naglih promjena u elektroenergetskom sustavu. Tada, nakon prorade zaštita, generator ispada iz elektroenergetskog sustava.

Uobičajeni pristup tom problemu je ograničenje rada generatora na područje daleko od granice stabilnosti koja se određuje prema pogonskoj karti generatora. To ograničenje rada se obavlja ograničenjem minimalne struje uzbude generatora.

U ovom radu se razmatra uvođenje dodatnih algoritama u klasični sustav regulacije uzbude sinkronog generatora čija je funkcija zadržavanje generatora u stabilnom radu brzim povećavanjem struje uzbude kada se generator približi granici stabilnosti zbog vanjskih utjecaja (promjene u elektroenergetskom sustavu). Kao osnovni parametar koji pokazuje koliko je generator blizu granici stabilnost koristi se kut opterećenja. Uz klasičnu regulacijsku strukturu u kojoj je regulator napona generatora nadređen regulatoru struje uzbude koristi se i dodatni regulator kuta opterećenja. Kada kut opterećenja prijeđe određeni iznos, isključuje se regulator napona generatora i uključuje se regulator kuta opterećenja koji povećavanjem reference struje uzbude smanjuje kut opterećenja na iznos određen referencom (željeni iznos kuta opterećenja) i time udaljuje generator od granice stabilnosti. Tada se ponovno uključuje regulator napona. Prijelazi između rada regulatora napona i regulatora kuta opterećenja su izvedeni glatko bez skokovitih promjena struje uzbude generatora. Na taj način se omogućuje pouzdan rad generatora u području blizu granice stabilnosti i time se proširuje područje rada generatora.

Uvedena je metoda estimacije kuta opterećenja mjerenjem dva napona i dvije struje generatora. Na taj način se izbjegava upotreba dodatnih davača položaja rotora generatora za mjerenje kuta opterećenja.

U istraživanju i analizi djelovanja predloženog sustava regulacije i upravljanja koriste se metode matematičke analize, simuliranje na računalu i eksperimentalna provjera na laboratorijskoj maketi sustava. Laboratorijska maketa se sastoji od sinkronog generatora nazivne snage 75kVA koji je preko transformatora spojen na mrežu napona 10kV. Pogonski stroj generatora je par nezavisno uzbuđenih istosmjernih motora koji se napajaju iz tiristorskog usmjerivača.

Za potrebe simuliranja razmatranog sustava regulacije uzbude generatora izrađeni su sljedeći matematički modeli: model energetskog kruga regulatora uzbude, model pogonskog stroja sinkronog generatora, model sinkronog generatora i transformatora s mrežom i model digitalnog sustava s pripadnim sklopovima povratne veze. Povezivanjem tih dijelova dobiven je složeni matematički model sustava uzbude sinkronog generatora spojenog na elektroenergetsku sustav. Na temelju tog modela izrađena je simulacija sustava regulacije uzbude sinkronog generatora.

Uvod

2

Odzivi simulacijskog modela sustava regulacije uzbude su uspoređeni s realnim odzivima laboratorijske makete. Simulacija na računalu se koristi za optimiranje parametara regulatora kao i za ispitivanje sustava regulacije u uvjetima rada koji se ne mogu eksperimentalno provjeriti.

Za implementaciju predloženih algoritama estimacije kuta opterećenja i regulacije sustava uzbude generatora realiziran je četveroprocesorski digitalni sustav temeljen na procesorima za obradu signala. Napravljen je programski alat koji omogućuje realizaciju programa procesora za obradu signala putem grafičkog sučelja na osobnom računalu na temelju blokovskog prikaza algoritma. Za ispitivanje i podešavanje digitalnog sustava i snimanje valnih oblika također je razvijen programski alat koji se izvodi na osobnom računalu.

Stabilnost sinkronog generatora spojenog u elektroenergetski sustav

3

2. STABILNOST SINKRONOG GENERATORA SPOJENOG U ELEKTROENERGETSKI SUSTAV

Ako se sinkroni generator koji je spojen na elektroenergetsku mrežu opterećuje, a pri tome se ne mijenja uzbuda, rasti će kut opterećenja a pogon će biti stabilan sve dok s kutom opterećenja raste i snaga generatora. Za analizu stabilnosti potrebno je odrediti odnos radne snage generatora i kuta opterećenja.

Snaga generatora se može izraziti kao funkcija unutarnjeg napona E0, napona generatora U, reaktancija Xd i Xq i kuta opterećenja ϑ [L8]:

ϑϑ 2sin2

sin1 2

0 ⋅⋅

−⋅+⋅⋅⋅=

qd

qd

d XXXXU

XEUP ( 2-1 )

U slučaju generatora s neizraženim polovima drugi član u formuli (2-1) otpada budući da su reaktancije u uzdužnoj i poprečnoj osi jednake. Pogon je stabilan dok kut opterećenja ϑ ne dostigne 90°. Kod toga kuta postignuta je maksimalna, prekretna snaga generatora. Prekretna snaga generatora s neizraženim polovima je dana sa:

d0max X

1EUP ⋅⋅= ( 2-2 )

Za generator s izraženim polovima karakteristika snage u ovisnosti o kutu opterećenja nije čista sinusoida nego je zbroj sinusoide i drugog harmonika. Prekretni kut iznosi manje od 90°, najčešće 70°-80°. Stanje turbogeneratora s kutem 90° je labilno, a generator ispada iz koraka pri kutu većem od 90° ako se dovoljno brzo ne poveća uzbude ili smanji pogonski moment.

Struja uzbude generatora izravno određuje da li je generator u induktivnom ili kapacitivnom području rada. Od tri veličine koje određuju prekretnu snagu generatora uzbuda najviše djeluje na unutarnji napon E0. Povećanjem struje uzbude raste i unutarnji napon. Na taj način može se djelovanjem uzbude višestruko povećati prekretna snaga generatora.

Povećanjem struje uzbude generator se udaljuje od granice stabilnosti. Prema tome, djelovanjem na uzbudu generatora moguće je djelovati u smislu zadržavanja generatora u stabilnom radu na mreži. Ako se pri skokovitoj promjeni radne snage generatora poveća struja uzbude i time podigne statička stabilnost u toj mjeri da generator i statički može savladati to opterećenje, onda generator neće ispasti iz sinkronizma i moći će vući povećani teret, dok ne dođe u pitanje prekomjerno zagrijavanje namota. To je osnova algoritma proširenja područja stabilnog rada sinkronog generatora regulacijom uzbude.

Napravljen je pokus kojim se mjeri brzina promjene struje uzbude i jalove snage generatora povećanjem napona uzbude generatora koji se koristi u laboratorijskoj maketi. U početku je širina impulsa upravljanja tranzistora jednaka nuli što odgovara naponu uzbude iznosa nula, a onda se širina impulsa skokovito povećava na 100% što odgovara naponu istosmjernog međukruga. Rezultati pokusa su prikazani na slici 2-1.

Stabilnost sinkronog generatora spojenog u elektroenergetski sustav

4

Struja uzbude ( % )

-500

50100150200

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

vrijeme (s)Eksperiment

Jalova snaga ( % )

-150-100-50

050

100150

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Slika 2-1 Odzivi struje uzbude i jalove snage generatora pri skokovitoj promjeni širine impulsa upravljanja tranzistora čopera u krugu uzbude generatora

Na temelju dijagrama sa slike 2-1 je vidljivo da se unutar 300 milisekundi forsiranja uzbude jalova snage povećava za više od 200% i da generator prelazi iz kapacitivnog u induktivno područje. Time se statička stabilnost povećava u vrlo kratkom razdoblju višestruko povećava. Tako brzo povećavanje statičke stabilnosti omogućava brzu reakciju algoritama održavanja generatora u stabilnom radu u slučaju naglih poremećaja u elektroenergetskom sustavu.

Odzivi sa slike 2-1 su napravljeni na hidrogeneratoru male snage koji se koristi u laboratorijskoj maketi. U slučaju generatora velike snage, vremenska konstanta uzbude je obično višestruko veća pa je i reakcija uzbude sporija nego kod generatora male snage. Međutim, višestruko je veća i mehanička vremenska konstanta agregata pa se sporije povećava kut opterećenja generatora (u slučaju poremećaja generator se sporije približava granici stabilnosti). U usporedbi hidrogeneratora iz laboratorijskog modela snage 75kVA (poglavlje 9) i turbogreratora iz HE Plomin snage 247MVA (poglavlje 8) odnos vremenskih konstanti uzbude je 1:5,5 a odnos mehaničkih vremenskih konstanti je 1:3,8.

Struktura sustava uzbude sinkronog generatora

5

3. STRUKTURA SUSTAVA UZBUDE SINKRONOG GENERATORA

Sustav uzbude sinkronog generatora se sastoji od digitalnog regulatora s mjernim članovima i energetskog dijela koji osigurava struju uzbude sinkronog generatora. Digitalni regulator je izveden s četiri procesora za obradu signala ADMC300 tvrtke Analog Devices.

Na slici 3-1 prikazan je klasični krug regulacije napona sinkronog generatora s krugom regulacije struje uzbude i nadređenim krugom regulacije napona generatora. Ta dva regulatora su uvijek prisutna dok se regulator jalove snage upotrebljava prema zahtjevima elektroenergetskog sustava na pojedini generator.

REGULACIJESUSTAVDIGITALNI

k

refu urefi

ui

pwm

ui

vi

uvu

wvuQ

genu

refQ

3x380V

SG

Qregulator genUregulator uIregulator

Slika 3-1 Strukturna blokovska shema sustava regulacije uzbude sinkronog generatora

Regulator jalove snage generatora i napona su proporcionalno integralnog tipa. Regulator jalove snage je nadređen regulatoru napona koji je nadređen regulatoru struje uzbude generatora proporcionalnog tipa. Izlazi iz regulatora su ograničeni. Iz dva linijska napona i dvije fazne struje generatora određuju se amplitude napona i jalove snage generatora. Kompenzacija jalove snage generatora je izvedena povećanjem naponske povratne veze s povećanjem jalove snage generatora. Kompenzacija se uključuje kada je generator spojen na elektroenergetski sustav.


6

3.1. Energetski krug napajanja uzbude sinkronog generatora

Energetski krug u realiziranom laboratorijskom modelu (slika 3-2) se sastoji od ulaznog transformatora, trofaznog ispravljača, istosmjernog međukruga, zaštite od prenapona, dvokvadrantnog čopera i pogonskih sklopova za upravljanje sklopkama. Čoper je dvokvadrantni, tako da jednakom brzinom (forsirano) može povećavati i smanjivati struju uzbude. Ulazi tranzistora V2 i V3 su spojeni s emiterima pa su oni isključeni i djeluju samo povratne diode. Kroz te diode struja uzbude generatora nastavlja teći kada se isključe tranzistori V1 i V4.

zaštitaod

prena-pona

Vx 3803

pogonski sklop

upravljačkisignal

iz sustavadigitalne

regulacije pogonski sklop

SG

V1

V2

V3

V4

Slika 3-2 Načelna shema energetskog kruga sustava uzbude sinkronog generatora u laboratorijskom modelu

Ulazni transformator smanjuje napon mreže u omjeru 1:3. Napon istosmjernog međukruga je 160V uz napon mreže 380V. Zaštita od prenapona uključuje otpornik na istosmjerni međukrug kada napon međukruga premaši maksimalno dozvoljeni iznos (200V). To je nužno budući da kada se sklopke isključe, struje uzbude nastavlja teći kroz diode što povećava napon istosmjernog međukruga. Bez prenaponske zaštite napon istosmjernog međukruga može u slučaju isključivanja velike struje uzbude ili poremećaja u elektroenergetskom sustavu (što može dovesti do induciranja napona uzbude) premašiti probojni napon kondenzatora ili IGBT sklopki.

3.2. Algoritam zadržavanja generatora u stabilnom radu

Osnovna ideja algoritma za zadržavanje generatora u stabilnom radu je povećavanje struje uzbude u slučaju povećavanja kuta opterećenja preko kritičnog iznosa. Povećanjem struje uzbude generator se udaljuje od granice stabilnosti.


7

Analizom klasičnog regulacijskog algoritma na slici 3-1 očito je da se potrebno povećavanje struje uzbude moguće izvesti na tri načina: djelovanjem na širinu impulsa (pwm), referencu struje uzbude (iuref) i referencu napona generatora (uref).

• Povećavanjem širine impulsa upravljanja tranzistora pwm. Dobra strana takvog načina je trenutno djelovanje, a loša to što struja uzbude generatora nije pod nadzorom i nije moguće ograničiti njen maksimalni iznos. Potrebno je voditi računa o stanju integratora regulatora napona generatora u trenutku povratka iz režima povećanja širine impulsa upravljanja tranzistora.

• Povećavanje reference struje uzbude iuref. Postoji trenutno djelovanje u slučaju da kut opterećenja postane veći od kritičnog budući da je regulator struje proporcionalnog tipa te se povećanje reference struje uzbude trenutno prenosi na povećanje širine impulsa upravljanja tranzistora pwm. Parametri regulatora struje se rijetko mijenjaju (najčešće nisu dostupni korisniku). Regulator struje ostaje u radu i struja uzbude ostaje pod nadzorom. Potrebno je voditi računa o stanju integratora napona pri izlasku iz režima povećanja struje uzbude.

• Podizanjem reference regulatora napona uref. Podizanje reference regulatora napona uref ima nedostatak u tome što se parametri regulatora napona često mijenjaju. Nakon svake promjene parametara regulatora trebalo bi ponovno podešavati algoritam zadržavanja generatora u stabilnom radu. Osim toga, trenutno povećanje struje uzbude putem promjene reference napona postoji samo ako je proporcionalni član regulatora napona različit od nule.

Kao optimalno rješenje odabrano je povećavanje reference struje uzbude budući da je struja uzbude pod nadzorom regulatora struje, a osim toga tada postoji trenutno povećanje struje uzbude ukoliko kut opterećenja prijeđe kritični iznos. Problem koji je potrebno riješiti je način djelovanja u slučaju približavanja generatora nestabilnom području i problem glatkog ulaska i izlaska u režim povećanja struje uzbude.

Povećanje reference struje uzbude kada kut opterećenja prijeđe kritični iznos moguće je izvesti na više načina:

• podizanjem donjeg limita regulatora napona generatora ovisno o tome koliko je kut opterećenja prešao daleko od kritičnog kuta opterećenja. Na taj način dolazi do trenutnog povećanja reference struje uzbude i riješen je problem glatkog ulaska i izlaska u režim povećanja struje uzbude.

• dodatna referenca struje uzbude koja se zbraja izlazu iz regulatora napona.

• novi regulacijski krug koji regulira kut opterećenja kada on prijeđe kritični iznos i odvodi ga na siguran iznos. Taj regulator je paralelan regulatoru napona i on preuzima određivanje reference struje uzbude. Potrebno je riješiti glatki prijelaz između regulatora napona i regulatora kuta opterećenja (bez skokovitih promjena reference struje uzbude).


8

Izabran je dodatni regulator kuta opterećenja zbog toga što se dobiva regulacijska struktura koja se razmjerno jednostavno podešava. Kut opterećenja se estimira na temelju mjerenja napona i struja generatora (poglavlje 4). Struktura regulacije uzbude s estimacijom kuta opterećenja i dodatnim regulatorom kuta opterećenja prikazana je na slici 3-3.

REGULACIJESUSTAVDIGITALNI

3x380V

SG

k

refϑ

urefi

ui

Q

pwm

estimiraniϑ

kritϑui

wi

uvu

wvu

genu

refurefQ

Qregulator genUregulator uIregulator

ϑregulator

Slika 3-3 Strukturna blokovska shema sustava regulacije uzbude sinkronog generatora s regulatorom kuta opterećenja i estimatorom kuta opterećenja generatora

Odabran je regulator proporcionalno integralno derivacijskog tipa. Proporcionalni i derivacijski član osiguravaju djelovanje u prvom trenutku, a integralni član osigurava da kut opterećenja postigne vrijednost zadanu referencom. Na taj način integralni član odvodi generator dalje od granice nestabilnosti u sigurno stanje. U trenutku prijelaza između regulatora napona i regulatora kuta opterećenja stanje integratora regulatora napona se postavlja u integrator regulatora kuta opterećenja. Zbog toga je prijelaz između dva regulatora gladak i nema skokovitih promjena reference struje uzbude.


9

3.3. Digitalni sustav regulacije

Za potrebe implementacije algoritama regulacije uzbude generatora u realnom sustavu realiziran je digitalni sustav DIRES21. To je četveroprocesorski sustav temeljen na procesorima za obradu signala ADMC300 tvrtke Analog Devices. Osnovne karakteristike sklopovlja digitalnog sustava su dane u poglavlju 9.

Za potrebe realizacije i testiranja algoritama napravljena su dva tipa programskih alata na osobnom računalu koji se izvode u operativnom sustavu Windows XP Professional:

- alat za razvoj programa procesora za obradu signala u grafičkom okruženju. Alat sadrži grafičko sučelje u kojem se blokovski formiraju algoritmi. U programskom jeziku asembler procesora za obradu signala napravljeno je preko 300 blokova (logički, aritmetički, regulacijski, komunikacijski blokovi…). Svaki blok ima odgovarajući grafički prikaz. Putem grafičkog sučelja razvijaju su algoritmi povezivanjem pojedinih blokova u veće strukture. U programskom jeziku Borland C++ 3.1. na osobnom računalu, napravljeni su programi koji pretvaraju grafičke prikaze algoritama u izvršni kod procesora za obradu signala. Grafički prikaz programa sva četiri procesora za obradu signala je dan u dodatku B, a grafički izgled i opis alata je dan u dodatku C.

- alat za ispitivanje i podešavanje sustava regulacije koji omogućuje nadzor svih bitnih varijabli sustava, podešavanje parametara i snimanje valnih oblika varijabli. Alat je razvijen u programskom jeziku Borland C++ Builder 5.0. Programski paket omogućava podešavanje 72 parametra algoritma regulacije i upravljanja, snimanje 30 pojava istovremeno sa najmanjom frekvencijom uzorkovanja 0,2 sekunde i snimanje 18 valnih pojava sa najmanjom frekvencijom uzorkovanja 0,3 milisekunde. Svi valni oblici u ovom radu snimani su izravno digitalnim sustavom. Grafički izgled i kratki opis ovog alata je dan u dodatku C.

Mjerenje i estimiranje kuta opterećenja sinkronog generatora

10

4. MJERENJE I ESTIMIRANJE KUTA OPTEREĆENJA SINKRONOG GENERATORA

Kut opterećenja je ključna varijabla algoritma proširenja područja stabilnog rada sinkronog generatora regulacijom uzbude. Kut opterećenja pokazuje koliko je generator blizu granice stabilnosti. Kada kut opterećenja prijeđe 90º u kapacitivnom području rada, generator ispada iz sinkronizma sa mrežom i ispada iz elektroenergetskog sustava. Određivanje kuta opterećenja se obavlja na temelju mjerenja položaja rotora generatora i jednog napona generatora. Estimacija kuta opterećenja se izvodi korištenjem modela generatora čije su ulazne varijable naponi i struje generatora. Taj pristup ima prednosti u odnosu na mjerenje kut opterećenja budući da se izbjegava upotreba davača položaja rotora generatora. Osim toga, sve veličine potrebne za estimaciju kuta opterećenja koriste se u regulaciji napona sinkronog generatora tako da nisu potrebni dodatni mjerni članovi.

4.1. Mjerenje kuta opterećenja

Digitalni sustav upravljanja i regulacije određuje kut opterećenja na temelju trenutnog položaja rotora (putem digitalnog enkodera) i trenutnog napona generatora. Kod svakog prolaska napona generatora kroz nulu, očitava se položaj rotora generatora. Položaj rotora u praznom hodu se definira kao položaj koji odgovara kutu opterećenja nula. Pri opterećenju generatora spojenog na mrežu, dolazi do pomaka položaja rotora u odnosu na napon generatora i taj pomak odgovara kutu opterećenja.

Trenutni položaj rotora generatora se mjeri digitalnim enkoderom koji daje 5000 impulsa po okretu. Budući da generator ima pet pari polova slijedi da za jednu periodu napona generatora enkoder proizvodi 1000 impulsa. Enkoderski ulaz procesora digitalnog sustava regulacije broji pozitivne i negativne promjene digitalnih ulaza što učetverostručuje broj impulsa. Iz toga slijedi da je točnost određivanja kuta rotora 0.025%. Analogni ulaz kojim se mjeri napon generatora ima frekvenciju uzorkovanja 31.25 kHz iz čega slijedi da je točnost određivanja trenutka prolaska kroz nulu napona generatora 0,16%. Iz ta dva podatka slijedi da je točnost mjerenja kuta opterećenja bolja od 0,2%. Točnost određivanja kuta opterećenja može biti smanjena zbog loše montaže digitalnog enkodera na osovinu generatora. Osim toga, generator i par istosmjernih motora koji ga pokreću nisu spojeni krutom vezom, nego gumenim spojkama. Enkoder je spojen na osovinu motora, a ne na osovinu generatora. To uzrokuje dodatne dinamičke greške mjerenja kuta opterećenja pri prijelaznim pojavama.


11

4.2. Estimiranje kuta opterećenja

Kut opterećena se određuje iz naponsko strujnog vektorskog dijagrama generatora prikazanog na slici 4-1.

ϑ ϕ

Ur

Ir

IRr⋅

IX q

r⋅

I)XX( dq

r⋅−

0Er

⋅

Slika 4-1 Vektorski dijagram naponsko strujnih odnosa sinkronog generatora u koordinatnom sustavu napona statora

Iz vektorskog dijagrama na slici 4-1 na osnovi temeljnih trigonometrijskih funkcija se dobiva:

ϕϕ

ϕϕϑ

cosRIsinXIUsinRIcosXI

tgq

q

⋅⋅+⋅⋅+

⋅⋅−⋅⋅= ( 4-1 )

Budući da je kosinus kuta između napona i struje jednak kvocijentu radne i prividne snage, a sinus kvocijentu jalove i prividne snage, dobiva se formula za estimaciju kuta opterećenja na temelju amplituda radne snage P, jalove snage Q, prividne snage S, napona U i struje generatora I, reaktancije u poprečnoj osi generatora Xq i otpora statora Rs :

PRIQXISU

QRIPXIarctg

q

q

⋅⋅+⋅⋅+⋅

⋅⋅−⋅⋅=ϑ ( 4-2 )

Parametar generatora potreban za izračun kuta opterećenja je poprečna reaktancija Xq. Ta reaktancija ulazi u zasićenje u manjoj mjeri nego reaktancija Xd i obično je poznata iz proizvođačkih podataka stroja. Promjena otpora R sa temperaturom nema velikog značaja budući da je iznos otpora R puno manji od iznosa reaktancije Xd.

Pri izračunu funkcije arctg potrebno je voditi računa o kvadrantu u kojem se nalazi kut opterećenja ovisno o predznaku brojnika i nazivnika jednadžbe (4-2). Funkcija arctg kvocijenta je izvedena na način da je arkus tangens 0/0 jednak 0.


12

Amplituda radne, jalove i prividne snage generatora, napona i struje statora računaju se u dvofaznom koordinatnom sustavu statora generatora (α,β). Transformacija iz trofaznog u dvofazni sustav se izvodi Clarkovom transformacijom (slika 4-2). Svaki vektor koji se može opisati u trofaznom, može se opisati i u dvofaznom koordinatnom sustavu.

ϕ

a

zr

b c

ϕ

α

βj

2/3

3/2

zr

Slika 4-2 Clarkova transformacija

Transformacijom vektora zr iz trofaznog (a,b,c) u dvofazni (α,β) sustav dobije se:

azz =α ( 4-3 )

)zz(3

1z cb −⋅=β ( 4-4 )

Sustav digitalne regulacije mjeri trenutne vrijednosti dva linijska napona (uab i ucb) i dvije fazne struje generatora (ia i ic). Ulaz u Clarkovu transformaciju napona su tri linijska napona i tri linijske struje generatora:

abab uu = ( 4-5 )

cbbc uu −= ( 4-6 )

bcabca uuu −−= ( 4-7 )

)ii(ii caaab −−−= ( 4-8 )

ccabc i)ii(i −−−= ( 4-9 )

acca iii −= ( 4-10 )

Na temelju Clarkovih transformacija linijskih napona i struja dobiveni su naponi i struje u koordinatnom sustavu statora generatora (uα, uβ, iα, iβ):

abii =α ( 4-11 )

)ii(3

1i cabc −⋅=β ( 4-12 )

abuu =α ( 4-13 )

)uu(3

1u cabc −⋅=β ( 4-14 )


13

Na temelju trenutnih vrijednost napona i struja u koordinatnom sustavu statora računaju se amplitude napona i struje statora generatora te amplitude radne, jalove i prividne snage generatora:

22 uu2

1U βα +⋅= ( 4-15 )

22 ii2

1I βα +⋅= ( 4-16 )

)iuiu(21Q βααβ ⋅−⋅⋅= ( 4-17 )

)iuiu(21P ββαα ⋅+⋅⋅= ( 4-18 )

22 QPS += ( 4-19 )

U uvjetima bliskog kratkog spoja kratkog trajanja (nekoliko stotina milisekundi dok u sustavu ne proradi zaštita koja će isključiti kratki spoj) dolazi do naglog propada napona generatora, struja generatora raste na velike iznose i članovi za mjerenje struje generatora ulaze u zasićenje (mjerni članovi struje se obično podešavaju da mogu mjeriti iznose struje do dvostruke nazivne struje generatora, a struja kratkog spoja je veća od tog iznosa) pa i mjerenje radne i jalove snage generatora postaje nepouzdano. Time i estimacija kuta opterećenja postaje nepouzdana. Mjerenje napona generatora, s druge strane je i dalje korektno. Rješenje problema je postavljanje izlaza estimatora u stanje koje je povoljno za ponašanje sustava uzbude u uvjetima kratkog spoja sve dok je napon generatora manji od primjerice 50% nazivnog iznosa napona uz uvjet da je generator spojen na mrežu. U uvjetima bliskog kratkog spoja potrebno je forsirati uzbudu generatora kako bi generator ostao u sinkronizmu s mrežom. Sustav zadržavanja generatora u stabilnom radu djeluje na način da povećava struju uzbude kada je kut opterećenja prevelik. Prema tome, u tim uvjetima se izlaz iz estimatora kuta opterećenja se postavlja na maksimalni iznos (180º). Blok dijagram estimacije kuta opterećenja u programu procesora za obradu signala digitalnog sustava regulacije je prikazan na slici 4-3.


14

mult4_12

1=4096

sh3

I

Xq

mult4_12

1=4096

sh3

I

Rs

I_Rs

I_Xq

T800

T810

mult4_12

1=4096

sh3

I_Xq

P

mult4_12

1=4096

sh3

I_Rs

Q

T850

T860

diff

mult4_12

1=4096

sh3

I_Xq

Q

I_Rs

P

T820

T830

addT840

T870

mult4_12

1=4096

sh3

a2

b2

kor_kvadP

Q

mult4_12

1=4096

sh3U

addT890

T880

ab

divarctg

atctg ab

pt1

FG_KUT

KUT_OPT_ESTIM

T920

T900 T910switch

tst_altbU

0.6*Un

pi

and

&mreza

T920 T930

T940

Slika 4-3 Blok dijagram estimatora kuta opterećenja ostvaren u programu procesora za obradu signala digitalnog sustava regulacije uzbude sinkronog generatora


15

4.3. Statička točnost estimacije kuta opterećenja

Analiza statičke točnosti estimiranja kuta opterećenja obavljena je usporedbom mjerenog i estimiranog kuta opterećenja u tri skupine pokusa u kojima se održava konstantna jalova snaga generatora upotrebom regulatora jalove snage generatora, a radna snaga se mijenja od 0% do 100% nazivne snage generatora s korakom 20% upotrebom regulatora električne radne snage generatora. Nakon što generator uđe u stacionarno stanje uspoređuje se iznos mjerenog i estimiranog kuta opterećenja. U prvom pokusu (tablica 4-1, slika 4-4) jalova snaga je jednaka nuli. U drugom pokusu (tablica 4-2, slika 4-5) jalova snaga generatora je jednaka 100% nazivne snage generatora u induktivnom području. U trećem pokusu (tablica 4-3, slika 4-6) jalova snaga generatora je jednaka 100% nazivne snage generatora u kapacitivnom području.

Tablica 4-1 Mjereni i estimirani kut opterećenja te greška estimiranja uz jalovu snagu jednaku nula i promjenu radne snage generatora od 0% do 100% nazivne snage generatora

P Q Kut opterećenja Estimirani kut

opterećenja Greška estimiranja

0% 0% 1º 0,5º 0,5º

20% 0% 6,5º 5,5º 1º

40% 0% 12,5º 11º 1,5º

60% 0% 18,5º 16º 2,5º

80% 0% 23º 21,5º 2,5º

100% 0% 27º 24º 3º

KUT OPTEREĆENJA

0

5

10

15

20

25

30

0 20 40 60 80 100

RADNA SNAGA ( % )

KUT

(stu

panj

)

MJERENJE ESTIMACIJA GREŠKA

Slika 4-4 Mjereni i estimirani kut opterećenja i njihova razlika uz jalovu snagu generatora jednaku nula i promjenu radne snage od 0% do 100% nazivne snage generatora


16

Greška estimiranja u ovom pokusu je ispod 3 stupnja. Greška raste s porastom radne snage generatora.

Tablica 4-2 Mjereni i estimirani kut opterećenja te greška estimiranja u induktivnom području rada generatora uz promjenu radne snage generatora od 0% do 100% nazivne snage generatora



0% 100% -2º -2º 0º

20% 100% 3º 2,2º 0,8º

40% 100% 7º 5,8º 1,2º

60% 100% 11º 9º 2º

80% 100% 16º 13º 3º

100% 100% 20º 16º 4º

KUT OPTEREĆENJA

-5

0

5

10

15

20

25

0 20 40 60 80 100

RADNA SNAGA ( % )

KUT

(stu

panj

)


Slika 4-5 Mjereni i estimirani kut opterećenja i njihova razlika u induktivnom području rada generatora uz promjenu radne snage od 0% do 100% nazivne snage generatora

Iz rezultata mjerenja i estimiranja kuta opterećenja u induktivnom području vidi se da statička greška estimiranja raste s porastom radne snage generatora. U cijelom području ispitivanja greška je manja od 4 stupnja.


17

Tablica 4-3 Mjereni i estimirani kut opterećenja te greška estimiranja u kapacitivnom području rada generatora uz promjenu radne snage generatora od 0% do 90% nazivne snage generatora



0% -100% 7º 5,5º 1,5º

20% -100% 19º 18º 1º

40% -100% 28º 28º 0º

60% -100% 36º 37º -1º

80% -100% 42º 44º -2º

90% -100% 45º 47º -2º

KUT OPTEREĆENJA

-10

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100

RADNA SNAGA ( % )

KUT

(stu

panj

)


Slika 4-6 Mjereni i estimirani kut opterećenja i njihova razlika u kapacitivnom području rada generatora uz promjenu radne snage od 0% do 90% nazivne snage generatora

U ovom pokusu radna snaga se povećava do 90% nazivne snage generatora zbog ograničenja u mogućnosti pogonskog stroja. U cijelom ispitivanom području greška estimiranja je manja od 2 stupnja. Kapacitivno područje rada generatora je najbitnije za istraživanja u ovom radu budući da je generator najbliže granici stabilnosti.

U cijelom području testiranja statičke točnosti estimiranja kuta opterećenja greška je manja od 4 stupnja. U sve tri skupine pokusa generator ostaje u stabilnom radu.


18

4.4. Dinamička točnost estimacije kuta opterećenja

Usporedba mjerenja i estimacije kuta opterećenja je izvedena u četiri pokusa. U pokusima dolazi do skokovitog porasta radne snage generatora na iznos od približno 100% nazivne snage generatora. Nakon 4 sekunde radna snaga generatora se smanjuje na nulu. U prva tri pokusa uključen je regulator jalove snage generatora koji održava približno stalan iznos jalove snage. U tim pokusima ne dolazi do ispada generatora iz sinkronizma. U četvrtom pokusu regulator jalove snage je isključen, a uključen je regulator napona generatora i generator ispada iz sinkronizma. U prvom pokusu (slika 4-7) jalova snaga generatora je približno jednaka nuli. U drugom pokusu (slika 4-8) generator je u induktivnom području pri jalovoj snazi iznosa 100% nazivne snage generatora, a u trećem i četvrtom pokusu (slika 4-9, slika 4-10) generator se nalazi u kapacitivnom području pri jalovoj snazi iznosa 100% nazivne snage generatora.

Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-15-10-505

1015

0 1 2 3 4 5 6


Kut opterećenja ( stupanj )

-20-10

010203040

0 1 2 3 4 5 6

vrijeme (s)Eksperiment Estimirano u DSP

Razlika mjerenog i estimiranog kuta opterećenja ( stupanj )

-505

1015

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-7 Odzivi radne snage, jalove snage, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora i njihove razlike uz jalovu snagu oko nule i skokovitu promjenu momenta na

osovini generatora uz uključen regulator jalove snage

Srednja apsolutna pogreška estimacije kuta opterećenja u ovom pokusu je 1,9º. Maksimalna greška je 11º. Maksimalna greška tijekom porasta kuta opterećenja je 3º.


19

Radna snaga ( % )

-100-50

050

100150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6



-10

0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6



-4-202468

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-8 Odzivi radne snage, jalove snage, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora i njihove razlike u induktivnom području rada generatora uz skokovitu promjenu

momenta na osovini generatora uz uključen regulator jalove snage


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-40-20

020406080

0 1 2 3 4 5 6



-20-10

0102030

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-9 Odzivi radne snage, jalove snage, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora i njihove razlike u kapacitivnom području rada generatora uz skokovitu promjenu

momenta na osovini generatora uz uključen regulator jalove snage


20


Sva tri pokusa (slike 4-7, 4-8 i 4-9) pokazuju dobro slaganje mjerenja i estimacije. Najveća greška u estimaciji nastaje tijekom smanjivanja kuta opterećenja. Za djelovanje algoritama povećanja granice stabilnosti generatora regulacijom uzbude bitnija je točnost estimacije tijekom porasta kuta opterećenja budući da su ti uvjeti kritični za stabilan rad generatora. Srednja pogreška estimacije u sva tri pokusa je manja od 2,5º, a maksimalna greška tijekom porasta kuta opterećenja je 10º.

Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-300-250-200-150-100-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6



-200-100

0100200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-10 Odzivi radne snage, jalove snage, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora i njihove razlike opterećenja u kapacitivnom području rada generatora uz skokovitu promjenu momenta na osovini generatora uz uključen regulator napona

U ovom pokusu (slika 4-10) generator se nalazi u kapacitivnom području rada i dolazi do ispada generatora iz sinkronizma. Mjerenja i estimacija pokazuju dobro slaganje osim u trenutku blizu ispada generatora iz sinkronizma. Tada do odstupanja dolazi zbog toga što ključne veličine za estimaciju kuta opterećenja (radna i jalova snaga, napon i struja generatora) nisu dobro izmjerene. U tom trenutku ne vrijede uvjeti stacionarnog stanja koji su potrebni za korektnu estimaciju kuta opterećenja na temelju naponsko strujnog vektorskog dijagrama koji vrijedi za stacionarno stanje. Za algoritme kojima je cilj održavanje generatora u stabilnom režimu rada bitno je područje rada kada je kut opterećenja manji od 90º. Ukoliko algoritam obavlja funkciju (uspijeva zadržati generator u stabilnom radu) kut opterećenja neće prijeći 90 stupnjeva.


21

4.5. Osjetljivost estimacije kuta opterećenja s obzirom na promjenu parametara generatora

Ključni parametri za estimaciju kuta opterećenja su reaktancija u poprečnoj osi generatora Xq i otpor statora R. Do greške u određivanju tih parametara pa stoga i greške estimiranja kuta opterećenja može doći zbog krive početne procjene parametara i zbog promjene parametara u radu (zagrijavanje stroja, zasićenje u željezu). Zato je bitno odrediti osjetljivost metode estimacije kuta opterećenja na promjenu tih parametara. Problem mjerenja napona i struje generatora je manji i ovisi o točnosti mjernih članova. Zasićenje u željezu nije veliki problem jer je ono dominantno u uzdužnoj, a ne u poprečnoj osi generatora [L9].

Analiza osjetljivosti metode estimiranja kuta opterećenja je obavljena u kapacitivnom području rada generatora pri jalovoj snazi iznosa 100% nazivne snage generatora. Uključen je regulator jalove snage generatora. U tim uvjetima dolazi do porasta radne snage generatora na iznos 100% nazivne snage generatora. Nakon 4 sekunde radna snaga generatora se smanjuje na iznos nula. Ti uvjeti rada su bitni za djelovanje algoritama za proširenje područja stabilnog rada generatora regulacijom uzbude.

Statička i dinamička točnost estimiranja određuje se usporedbom mjerenog i estimiranog kuta opterećenja putem dva kriterija. Prvi je srednja apsolutna pogreška (SAP), a drugi statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT). Nazivna reaktancija u poprečnoj osi Xq kao postotak bazne veličine iznosi 51%, a otpor statora R 4%. Ti se parametri mijenjaju se u rasponu 50% do 150% nazivnog iznosa s korakom 25% kako bi se odredila osjetljivost metode estimiranja kuta opterećenja na promjenu tih parametara. Na slici 4-11 prikazani se radna i jalova snaga generatora tijekom pokusa. Ti valni oblici se ne mijenjaju sa promjenom parametara estimatora i približno su jednaki za sve pokuse.

Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-11 Odzivi radne i jalove snage generatora tijekom pokusa ispitivanja osjetljivosti estimacije kuta opterećenja

Na slici 4-12 prikazani su valni oblici mjerenog i estimiranog kuta opterećenja ovisno o promjeni otpora generatora u estimatoru kuta opterećenja. U tablici 4-4 je prikazana greška estimiranja kuta opterećenja ovisno o promjeni otpora generatora estimatora i to srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT). Na slici 4-13 grafički je prikazana ovisnost tih grešaka o promjeni otpora statora generatora.


22

Kut opterećenja ( stupanj ) - R=0,5Rn

-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Kut opterećenja ( stupanj ) - R=Rn

-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-12 Odzivi kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora u kapacitivnom području rada uz skokovitu promjenu momenta na osovini generatora ovisno o iznosu otporu

statora generatora R u estimatoru kuta opterećenja

Tablica 4-4 Srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT) u pokusima skokovite promjene momenta na osovini generatora u kapacitivnom području rada u ovisnosti o otporu statora R u estimatoru kuta opterećenja

R 50% 75% 100% 125% 150%

SAP 3,45º 2,87º 2,41º 2,75º 3,01º

STAT 2,5º 2,5º 2,5º 2,5º 2,5º


23

22,22,42,62,8

33,23,43,6

0,5 0,75 1 1,25 1,5

R / RnSAP STAT

Slika 4-13 Srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT) u pokusima skokovite promjene momenta na osovini

generatora u kapacitivnom području rada u ovisnosti o otporu statora R u estimatoru kuta opterećenja

Iz slika 4-12 i 4-13 kao i iz tablice 4-4 je vidljivo da pogrešna procjena otpora statora u estimatoru kuta opterećenja ne utječe na statičku točnost estimiranja kuta opterećenja u uvjetima kapacitivnog rada generatora pri radnom opterećenju jednakom 90% nazivne snage generatora. Srednja apsolutna dinamička greška raste sa promjenom iznosa otpora u estimatoru najviše za 1 stupanj. Iz toga slijedi da greška pri određivanju otpora statora neće bitno utjecati na točnost estimacije kuta opterećenja. Do promjene otpora statora generatora dolazi zbog zagrijavanja stroja. Budući da utjecaj promjene otpora statora generatora na grešku estimacije nije velik, promjena otpora statora generatora zbog zagrijavanja namota se može zanemariti.

Na slici 4-14 prikazani su valni oblici mjerenog i estimiranog kuta opterećenja ovisno o promjeni reaktancija u poprečnoj osi generatora u estimatoru kuta opterećenja. U tablici 4-5 je prikazana greška estimiranja kuta opterećenja ovisno o promjeni reaktancija u poprečnoj osi generatora estimatora i to srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT). Na slici 4-15 grafički je prikazana ovisnost grešaka o promjeni reaktancija u poprečnoj osi generatora.


24

Kut opterećenja ( stupanj ) - Xq=0,5Xqn

-20

0

20

40

60

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Kut opterećenja ( stupanj ) - Xq=Xqn

-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-50

0

50

100

0 1 2 3 4 5 6



-100

-50

0

50

100

0 1 2 3 4 5 6


Slika 4-14 Odzivi kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora u kapacitivnom području rada generatora uz skokovitu promjenu momenta na osovini generatora ovisno o

iznosu reaktancije u poprečnoj osi generatora Xq u estimatoru kuta opterećenja

Tablica 4-5 Srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT) u pokusima skokovite promjene momenta na osovini generatora u kapacitivnom području rada u ovisnosti o iznosu reaktancije u poprečnoj osi generatora Xq u estimatoru kuta opterećenja

Xq 50% 75% 100% 125% 150%

SAP 14,78º 6,95º 2,46º 11,77º 22,11º

STAT 23º 11º 2,5º 17º 30º


25

0

5

10

15

20

25

30

35

0,5 0,75 1 1,25 1,5

Xq / XqnSAP STAT

Slika 4-15 Srednja apsolutna pogreška (SAP) i statička greška pri radnom opterećenju 90% nazivne snage generatora (STAT) u pokusima skokovite promjene momenta na osovini generatora u kapacitivnom području rada u ovisnosti o iznosu reaktancije u poprečnoj osi

generatora Xq u estimatoru kuta opterećenja

Iz slika 4-14 i 4-15 kao i iz tablice 4-5 je vidljivo da pogrešna procjena reaktancije u poprečnoj osi generatora u estimatoru kuta opterećenja bitno utječe na statičku točnost estimiranja kuta opterećenja u uvjetima kapacitivnog rada generatora pri radnom opterećenju jednakom 90% nazivne snage generatora. Srednja apsolutna dinamička greška raste sa promjenom iznosa reaktancije u poprečnoj osi generatora u estimatoru na 22 stupnja.

4.6. Granice primjenjivosti estimiranog kuta opterećenja u algoritmima povećanja granice stabilnosti generatora

Točnost estimacije kuta opterećenja generatora ovisi o točnosti mjerenja napona i struja generatora i točnosti određivanja parametra reaktancija u poprečnoj osi generatora i otpora statora generatora. Metoda estimiranja daje dovoljno točne rezultate do kuta opterećenja od približno 90º. Algoritam povećanja granice stabilnosti putem regulacije uzbude generatora mora zadržati generator u stabilnom radu, a stoga i kut opterećenja na iznosu nižem od 90º. Iz toga slijedi da je estimirani kut opterećenja upotrebljiv u algoritmima zadržavanja generatora u stabilnom radu na mreži bez obzira na greške u estimaciji pri ispadu generatora iz sinkronizma.

Matematički modeli, simulacijski i eksperimentalni odzivi komponenti sustava regulacije uzbude generatora

26

5. MATEMATIČKI MODELI, SIMULACIJSKI I ESKPERIMENTALNI ODZIVI KOMPONENTI SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE GENERATORA

Simulacija sustava je izvedena u paketu “MATLAB-SIMULINK“. Simulacija se sastoji od sljedećih osnovnih dijelova:

• čoper,

• pogon sinkronog generatora,

• sinkroni generator,

• regulator struje uzbude generatora,

• regulator napona generatora,

• regulator jalove snage generatora,

• estimator kuta opterećenja,

• regulator kuta opterećenja generatora.

U prikazima djelovanja regulatora jalove snage generatora izlaz iz regulacijskih članova P i I je postotak nazivne reference napona generatora budući da je regulator jalove snage nadređen regulatoru napona generatora. Nazivna referenca napona je jednaka nazivnom naponu generatora. U prikazima djelovanja regulacijskih članova P i I regulatora napona generatora kao i P, I i D članova regulatora kuta opterećenja izlaz iz tih članova je postotak nazivne reference struje uzbude budući da su regulator napona i regulator kuta opterećenja nadređeni regulatoru struje uzbude generatora. Nazivna referenca struje uzbude je jednaka nazivnoj struji uzbude.

5.1. Simulacija čopera

Simulacija čopera opisuje vezu između širine impulsa upravljanja tranzistora D i izlaznog napona iz čopera. Na izlaz čopera spojena je uzbuda generatora.

kocnisklop

V1

V2

V3

V4

Slika 5-1 Blok shema IGBT čopera i zaštite od prenapona sustava uzbude sinkronog generatora


27

Digitalni sustav upravlja IGBT sklopkama pulsno širinski moduliranim signalom. U trenutku kada se sklopke V1 i V4 sa slike 5-1 uključe, napon uzbude je jednak naponu istosmjernog međukruga. Kada se sklopke isključe, struja nastavlja teći kroz diode V2 i V3, i tada je napon uzbude jednak negativnom naponu međukruga. Napon uzbude je negativan sve dok struja uzbude ne padne na nulu. Iz toga slijedi da će srednja vrijednost napona uzbude biti oko nule sve dok širina impulsa ne prijeđe 50%,. Izlazni teret čopera je uzbudni namot induktivnog karaktera, vremenske konstante oko 550 ms. Frekvencija pulsno širinski moduliranog signala je 480 Hz. Iz toga slijedi da je struja uzbude praktički kontinuirana pa se čoper može modelirati pojednostavljenim kvazistacionarnim modelom koji napon uzbude opisuje istosmjernim naponom jednakim srednjoj vrijednosti stvarnog pulsno širinski moduliranog napona uzbude. Stanovito odstupanje postoji budući da je napon istosmjernog međukruga nešto manji kada se kondenzator prazni u odnosu na trenutak kada se puni. Eksperimentalno dobiveni odnos srednje vrijednosti izlaznog napon čopera i širine impulsa upravljanja tranzistora je prikazan na slici 5-2.

Izlazni napon čopera

020406080

100120140160

0 20 40 60 80 100

D ( % )

napo

n ( V

)

Slika 5-2 Odnos izlaznog napona čopera i širine impulsa upravljanja tranzistora

Napon istosmjernog međukruga se mjeri i snima. Uvodi se u simulacijski model i koristi se za proračun napona uzbude iz širine impulsa upravljanja tranzistora čopera. Napon istosmjernog međukruga je pretežno konstantan osim u slučaju razbude generatora (naglo smanjivanje struje uzbude). Tada napon istosmjernog međukruga naglo raste. Moguće je pojednostavljenje simulacijskog modela uvođenjem konstantnog iznosa napona istosmjernog međukruga. Tada nije potrebno snimanje napona istosmjernog međukruga i simulacijski model je manje ovisan o eksperimentu. Kako bi se ta mogućnost ispitala i kako bi se ispitala kvaliteta simulacije čopera, napravljen je pokus za usporedbu simulacije i eksperimenta. Uvjeti pokusa su sljedeći: širina impulsa upravljanja tranzistorima je 70% (struja uzbude je 55% nazivne struje) i naglo se smanjuje širina impulsa na nulu. Nakon toga se širina impulsa ponovno povećava na iznos 70%. Struja uzbude i napon istosmjernog međukruga u tom pokusu prikazani su na slici 5-3.


28

Struja uzbude ( % ) -simulacija uzmjereni Udc

-200

20406080

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

vrijeme (s)Eksperiment Simulacija

Struja uzbude ( % ) - simulacija uz konstantni Udc

-200

20406080

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


U-dc-link ( V )

0

50

100

150

200

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Slika 5-3 Eksperimentalni i simulacijski odzivi struja uzbude i napon istosmjernog međukruga u pokusu skokovite promjene širine impulsa upravljanja tranzistorima čopera

Napravljene su dvije simulacije pokusa. Prva simulacija je obavljena s izmjerenim naponom istosmjernog međukruga, a druga s konstantnim naponom međukruga iznosa 150V. Iz rezultata pokusa je vidljivo da gotovo ne postoji razlika između simulacije sa stvarnim naponom istosmjernog međukruga i simulacije s konstantnim naponom istosmjernog međukruga. Iz toga slijedi da se promjenjivost napona istosmjernog međukruga može zanemariti.

Simbolički prikaz čopera u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ je prikazan na slici 5-4, a model čopera na slici 5-5.

Slika 5-4 Simbolički prikaz čopera u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Ulaz u blok čopera su širine impulsa upravljanja tranzistora čopera (pwm) i struja uzbude (Iu), a izlaz je napon uzbude (uf).


29

Slika 5-5 Simulacijski model čopera u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

U model čopera je uključena nelinearnost odnosa između širine impulsa upravljanja tranzistora čopera i napona uzbude u bloku u=f(D), a napon istosmjernog međukruga može biti konstantan ili dobiven mjerenjem u eksperimentu ovisno o sklopki sw1. Model čopera može simulirati jednokvadrantni i dvokvadrantni čoper ovisno o stanju sklopke sw2. Ukoliko je ta sklopka u položaju koji propušta signal iz bloka (Gain), simulira se dvokvadrantni čoper. Tada vrijedi da ukoliko je struja uzbude veća od 5% nazivne struje uzbude, a širina impulsa manja od 30%, izlazni napon čopera je jednak negativnom naponu istosmjernog međukruga. Kako bi se izbjegla algebarska petlja koja zaustavlja simulaciju, uveden je član prvog reda vremenske konstante 10ms u ulaznom krugu struje uzbude. Član prvog reda u izlazu iz bloka opisuje kašnjenje izlaznog napona od jednog koraka diskretizacije. To kašnjenje nastaje jer postoji kašnjenje između trenutka kada regulator u digitalnom sustavu zada izlazni napon do trenutka kada se taj izlazni napon stvarno putem pulsno širinske modulacije pojavi na uzbudi generatora. To vrijeme je određeno frekvencijom pulsno širinske modulacije jer se ona izvodi na nižoj frekvenciji nego algoritmi regulacije. Frekvencija pulsno širinske modulacije je 480Hz pa bi izlazna vremenska konstanta trebala biti 2ms. Zbog problema pojavljivanja algebarske petlja pri određenim uvjetima simulacije, vremenska konstanta je povećana na 5ms.

5.2. Simulacija pogona sinkronog generatora

Ulaz u simulaciju koji opisuje pogonski mehanički moment na osovini generatora.

U laboratorijskom modelu pogonski stroj sinkronog generatora je par istosmjernih motora koji se napajaju iz jednosmjernog tiristorskog usmjerivača (poglavlje 9). Digitalni sustav mjeri napon i struju tiristorskog usmjerivača i na temelju tih veličina računa električnu ulaznu snagu istosmjernih motora. Budući da je brzina vrtnje generatora na mreži konstantna, moment na osovini generatora je proporcionalan snazi istosmjernih motora ako se zanemare gubici. Digitalni sustav zadaje referencu regulatora struje tiristorskog usmjerivača. Moment


30

pogonskog stroja se izravno unosi u simulaciju iz snimke rada laboratorijskog modela ili se zadaje nezavisno od eksperimenta.

5.3. Simulacija sinkronog generatora

Matematički model sinkronog generatora je temeljen na Parkovim transformacijama. To su naponske jednadžbe zamišljenih armaturnih krugova u uzdužnoj d i poprečnog q osi. Te dvije osi se dobivaju linearnom transformacijom faznih armaturnih fizikalnih veličina a, b i c.

Takav način modeliranja generatora je u širokoj uporabi. Taj model ne uzima u obzir promjene induktiviteta i međuinduktiviteta s promjenom uzbudne i statorske struje. Prigušne karakteristike željeza rotora se tretiraju na jedinstveni način, a skin efekt se ignorira [L9]. Složeniji modeli zahtijevaju poznavanje dodatnih parametara stroja i prikladniji su za detaljna istraživanja stroja. Budući da su u ovom radu od ključnog interesa pitanja vezana za regulaciju uzbude generatora, ovakav model zadovoljava po složenosti. Zasićenje u željezu je opisano u d osi.

Do matematičkog modela se dolazi transformacijom sustava naponskih jednadžbi iz faznih abc koordinata u dq koordinate. Pretpostavlja se da su naponi simetrično raspoređeni, da imaju jednake parametre i da u zračnom rasporu ima samo jedan harmonik polja. Početne jednadžbe u ovom modelu su diferencijalne jednadžbe u dq koordinatama koje su izražene u relativnim veličinama (vrijeme je izraženo apsolutno) [L19]:

qd

sdd dt

d1iru ψωψω

⋅+⋅+⋅=− ( 5-1 )

dq

sqq dt

d1iru ψωψ

ω⋅−⋅+⋅=− ( 5-2 )

dtd1iru u

suuu

ψω

⋅+⋅= ( 5-3 )

dtd1ir0 D

sDD

ψω

⋅+⋅= ( 5-4 )

dtd1ir0 Q

sQQ

ψω

⋅+⋅= ( 5-5 )

Jednadžbe koje definiraju odnos ulančanih tokova i struja su:

DdDuudddd ixixix ⋅+⋅+⋅=ψ ( 5-6 )

QqQqqq ixix ⋅+⋅=ψ ( 5-7 )

DuDuududu ixixix ⋅+⋅+⋅=ψ ( 5-8 )

DDuuDddDD ixixix ⋅+⋅+⋅=ψ ( 5-9 )

QQqqQQ ixix ⋅+⋅=ψ ( 5-10 )

Jednadžbe (5-6) do (5-10) se uvrštavaju u jednadžbe (5-1) do (5-5). Sređivanjem jednadžbi dobiva se matrični oblik [L14]:


31

d

d

d1

DuDdD

uDuud

dDudd

s

D

1

d

CBA

xxxxxxxxx

dtdidtdidtdi

⋅⋅=

−

ω ( 5-11 )

q

q1

QqQ

qQqs

Q

q

BA

xxxx

dtdidtdi

⋅⋅=−

ω ( 5-12 )

gdje su:

dqdd iruA ⋅−⋅−−= ψω ( 5-13 )

uuud iruB ⋅−= ( 5-14 )

DDd irC ⋅−= ( 5-15 )

qdqq iruA ⋅−⋅+−= ψω ( 5-16 )

QQq irB ⋅−= ( 5-17 )

Proračun parametara Ad, Bd, Cd, Aq, Bq u simulacijskom modelu je prikazan u dodatku A23.

Za simulaciju potrebno je izračunati inverzne matrice iz jednadžbi (5-11) i (5-12). Dobivaju se sljedeći članovi matrice reaktancija d osi kao inverzna matrica matrice iz jednadžbe (5-11):

LK)3,3(Yd = ( 5-18 )

LM)2,3(Yd −= ( 5-19 )

L

MxxK

xx

)1,3(Y d

ud

d

dD

d

⋅+⋅−= ( 5-20 )

)2,3(YNI

x)2,2(Y dd

d ⋅−= ( 5-21 )

)1,3(YNI

x)1,2(Y dud

d ⋅−−= ( 5-22 )

)1,2(Yxx)1,3(Y

xx

x1)1,1(Y d

d

uDd

d

dD

dd ⋅−⋅−= ( 5-23 )

)2,3(Y)3,2(Y dd = ( 5-24 )

)1,3(Y)3,1(Y dd = ( 5-25 )

)1,2(Y)2,1(Y dd = ( 5-26 )


32

Proračun parametara Yd u simulacijskom modelu je prikazan u dodatku A22.

gdje su:

d

2ud

u xxxK −= ( 5-27 )

2

d

dDuduD

d

2ud

ud

2dD

D )x

xxx()x

xx()x

xx(L ⋅−−−⋅−= ( 5-28 )

d

dDuduD x

xxxM ⋅−= ( 5-29 )

KMN = ( 5-30 )

2uddu xxxI −⋅= ( 5-31 )

Proračun parametara K, L, M, N, I, u simulacijskom modelu je prikazan u dodatku A21.

Dobivaju se sljedeći članovi matrice reaktancija q osi kao inverzna matrica matrice iz jednadžbe (5-12):

)P

x1(

x1)1,1(Y

2qQ

qq +⋅= ( 5-32 )

Px

)2,1(Y qQq −= ( 5-33 )

)2,1(Y)1,2(Y qq = ( 5-34 )

Px

)2,2(Y qq = ( 5-35 )

Proračun parametara Yq u simulacijskom modelu je prikazan u dodatku A23.

gdje je:

2qQQq xxxP −⋅= ( 5-36 )

Proračun parametara P u simulacijskom modelu je prikazan u dodatku A21.

Sustav jednadžbi je napisan u relativnim, jediničnim vrijednostima. Prednost takvog zapisa je lakša usporedba ponašanja sinkronih strojeva svih raspona snaga i brzina vrtnje. Bazne vrijednosti pojedinih veličina su dane u dodatku A1.

Za simulaciju potrebno je poznavati sljedeće parametre generatora: r, ru, rD, rQ, xd, xud, xdD, xu, xuD, xD, xq, xqQ, xQ. Standardni parametri strojeva koji su najčešće na raspolaganju su: xd, xq, xl, r, Tm, xd', xd'', xq'', Td'', Tq''. Veza između ta dvije skupine parametara je dana formulama [L11]:

ldud xxx −= ( 5-37 )


33

uduD xx = ( 5-38 )

'xx)xx(x

dd

2ld

u −−

= ( 5-39 )

''x'x)x''x()x'x(xx

dd

ldldudD −

−⋅−+= ( 5-40 )

lqqQ xxx −= ( 5-41 )

''xx)xx(

xqq

2lq

Q −

−= ( 5-42 )

s0d

uu T

xrω⋅

= ( 5-43 )

sdd

d

dd

2ld

D ''T1

'x''x

''x'x)x'x(r

ω⋅⋅⋅

−−

= ( 5-44 )

sqq

q

qq

2lq

Q ''T1

x''x

''xx)xx(

rω⋅

⋅⋅−

−= ( 5-45 )

Jednadžbe gibanja agregata su:

ωω

ϕ=⋅

s

1dtd ( 5-46 )

ωω

ϑ−=⋅ 11

dtd

s ( 5-47 )

)mm(T1

dtd

elmmehm

+⋅=ω ( 5-48 )

qddqelm iim ⋅−⋅= ψψ ( 5-49 )

Simuliran je generator spojen na krutu mrežu preko blok transformatora i spojnih vodova rv i xv. Vrijede sljedeće jednadžbe [L14]:

kmdqvvdv

s

vvdvdv uix

dtdixriu +⋅⋅+⋅+⋅= ω

ω ( 5-50 )

kmqdvvqv

s

vvqvqv uix

dtdixriu +⋅⋅−⋅+⋅= ω

ω ( 5-51 )

ϑsinuu kmkmd ⋅= ( 5-52 )

ϑcosuu kmkmq ⋅= ( 5-53 )

Kut ϑ je kut opterećenja generatora, a kmu je iznos napona mreže.

Zasićenje generatora ima posljedicu promjene parametara generatora što izravno utječe na dinamičko i stacionarno stanje generatora. Zasićenje se uvodi preko snimljene karakteristike praznog hoda, preko parametra xud, jer uz konstantnu brzinu vrtnje taj parametar predstavlja izravnu vezu između uzbudne struje i induciranog napona generatora


34

[L9]. Parametar xud mora biti promjenjiv tako da se dobije ista funkcijska povezanost između struje uzbude i induciranog napona (ulančanog toka) dobivena pokusom praznog hoda. Zasićenje se uvodi samo u d os generatora, a parametri q osi ostaju konstantni. Karakteristika promjene xud dobivena iz pokusa praznog hoda prikazana je na slici 5-6.

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100 120

Id ( % )

x ud

( % )

Slika 5-6 Karakteristika promjene reaktancije xud s promjenom d komponente struje generatora

Pretpostavlja se da je rasipna reaktancija xl generatora sa zasićenjem jednaka nezasićenoj rasipnoj reaktanciji [L9].

Na temelju iznesenog matematičkog modela napravljen je simulacijski model generatora u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ koji je prikazan na slici 5-8. Simbolički prikaz generatora je prikazan na slici 5-7.

Slika 5-7 Simbolički prikaz sinkronog generatora u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Ulaz u blok sinkronog generatora su mehanički moment (mmeh), napon uzbude (uf) i napon krute mreže (ukm), a izlazi su brzina vrtnje (w), struja uzbude (if), radna snaga (Pel), jalova snaga (Q), struja (Igen), napon (Ugen) i kut opterećenja generatora (Kut opt.).


35

Slika 5-8 Simulacijski model sinkronog generatora u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“


36

U simulacijskom modelu generatora prikazanom na slici 5-8 jednostavno se prelazi sa parametara malog generatora u laboratorijskom modelu na parametra generatora velike snage (turbogenerator u HE Plomin) prebacivanjem sklopki 1-11 iz gornjeg u donji položaj.

Rezultati simulacijskog modela sinkronog generatora su uspoređeni s eksperimentom u tri pokusa:

• Pokus1: širina impulsa upravljanja tranzistora čopera u krugu uzbude je 53%. Jalova kapacitivna snaga je iznosa 80% nazivne snage generatora, a radna snaga generatora je približno jednaka nuli. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovitog porasta opterećenja radnom snagom generatora iznosa 100% nazivne snage, a u petoj sekundi radna snaga pada na nulu. Skokovita promjena radne snage generatora se ostvaruje skokovitom promjenom momenta na osovini generatora povećanjem struje istosmjernih motora u laboratorijskom modelu putem tiristorskog usmjerivača. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-9. U ovom pokusu generator je blizu granice nestabilnosti i analizira se točnost simulacijskog opisa generatora u uvjetima ispada iz sinkronizma.

• Pokus 2: širina impulsa upravljanja tranzistora čopera je 67%. I radna i jalova snaga su približno jednake nuli. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovitog porasta opterećenja radnom snagom iznosa 100% nazivne snage generatora, a u petoj sekundi radna snaga pada na nulu. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-10. U ovom pokusu generator je daleko od granice stabilnosti i analizira se točnost simulacije u uvjetima skokovite promjene momenta na osovini generatora.

• Pokus 3: radna i jalova snage su približno jednake nuli. Širina impulsa upravljanja tranzistora čopera u krugu uzbude je jednak 70%. U trenutku 250ms od početka pokusa dolazi do skokovitog smanjenja širine impulsa na nulu, a u trenutku 500ms se širina impulsa vraća na 70%. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-11. U ovom pokusu se analizira točnost simulacije u uvjetima skokovite promjene struje uzbude.


37

Napon generatora ( % )

86889092949698

0 1 2 3 4 5 6


Struja generatora ( % )

0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-300-250-200-150-100-50

0

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-100

-50

0

50

100

0 1 2 3 4 5 6


Kut opterećenja( stupanj )

-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6


Estimirani kut opterećenja ( stupanj )

-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-9 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri

skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora u kapacitivnom području rada generatora uz konstantni napon uzbude


38


97,598

98,599

99,5100

100,5

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-60-50-40-30-20-10

010

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-20-10

01020304050

0 1 2 3 4 5 6



-20-10

01020304050

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-10 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri

skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz početnu jalovu snagu jednaku nuli i konstantan napon uzbude


39


94

96

98

100

102

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5



0

50

100

150

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Radna snaga ( % )

-15

-10

-5

0

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

50

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Struja uzbude ( % )

-200

20406080

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Slika 5-11 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage i struje uzbude generatora pri skokovitoj promjeni širine impulsa upravljanja tranzistora čopera

u krugu uzbude uz radnu snage jednaku nuli

U prvom pokusu (slika 5-9) u kojem dolazi do ispada generatora iz sinkronizma slaganje eksperimenta i simulacije je lošije nego u druga dva. Točnost opisa uvjeta ispada iz sinkronizma je lošija. Mogući razlog toga je neopisivanje svih nelinearnosti unutar generatora. Drugi i treći pokus (slika 5-10 i 5-11) pokazuju dobro slaganje eksperimenta i simulacije. U tim pokusima ne dolazi do ispada generatora iz sinkronizma.

Pokusi pokazuju valjanost simulacije sinkronog generatora u uvjetima koji su bitni za istraživanja u ovom radu. To su uvjeti nagle promjene kuta opterećenja kada nastupa regulacija kuta opterećenja koja zadržava generator u stabilnom radu. Visoko slaganje simulacije i eksperimenta omogućava analizu rada algoritama bez eksperimenta u uvjetima kada nije moguće eksperimentalno provjeriti djelovanje algoritama (kratki spojevi u elektroenergetskom sustavu, veliki generatori s kojima nije moguće eksperimentirati).


40

5.4. Simulacija kruga regulacije struje uzbude generatora

Simbolički prikaz i simulacijski model regulatora struje uzbude, u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ prikazan na slikama 5-12 i 5-13.

Slika 5-12 Simbolički prikaz regulatora struje u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Ulaz u blok regulatora su referenca struje uzbude (iuref), struja uzbude (iu) i pojačanje regulatora struje (Kp), a izlaz je širina impulsa upravljanja tranzistora čopera (D). Gornji limit izlaza iz regulatora je 100%, a donji 0% pogonskog ciklusa pulsno širinski moduliranog signala.

Slika 5-13 Simulacijski model regulatora struje uzbude u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Sličnost rezultata simulacije s realnim sustavom ispitana je u pokusu skokovite promjene reference struje uzbude. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-14. Pojačanje regulatora je jednako 4.


41

Struja uzbude ( % )

-100

102030405060

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


PWM ( % )

-200

20406080

100120

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5


Slika 5-14 Eksperimentalni i simulacijski odzivi struje uzbude i širine impulsa upravljanja tranzistora čopera u krugu uzbude uz uključen regulator struje uzbude pri skokovitoj promjeni

reference struje uzbude generatora

Rezultati pokusa pokazuju dobro slaganje simulacije i eksperimenta. Nema bitne razlike između eksperimenta i simulacije.

5.5. Simulacija kruga regulacije napona generatora

Simbolički prikaz i simulacijski model proporcionalno integralnog regulatora napona, u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ prikazan je na slikama 5-15 i 5-16.

Slika 5-15 Simbolički prikaz regulatora napona u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“


42

Slika 5-16 Simulacijski model regulatora napona u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Ulaz u blok regulatora napona su referenca napona generatora (Uref), napon generatora (U), proporcionalno pojačanje (Kp), integralno pojačanje (Ki – inverzno od vremenske konstante integratora), reset integratora koji djeluje na negativnu derivaciju na ulazu (r) i stanje u koje se resetira integrator (rout). Gornji limit proporcionalnog člana je 200%, a donji -200% nazivne uzbudne struje generatora. Gornji limit integralnog člana i izlaza iz regulatora je 200%, a donji 0% nazivne uzbudne struje generatora. Pojačanje proporcionalnog člana je 1,5 a integralnog 1.

Simulacija kruga regulacije napona generatora je uspoređena u dva pokusa:

• Pokus 1: referenca napona generatora je jednaka 100% nazivnog iznosa. Radna i jalova snaga su približno jednake nula. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovitog pada reference na iznos 90%, a u petoj sekundi referenca se vraća na iznos 100%. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-17. U ovom pokusu se analizira djelovanje regulatora napona na promjenu reference napona generatora.

• Pokus 2. referenca napona generatora je jednaka 100% nazivnog iznosa. Radna i jalova snaga su približno jednake nula. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovitog porasta radne snage generatora na iznos približno jednak 100% nazivne snage generatora, a u petoj sekundi radna snaga se vraća na iznos 0%. Skokovita promjena radne snage generatora se ostvaruje skokovitom promjenom momenta na osovini


43

generatora povećanjem struje istosmjernih motora u laboratorijskom modelu putem tiristorskog usmjerivača. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-18. U ovom pokusu se analizira djelovanje regulatora napona na promjenu u povratnoj vezi regulatora (mijenja se napon i jalova snaga koje formiraju povratnu vezu regulatora napona).


9797,5

9898,5

9999,5100

100,5

0 1 2 3 4 5 6



0102030405060

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-8

-6

-4

-2

0

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-60

-40

-20

0

20

0 1 2 3 4 5 6


proporcionalni član reg. napona ( % )

-15-10-505

10

0 1 2 3 4 5 6


integralni član reg. napona ( % )

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


referenca struje uzbude ( % )

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-17 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora napona, reference struje uzbude i

struje uzbude generatora pri skokovitoj promjeni reference napona uz uključen regulator napona generatora


44


98,599

99,5100

100,5101

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-50-40-30-20-10

01020

0 1 2 3 4 5 6



-4-20246

0 1 2 3 4 5 6



727476788082

0 1 2 3 4 5 6



7274767880828486

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

5456586062646668

0 1 2 3 4 5 6



-20

0

20

40

60

0 1 2 3 4 5 6



-20

0

20

40

60

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-18 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora napona, reference struje uzbude i

struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora uz uključen regulator napona generatora i skokovitu promjenu momenta na osovini generatora


45

Oba pokusa pokazuju dobro slaganje eksperimenta i simulacije. Visok stupanj slaganja omogućava korištenje simulacije za optimiranje parametra regulatora napona.

5.6. Simulacija kruga regulacije jalove snage generatora

Simbolički prikaz i simulacijski model proporcionalno integralnog regulatora jalove snage generatora, u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ prikazan je na slikama 5-19 i 5-20.

Slika 5-19 Simbolički prikaz regulatora jalove snage generatora u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Slika 5-20 Simulacijski model regulatora jalove snage generatora u programskom paketu

“MATLAB-SIMULINK“


46

Ulaz u blok regulatora napona su referenca jalove snage napona generatora (Qref), jalova snaga generatora (Q), proporcionalno pojačanje (Kp), integralno pojačanje (Ki – inverzno od vremenske konstante integratora), reset integratora koji reagira na jedinično stanje na ulazu (r) i stanje u koje se resetira integrator (rout). Gornji limit proporcionalnog člana je 120%, a donji -120% nazivnog napona generatora. Gornji limit integralnog člana i izlaza iz regulatora je 120%, a donji 60% nazivnog napona generatora.

Simulacija kruga regulacije jalove snage generatora je uspoređena u dva pokusa:

• Pokus 1: referenca jalove snage generatora je jednaka 100% nazivnog iznosa. Radna snaga je približno jednaka nula. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovite promjene reference jalove snage na iznos -100% (kapacitivno područje), a u petoj sekundi referenca se vraća na iznos 100%. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-21. U ovom pokusu se analizira djelovanje regulatora jalove snage generatora na promjenu reference jalove snage generatora.

• Pokus 2: Referenca jalove snage generatora je jednaka nuli. Radna snaga je približno jednaka nula. U prvoj sekundi pokusa dolazi do skokovitog porasta radne snage generatora na iznos približno jednak 100% nazivne snage generatora, a u petoj sekundi radna snaga se vraća na nulu. Skokovita promjena radne snage generatora se ostvaruje skokovitom promjenom momenta na osovini generatora povećanjem struje istosmjernih motora u laboratorijskom modelu putem tiristorskog usmjerivača. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 5-22. U ovom pokusu se analizira djelovanje regulatora jalove snage na promjenu u povratnoj vezi regulatora (sa promjenom radne snage mijenja se i jalova snaga).

Pojačanje proporcionalnog i integralnog člana regulatora jalove snage generatora je jednako 1.


47


949698

100102104106

0 1 2 3 4 5 6



020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-15

-10

-5

0

5

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-75

0

75

150

0 1 2 3 4 5 6


Proporcionalni član regulatora jalove snage (%)

-150-75

0

75150

0 1 2 3 4 5 6


Integralni član regulatora jalove snage (%)

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6



-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-21 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora jalove snage, reference struje

uzbude i struje uzbude generatora pri skokovitoj promjeni reference jalove snage uz uključen regulator jalove snage generatora


48


9999,5100

100,5101

101,5

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-15-10-505

10

0 1 2 3 4 5 6



-10-505

1015

0 1 2 3 4 5 6



9698

100102104106108

0 1 2 3 4 5 6



020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-20

0

20

40

0 1 2 3 4 5 6



-20

0

20

40

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-22 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora jalove snage, reference struje

uzbude i struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora uz


49

uključen regulator jalove snage generatora i skokovitu promjenu momenta na osovini generatora

Oba pokusa pokazuju dobro slaganje eksperimenta i simulacije.

5.7. Simulacija estimatora kuta opterećenja generatora

Simbolički prikaz i simulacijski model estimatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ prikazan je na slikama 5-23 i 5-24.

Slika 5-23 Simbolički prikaz estimatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“


50

Slika 5-24 Simulacijski model estimatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Nakon izračuna funkcije arctg potrebno je provjeriti u kojem kvadrantu se nalazi kut opterećenja. To se izvodi ispitivanjem predznaka brojnika i nazivnika članova koji ulaze u izračun kvocijenta. Ovisno o predznaku članova na izlaz iz funkcije arkus tangens se dodaje ili oduzima π.

5.8. Simulacija kruga regulacije kuta opterećenja generatora

Simbolički prikaz i simulacijski model regulatora kuta opterećenja generatora i bloka koji određuje da li je uključen regulator napona ili kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“ prikazani su na slikama 5-25, 5-26 i 5-27.

Slika 5-25 Simbolički prikaz regulatora kuta opterećenja i bloka za uključivanje i isključivanje regulatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Ulaz u blok regulatora kuta opterećenja su referenca kuta opterećenja generatora (KUTref), estimirani kut opterećenja (KUT), proporcionalno pojačanje (Kp), integralno pojačanje (Ki – inverzno od vremenske konstante integratora), derivacijsko pojačanje (Kd), reset integratora koji reagira na pozitivnu derivaciju na ulazu (r) i stanje u koje se resetira integrator (rout). Gornji limit proporcionalnog člana je 200%, a donji -200% nazivne uzbudne struje generatora. Gornji limit derivacijskog člana, integralnog člana i izlaza iz regulatora je 200%, a donji 0% nazivne uzbudne struje generatora.

Ulaz u blok koji određuje da li je uključen regulator kuta opterećenja su estimirani kut opterećenja (KUT), iznos kuta opterećenja pri kojem se uključuje regulator kuta opterećenja (KUT_HI) i iznos kuta opterećenja pri kojem se isključuje regulator kuta opterećenja (KUT_LO).


51

Slika 5-26 Simulacijski model regulatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Slika 5-27 Simulacijski model bloka za uključivanje i isključivanje regulatora kuta opterećenja u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“

Za ispitivanje slaganja simulacije i eksperimenta napravljen je pokus skokovitog porasta radne snage u kapacitivnom području rada generatora kada dolazi do prorade regulatora kuta opterećenja. Parametri regulatora kuta opterećenja su dani u tablici 5-1. Rezultati eksperimenta i simulacije su prikazani na slici 5-28.


52


95,596

96,597

97,598

98,599

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-120-100-80-60-40-20

0

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Proporcionalni član regulatora kuta (%)

-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6


Integralni član regulatora kuta (%)

0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Derivacijski član regulatora kuta (%)

-10

0

10

20

30

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0102030405060

0 1 2 3 4 5 6


Slika 5-28 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, kuta opterećenja, estimiranog kuta opterećenja, proporcionalnog, integralnog i

derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja i struje uzbude pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator kuta opterećenja generatora


53

Tablica 5-1 Parametri regulatora kuta opterećenja

Kp -1

Kd -1

Td 0,55s

Ki -1

KUT_HI 40º

KUT_LO 30º

KUT_REF 35º

Pokus pokazuje vrlo dobro slaganje eksperimenta i simulacije što omogućava korištenje simulacije za analizu djelovanja algoritama proširenja područja stabilnog rada sinkronog generatora regulacijom uzbude. Slaganje stanja regulatora i estimiranog kuta opterećenja je dobro i to potvrđuje da su sve bitne osobine sustava regulacije dobro opisane. Kvaliteta simulacije omogućava određivanje parametara regulatora kuta opterećenja putem optimizacije u simulaciji na računalu što bitno pojednostavljuje implementaciju algoritama u novom sustavu uzbude.

Optimiranje parametara regulatora kuta opterećenja generatora

54

6. OPTIMIRANJE PARAMETARA REGULATORA KUTA OPTEREĆENJA GENERATORA

Regulator kuta opterećenja je proporcionalno integralno derivacijskog (PID) tipa. Kada estimirani kut opterećenja prijeđe kritičan iznos, uključuje se regulator kuta opterećenja umjesto regulatora napona generatora koji je proporcionalno integralnog tipa. Potrebno je osigurati glatki prijelaz između ta dva regulatora kako ne bi dolazilo do skokova u referenci struje uzbude. To se postiže na način da se u trenutku prijelaza s regulatora napona na regulator kuta opterećenja stanje integratora prvog upisuje u integrator drugog regulatora. Isto vrijedi i za povratak s regulatora kuta opterećenja na regulator napona. Izlaz iz uključenog regulatora određuje referencu struje uzbude generatora. Algoritam regulacije napona i kuta opterećenja je prikazan na slici 6-1.

tst_altb

tst_agtb

KUT_LO

KUT_HI

KUT_OPT_ESTIMRs

Q

sr_bist and

&MREZA

REG_U0_KUT1T300

T310

T320

T330 T340

pt1 diff

FG_KUT

IU_REF

abs

switch

Kp Ki r rout

pi

p+ilhillo

pidcnt3x

d

Kd fd

Kp Ki r rout

pi

p+ilhillo

pi_cnt3x

KP_REG_UKI_REG_U

KP_REG_KUTKI_REG_KUTKD_REG_KUTFD_REG_KUT

81920

81920

KUT_OPT_ESTIM

diffU_REF

U_GEN_KOMP

T350T360

T370der_minu

T600

T400 T410T430

T420

KUT_REF

der_plus

Slika 6-1 Algoritam regulacije napona i kuta opterećenja generatora programa procesora za

obradu signala


55

Pri podešavanju regulatora kuta opterećenja potrebno je podesiti sljedeće parametre algoritma sa slike 6-1:

• KUT_REF – referenca regulatora kuta opterećenja.

• KP_REG_KUT – proporcionalno pojačanje regulatora kuta opterećenja.

• KI_REG_KUT – integralno pojačanje regulatora kuta opterećenja.

• KD_REG_KUT – pojačanje derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja.

• KUT_HI – kada estimirani kut opterećenja prijeđe taj iznos uključuje se regulator kuta opterećenja i isključuje se regulator napona generatora. Stanje integratora regulatora napona se upisuje u integrator regulatora kuta opterećenja.

• KUT_LO – kada estimirani kut opterećenja padne ispod tog iznosa isključuje se regulator kuta opterećenja i uključuje se regulator napona generatora. Stanje integratora regulatora kuta opterećenja se upisuje u integrator regulatora napona generatora.

• FD_KUT –granična frekvencija derivacijskog člana.

• FG_KUT –granična frekvencija filtera u povratnoj vezi estimiranog kuta opterećenja. Filter je član prvog reda.

Prijenosna funkcija regulatora kuta opterećenja u s domeni je:

d

d

d

dip Ts1

sTTK

sKK)s(F

⋅+⋅

⋅++= ( 6-1 )

Prijenosna funkcija filtera estimiranog kuta opterećenja je:

fTs1

1)s(F⋅+

= ( 6-2 )

Svi signali koji ulaze u blok estimatora kuta opterećenja koji formira povratnu vezu regulatora kuta opterećenja imaju osnovni harmonik 50 Hz. Funkcija filtera estimiranog kuta opterećenja je filtriranje tog harmonika. Granična frekvencija filtera estimiranog kuta opterećenja je 10 Hz.

Prvo se određuju optimalni parametri regulatora. Na temelju tih parametara moguće je odrediti koliko će kut opterećenja prebaciti kritični kut opterećenja (kut iznad kojeg se uključuje regulator kuta opterećenja KUT_HI) u najgorim mogućim uvjetima rada generatora na mreži. Na temelju toga moguće je odrediti parametar KUT_HI. Parametar KUT_LO određuje širinu histereze pri uključivanju i isključivanju regulatora kuta opterećenja.


56

6.1. Određivanje parametara regulatora

Reakciju PID regulatora u prvom trenutku određuju proporcionalni i derivacijski član regulatora. Integralni član odvodi reguliranu veličinu (kut opterećenja) na iznos određen referencom i to je djelovanje puno sporije od ostala dva člana. Derivacijski član sam ne može zadržati generator u stabilnom radu. Zbog toga se prvo određuje optimalni iznos proporcionalnog člana, nakon toga se optimira derivacijski član, a na kraju se određuje integralni član regulatora.

Optimiranje parametara je izvedeno traženjem optimalnog odziva na sljedeći pokus:

- radna snaga generatora je u početnom trenutku približno jednaka nuli,

- jalova kapacitivna snaga je približno 60 % nazivne snage generatora,

- kritični kut opterećenja pri kojem se uključuje regulator kuta opterećenja ( KUT_HI ) je 20 stupnjeva,

- kut pri kojem se isključuje kut opterećenja ( KUT_LO ) je 10 stupnjeva,

- referenca kuta opterećenja je ( KUT_REF ) 15 stupnjeva.

Uz takve početne uvjete dolazi do skokovitog porasta radne snage na iznos od približno 100% nominalne radne snage generatora (slika 6-2). Takav skokoviti porast radne snage nije realno za očekivati u eksploataciji generatora. Takav porast predstavlja poremećaj koji je moguće simulirati u laboratorijskim uvjetima. Tada dolazi do skokovite promjene kuta opterećenja i uključuje se regulator kuta opterećenja koji povećava struju uzbude kako bi smanjio kut opterećenja na iznos određen referencom kuta opterećenja. Eksperimentalni i simulacijski odzivi radne snage generatora tokom pokusa su prikazani na slici 6-2.

Radna snaga ( % )

-100-50

050

100150

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-2 Eksperimentalni i simulacijski odzivi radne snage generatora pri skokovitoj promjeni struje tiristorskog usmjerivača koji napaja pogonski stroj

Pri podešavanju regulatora kuta opterećenja želi se postići odziv sa što manjim nadvišenjem, a kut opterećenja mora što prije postići vrijednost određenu s referencom kuta opterećenja. Osim toga odziv kuta opterećenja ne smije biti pretjerano oscilatoran.


57

Za analizu kvalitete odziva regulirane veličine (estimirani kut opterećenja) korištena su tri kriterija kvalitete:

- Integral apsolutnog odstupanja (IAE) – integral apsolutne razlike između estimiranog kuta opterećenja i reference estimiranog kuta opterećenja.

- Maksimalni kut opterećenja (MAX) – najveća vrijednost koju postigne kut opterećenja u pokusu skokovitog porasta radne snage generatora.

- Integral apsolutnog deriviranog kuta opterećenja (IAED) – integral derivirane razlike između estimiranog kuta opterećenja i reference estimiranog kuta opterećenja. Iznos ovog kriterija raste u slučaju oscilatornog odziva. Integracija se uključuje 0,2 sekunde nakon skokovitog porasta radne snage, a isključuje 1,2 sekunde nakon porasta radne snage generatora.

Za sva tri kriterija vrijedi da je odziv to bolji što je iznos kriterij manji. Vrijednost prva dva kriterija (IAE, MAX) u načelu padaju s povećanjem pojačanja regulatora dok vrijednost trećeg (IAED) raste budući da je oscilatornost odziva sve veća. Kriteriji kvalitete odziva se računaju u digitalnom sustavu regulacije uzbude i u simulaciji na računalu (Slika 6-3). Optimiranje djelovanja sustava na računalu omogućava dobivanje početnog seta parametara pri implementaciji sustava na novi generator.

Slika 6-3 Simulacijski algoritmi određivanja kriterija kvalitete IAE, MAX i IAED


58

U prikazima djelovanja regulacijskih članova P, I i D regulatora kuta opterećenja izlaz iz tih članova je postotak nazivne reference struje uzbude budući da je regulator kuta opterećenja nadređen regulatoru struje uzbude generatora. Nazivna referenca struje uzbude je jednaka nazivnoj struji uzbude.

6.1.1. Određivanje pojačanja proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja

U traženju optimalnog pojačanje proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja pojačanje se mijenja od iznosa -0,5 do iznosa pojačanja -3 s korakom 0,5. Pojačanja su negativna budući da većem kutu opterećenja (regulirana veličina regulatora kuta opterećenja) odgovara manja struja uzbude (izlaz iz regulatora kuta opterećenja). Odzivi pokusa i simulacije prikazani su na slici 6-4.

Estimirani kut opterećenja ( stupanj )Kp=-0,5 Ki=0 Kd=0

-40-20

020406080

0 1 2 3 4 5 6


Estimirani kut opterećenja ( stupanj )Kp=-1 Ki=0 Kd=0

-20

020

40

60

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-4 Eksperimentalni i simulacijski odzivi estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora u ovisnosti o podešenju proporcionalnog

člana regulatora kuta opterećenja

Povećanjem pojačanja smanjuje se maksimalni kut opterećenja, ali se povećava oscilatornost odziva. Iz dobivenih odziva se izračunavaju kriteriji kvalitete odziva koji su


59

prikazani u tablici 6-1. U zagradi su navedeni iznosi kriterija kvalitete dobiveni na temelju analize odziva simuliranog estimiranog kuta opterećenja u simulaciji u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“. Grafički prikaz ovisnosti kriterija kvalitete odziva o pojačanju proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja je prikazan na slici 6-5.

Tablica 6-1 Ovisnost kriterija kvalitete odziva kuta opterećenja izračunati u digitalnom sustavu i u simulaciji o pojačanju proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja Kp

Kp Integral apsolutnog odstupanja (IAE)

Maksimalni kut opterećenja (MAX)

Integral deriviranog kuta opterećenja

(IAED)

-0,5 1137 (1141) 66,6 (62,3) 8 (8)

-1 839 (811) 55,4 (51,2) 7 (7,6)

-1,5 691 (659) 53,3 (45,7) 9 (9,6)

-2 613 (576) 51,6 (42,5) 11 (13)

-2,5 501 (473) 49,3 (40,1) 15 (15,6)

-3 447 (420) 48,9 (39,3) 20 (21,4)

IAE

0200400600800

10001200

-3 -2 -1 0

KpEksp. Sim.

MAX

010203040506070

-3 -2 -1 0

KpEksp. Sim.

IAED

0

5

10

15

20

25

-3 -2 -1 0

KpEksp. Sim.

Slika 6-5 Ovisnost eksperimentom i simulacijom dobivenih kriterija kvalitete o iznosu pojačanja proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja generatora

Iz tablica 6-1 i slike 6-5 vidljivo je da po kriteriju integrala apsolutnog odstupanja i maksimalnog kuta opterećenja je optimalno pojačanje iznosa -3. Po kriteriju integrala deriviranog kuta opterećenja optimalno pojačanje mora biti manje od -2. Uzevši u obzir sva tri kriterija optimalno pojačanje proporcionalnog člana kuta opterećenja je -1. Taj iznos optimalnog pojačanje se dobiva kako na temelju iznosa kriterija kvalitete dobivene iz proračuna u digitalnom sustavu tako i na temelju proračuna iz estimiranog kuta opterećenja dobivenog u simulaciji. Izlaz proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja uz optimalno pojačanje prikazan je na slici 6-6.


60


-505

10152025

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-6 Eksperimentalni i simulacijski odzivi proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja uz pojačanje -1 pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora

6.1.2. Određivanje pojačanja derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja

Prijenosna funkcija derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja je opisana jednadžbom (6-3).

d

d

d

d

Ts1sT

TK)s(F

⋅+⋅

⋅= ( 6-3 )

Vremenska konstanta Td u derivacijskom članu približno određuje trajanje izlaza iz derivacijskog člana u slučaju skokovite promjene na ulazu (točnije određuje vrijeme da izlaz iz člana padne sa 100% na 37% početne izlazne vrijednosti).

Osnovna funkcija derivacijskog člana je djelovanje u početnom trenutku kratkotrajnih naglih poremećaja. Odabran je iznos vremenske konstante Td jednak vremenskoj konstanti kruga uzbude koja iznosi 550 milisekundi.

Pojačanje derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja se mijenja od iznosa 0 do iznosa pojačanja -1 s korakom 0,25. Odzivi pokusa i simulacije prikazani su na slici 6-7. Iz dobivenih odziva se izračunavaju kriteriji kvalitete odziva koji su prikazani u tablici 6-2. U zagradi su navedeni iznosi kriterija kvalitete dobiveni na temelju analize odziva simuliranog estimiranog kuta opterećenja u simulaciji u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“. Grafički prikaz ovisnosti kriterija kvalitete odziva o pojačanju derivacijskog člana regulatora je prikazan na slici 6-8.


61


-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6


Estimirani kut opterećenja ( stupanj )Kp=-1 Ki=0 Kd=-0,25

-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-40-20

0204060

0 1 2 3 4 5 6


Estimirani kut opterećenja ( stupanj )Kp=-1 Ki=0 Kd=-1

-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-7 Eksperimentalni i simulacijski odzivi estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora u ovisnosti o podešenju derivacijskog

člana regulatora kuta opterećenja

Tablica 6-2 Ovisnost kriterija kvalitete odziva kuta opterećenja izračunati u digitalnom sustavu i u simulaciji o pojačanju derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja Kd

Kd Integral apsolutnog odstupanja (IAE)



(IAED)

0 853 (833) 55,6 (50,7) 7 (7)

-0,25 831 (822) 55,5 (49,6) 8 (9)

-0,5 805 (791) 54,7 (48) 11 (11)

-0,75 790 (767) 54,4 (46,3) 15 (13)

-1 767 (744) 54,1 (46,5) 21 (21)


62

IAE

720740760780800820840860

-1 -0,75 -0,5 -0,25 0

KdEksp. Sim.

MAX

0102030405060

-1 -0,75 -0,5 -0,25 0

KdEksp. Sim.

IAED

0

5

10

15

20

25

-1 -0,75 -0,5 -0,25 0

KdEksp. Sim.

Slika 6-8 Ovisnost eksperimentom i simulacijom dobivenih kriterija kvalitete o iznosu pojačanja derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja generatora

Iz podataka iz tablice 6-2 je vidljivo da derivacijski član nema većeg utjecaja na poboljšavanje odziva estimiranog kuta opterećenja. Maksimalni kut opterećenja se uspijeva smanjiti za jedan do dva stupnja. Povećanjem pojačanja derivacijskog člana iznad -0,5 bitno povećava oscilatornost odziva. Optimalno podešenje derivacijskog člana je Kd =-0,5 i po kriterijima dobivenim na temelju eksperimenta i po kriterijima dobivenim u simulaciji. Uz to podešenje oscilatornost odziva se ne povećava pretjerano, a smanjuju se ostala dva kriterija. Izlaz derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja uz optimalno pojačanje prikazan je na slici 6-9.


-505

101520

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-9 Eksperimentalni i simulacijski odzivi derivacijskog člana regulatora kut opterećenja uz pojačanje -0,5 pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora

6.1.3. Određivanje pojačanja integralnog člana regulatora kuta opterećenja

Pojačanje integralnog člana regulatora kuta opterećenja se mijenja od iznosa 0 do iznosa pojačanja -5 s korakom 1. Odzivi pokusa i simulacije prikazani su na slici 6-10.

Iz dobivenih odziva se izračunavaju kriteriji kvalitete odziva koji su prikazani u tablici 6-3. U zagradi su navedeni iznosi kriterija kvalitete dobiveni na temelju analize odziva simuliranog estimiranog kuta opterećenja u simulaciji u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“. Grafički prikaz ovisnosti kriterija kvalitete odziva o pojačanju integralnog člana regulatora kuta opterećenja je prikazan na slici 6-11.


63


-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6


Estimirani kut opterećenja ( stupanj )Kp=-1 Ki=-1 Kd=-0,5

-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20

4060

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-10 Eksperimentalni i simulacijski odzivi estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora u ovisnosti o podešenju integralnog člana

regulatora kuta opterećenja

Iz odziva (slika 6-10) se vidi da integralni član smanjuje kut opterećenja. Time se generator udaljuje od granice nestabilnosti i sustav prelazi u stabilnije stanje.


64

Tablica 6-3 Ovisnost kriterija kvalitete odziva kuta opterećenja izračunati u digitalnom sustavu i u simulaciji o pojačanju integralnog člana regulatora kuta opterećenja Ki

Ki Integral apsolutnog odstupanja (IAE)



(IAED)

0 800 (800) 55 (44,6) 12 (11)

-1 472 (441) 54,9 (44,6) 12 (12)

-2 336 (294) 54,8 (43,16) 12 (14)

-3 253 (207) 55,2 (41,6) 13 (12)

-4 213 (165) 54,8 (41,2) 13 (12)

-5 189 (136) 54,5 (41,1) 13 (13)

IAE

0

200

400

600

800

1000

-5 -4 -3 -2 -1 0

KiEksp. Sim.

MAX

0102030405060

-5 -4 -3 -2 -1 0

KiEksp. Sim.

IAED

0

5

10

15

-5 -4 -3 -2 -1 0

KiEksp. Sim.

Slika 6-11 Ovisnost eksperimentom i simulacijom dobivenih kriterija kvalitete o iznosu pojačanja integracijskog člana regulatora kuta opterećenja generatora

Iz kriterija kvalitete odziva u tablici 6-3 vidljivo je da integralni član praktički ne utječe na maksimalni kut opterećenja niti na integral deriviranog kuta opterećenja što je i očekivano zbog sporosti djelovanja integralnog člana. Integral apsolutnog odstupanja je to manji što je pojačanje integralnog člana veće. Ukoliko se odabere preveliko pojačanje, kratkotrajni poremećaji kuta opterećenja će previše povećati referencu struje uzbude. Zbog toga je kao optimalno pojačanje integralnog člana kuta opterećenja odabirano pojačanje iznosa -2. Izlaz proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja uz optimalno pojačanje prikazan je na slici 6-12.


65


020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-12 Eksperimentalni i simulacijski odzivi integralnog člana regulatora kut opterećenja uz pojačanje -2 pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora

6.2. Određivanje graničnih iznosa regulatora kuta opterećenja

Potrebno je odrediti estimirani kut opterećenja pri kojem se uključuje regulator kuta opterećenja (KUT_HI), pri kojem se isključuje regulator kuta opterećenja (KUT_LO) i referencu kuta opterećenja (KUT_REF).

Podešeni regulator kuta opterećenja uz ispitne uvjete korištene pri optimizaciji parametara ima prebačaj kritičnog kuta opterećenja KUT_HI (iznad kojeg se uključuje regulator kuta) od 35 stupnjeva. Napravljen je pokus u kojemu je struja uzbude nula i dolazi do skokovitog porasta radne snage od nule do 100% nazivne snage generatora. Kut opterećenja prikazan je na slici 6-13.


-40-20

020406080

100

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-13 Odziv estimiranog kuta opterećenja pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz referencu regulatora napona jednaku nula

Pokus pokazuje da je prebačaj kuta jednak približno 50 stupnjeva (KUT_HI u ispitivanju je jednak 20 stupnjeva). Ukoliko se želi postići da kut opterećenja nikad ne prijeđe 90 stupnjeva tada kritični kut opterećenja ne smije biti veći od 40 stupnjeva i to je optimalan parametar KUT_HI. Varijabla KUT_LO se određuje na način da se osigura određena histereza pri uključivanju i isključivanju regulatora kuta opterećenja. Odabrana je širina histereze 10 stupnjeva što daje optimalni iznos parametra KUT_LO od 30 stupnjeva. Referenca kuta opterećenja KUT_REF ne smije biti niža od parametra KUT_LO zbog problema izmjeničnog uključivanja i isključivanja regulatora kuta opterećenja u slučaju trajne velike radne snage generatora. Problem nastaje kada je generator u uvjetima kapacitivnog rada generatora i kad generator daje veliku radnu snagu. Tada se uključuje regulator kuta opterećenja i on vodi


66

estimirani kut na iznos određen s parametrom KUT_REF. Ukoliko je KUT_REF manji od parametra KUT_LO, nakon što kut dosegne iznos KUT_LO isključuje se regulator kuta opterećenja i uključuje regulator napona. Uključivanjem regulatora napona kut opterećenja opet raste jer regulator napona ne može zadržati kut opterećenja uz povećanu radnu snagu generatora. Kada kut opterećenja opet postigne vrijednost KUT_HI ponovno se uključuje regulator kuta opterećenja. Taj ciklus se ponavlja sve dok se ne smanji radna snaga generatora, pa time i kut opterećenja. Zbog toga se parametar KUT_REF postavlja na iznos između gornje i donje granice kuta opterećenja. U slučaju kapacitivnog rada generatora i velike radne snage regulator kuta opterećenja ostaje uključen sve dok se ne smanji iznos radne snage. Stoga je optimalni iznos parametra KUT_REF jednak 35 stupnjeva. Optimalni parametri regulatora kuta opterećenja su prikazani u tablici 6-4.

Tablica 6-4 Optimalni parametri regulatora kuta opterećenja

Kp -1

Kd -0,5

Td 0,55 s

Ki -2

KUT_HI 40º

KUT_LO 30º

KUT_REF 35º

Odziv kuta opterećenja s optimalnim parametrima, uz skokovit porast momenta na osovini generatora prikazan je na slici 6-14.


67


9696,5

9797,5

9898,5

9999,5

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-202468

1012

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0102030405060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Slika 6-14 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog, integralnog i derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja,

reference struje uzbude, struje uzbude i estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator kuta opterećenja


68

Iz eksperimentalnih i simulacijskih odziva u pokusu skokovitog porasta radne snage u kapacitivnom području generatora (slika 6-14) može se vidjeti djelovanje regulatora kuta opterećenja s optimalnim parametrima. Visok stupanj slaganja svih varijabli sustava regulacije uzbude generatora potvrđuje mogućnost uporabu simulacije sustava za traženje optimalnih parametara regulatora kuta opterećenja generatora.

Simulacijski i eksperimentalni odzivi djelovanja sustava regulacije uzbude generatora

69

7. SIMULACIJSKI I EKSPERIMENTALNI ODZIVI DJELOVANJA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE GENERATORA

Sustav regulacije uzbude generatora s estimacijom kuta opterećenja i dodatnim regulatorom kuta je složeni nelinearni sustav. Za analizu i sintezu regulacije sustava uzbude korištena je metodologija matematičkog modeliranja i simulacije. Sustav regulacije uzbude je podijeljen na više dijelova koji su zasebno modelirani i simulirani. Potvrda valjanosti svakog dijela je obavljena usporedbom simulacije s eksperimentalnim odzivom na laboratorijskoj maketi i opisana je u poglavlju 5. Spajanjem pojedinih simulacijskih dijelova dobiven je jedinstveni simulacijski model sustava uzbude sinkronog generatora (Slika 7-1).

Sustav regulacije uzbude je ispitan u pet pokusa. U svakom pokusu uspoređeni su simulacijski i eksperimentalni odzivi sustava regulacije uzbude. U pokusima je potrebno analizirati ponašanje sustava regulacije uzbude u uvjetima naglog porasta kuta opterećenja generatora. Ti uvjeti su postignuti naglim porastom struje tiristorskog usmjerivača koji napaja istosmjerne motore koji pokreću generator. Taj režim rada nije vjerojatan u realnom korištenju sustava uzbude, ali omogućava eksperimentalnu provjeru djelovanja algoritama i razmjerno realno pokazuje reakciju sustava regulacije uzbude na nagle promjene kuta opterećenja generatora.

U prikazima djelovanja regulatora jalove snage generatora izlaz iz regulacijskih članova P i I je postotak nazivne reference napona generatora budući da je regulator jalove snage nadređen regulatoru napona generatora. Nazivna referenca napona je jednaka nazivnom naponu generatora. U prikazima djelovanja regulacijskih članova P i I regulatora napona generatora kao i P, I i D članova regulatora kuta opterećenja izlaz iz tih članova je postotak nazivne reference struje uzbude budući da su regulator napona i regulator kuta opterećenja nadređeni regulatoru struje uzbude generatora. Nazivna referenca struje uzbude je jednaka nazivnoj struji uzbude.

Analiza djelovanja sustava regulacije uzbude generatora provedena je pomoću direktnih pokazatelja kvalitete regulacije za odzive dobivene eksperimentom i simulacijom. Oznake pokazatelja imaju značenje:

poč - iznos početne vrijednosti fizikalne veličine,

max - iznos prvog maksimuma fizikalne veličine u prijelaznoj pojavi,

min - iznos prvog minimuma fizikalne veličine u prijelaznoj pojavi,

stac - iznos fizikalne veličine u stacionarnom stanju ili na kraju pokusa,

tispad - vrijeme ispada generatora iz sinkronizma,

t1 - vrijeme prvog prolaska regulirane veličine kroz stacionarno stanje,

ts - vrijeme regulacije (smirivanja – konačan ulazak regulirane veličine u područje 5% oko reference) .


70

Slika 7-1 Simulacijski model sustava regulacije uzbude u programskom paketu

“MATLAB-SIMULINK“


71

7.1. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator napona generatora

Generator je neopterećen radnom snagom i nalazi se u kapacitivnom području rada na približno 80% nazivne snage generatora. U tim uvjetima dolazi do skokovitog povećanja radne snage na iznos 100% nazivne snage generatora. Skokovita promjena radne snage generatora se ostvaruje skokovitom promjenom momenta na osovini generatora povećanjem struje istosmjernih motora u laboratorijskom modelu putem tiristorskog usmjerivača. U ovom pokusu se ispituje može li sam regulator napona zadržati generator u stabilnom radu u kapacitivnom području rada generatora. Isključen je regulator kuta opterećenja kao i regulator jalove snage. U tablici 7-1 dani su pokazatelji dinamičkog ponašanja sustava regulacije. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 7-2. Sve snimljene veličine na slici 7-2 su filtrirane sa filtrom prvog reda vremenske konstante 30ms kako bi se izbjeglo preklapanje spektara. Na slici 7-3 prikazan je detalj snimke kada generator ispada iz sinkronizma uz vrijeme snimanja 400 ms, a na slici 7-4 uz vrijeme snimanja 60 ms. Obje snimke su napravljene bez filtriranja. To su snimke tri uzastopna pokusa uz iste početne uvjete.

Tablica 7-1 Usporedba pokazatelja dinamičkog ponašanja eksperimentalnih i simuliranih odziva jalove snage generatora Q, struje uzbude Iu, kuta opterećenja ϑ, i estimiranog kuta opterećenja ϑestimirano u pokusu skokovite promjene momenta na osovini generatora uz uključen regulator napona generatora.

Q (%) Iu (%) ϑ (º) ϑestimirano (º)

eksp. sim. eksp. sim. eksp. sim. eksp. sim.

poč -80 -78 15 18 -5 -3 -7 -4

max -80 -55 60 55 180 180 130 140

min -235 -245 -60 18 -180 -180 -7 -4

stac -90 -82 33 37 44 44 40 42

tispad (s) / / / / 1,9 2,8 / /

Rezultati pokusa pokazuju da regulator napona ne može zadržati generator u sinkronizmu u uvjetima velike kapacitivne jalove snage, skokovitog povećanja radne snage generatora i razmjerno malih pojačanja regulatora. Simulacija pokazuje dobro slaganje s eksperimentom osim u trenutku ispada generatora iz sinkronizma. Razlika proračuna trenutka ispada iz sinkronizma tispad dobivena simulacijom je oko 0,9 sekunde što nije pretjerana greška s obzirom na rubne uvjete pokusa. Najveće odstupanje pokazuje struja uzbude u trenutku ispada generatora iz sinkronizma. To odstupanje nema većeg utjecaja na regulacijske algoritme koji su od najvećeg interesa za istraživanja u ovom radu.


72


86889092949698

100

0 1 2 3 4 5 6



0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-300-250-200-150-100-50

0

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-100

-50

0

50

100

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 7-2 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, reference struje uzbude i struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta

opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator napona generatora


73


909192939495

0 0,1 0,2 0,3 0,4



0

100

200

300

400

0 0,1 0,2 0,3 0,4


Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 0,1 0,2 0,3 0,4


Jalova snaga ( % )

-300-250-200-150-100-50

0

0 0,1 0,2 0,3 0,4


Struja uzbude ( % )

-100

-50

0

50

100

0 0,1 0,2 0,3 0,4



-200

-100

0

100

200

0 0,1 0,2 0,3 0,4



-200

-100

0

100

200

0 0,1 0,2 0,3 0,4


Slika 7-3 Eksperimentalni odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni

momenta na osovini generatora uz uključen regulator napona generatora


74

Napon Uab ( % )

-150-100-50

050

100150

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Napon Ucb ( % )

-150-100-50

050

100150

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Struja Ia (%)

-600-400-200

0200400600

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Struja Ic (%)

-600-400-200

0200400600

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Jalova snaga ( % )

-300

-200

-100

0

100

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Struja uzbude ( % )

-100-80-60-40-20

0

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06



-200

-100

0

100

200

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06



-200

-100

0

100

200

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06


Slika 7-4 Eksperimentalni odzivi linijskih napona Uab i Ucb, struja Ia i Ic, radne i jalove snage generatora, struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri

skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator napona generatora


75

7.2. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator jalove snage generatora

Generator je neopterećen radnom snagom i nalazi se u kapacitivnom području rada na približno 80% nazivne snage generatora. U tim uvjetima dolazi do skokovitog povećanja radne snage na iznos 100% nazivne snage generatora. Skokovita promjena radne snage generatora se ostvaruje skokovitom promjenom momenta na osovini generatora povećanjem struje istosmjernih motora u laboratorijskom modelu putem tiristorskog usmjerivača. Uključen je regulator jalove snage koji je nadređen regulatoru napona generatora. U ovom pokusu se ispituje može li regulator jalove snage zadržati generator u stabilnom radu u zadanim uvjetima. Regulator kuta opterećenja je isključen. U tablici 7-2 dani su pokazatelji dinamičkog ponašanja sustava regulacije. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 7-5.

Tablica 7-2 Usporedba pokazatelja dinamičkog ponašanja eksperimentalnih i simuliranih odziva radne snage P, jalove snage Q, struje uzbude Iu i estimiranog kuta opterećenja generatora ϑ u pokusu skokovite promjene momenta na osovini generatora uz uključen regulator jalove snage

P (%) Q (%) Iu (%) ϑestimirano (º)


poč -5 -3 -98 -96 20 18 -5 -3

max 135 115 -93 -94 43 42 62 62

min -3 -2 -125 -120 20 15 -5 -5

stac 90 88 -97 -98 32 36 45 47

t1 (s) / / 2,3 2,5 / / / /

ts (s) / / 4,5 4,5 / / / /

Pokus pokazuje da regulator jalove snage pozitivno djeluje u smislu povećanja stabilnosti generatora. Razlika u odnosu na pokus s uključenim regulatorom napona je u tome što generator pri povećanju radne snage ne odlazi još dublje u kapacitivno područje. Regulator jalove snage zadržava jalovu snagu na iznosu koji je zadan referencom. Simulacija pokazuje dobro slaganje s eksperimentom.


76


94,595

95,596

96,597

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-100

1020

30

0 1 2 3 4 5 6



84889296

100104

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

01020

304050

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Slika 7-5 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog, integralnog i derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja, reference

struje uzbude i struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora, pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator jalove snage


77

7.3. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora

Generator je neopterećen radnom snagom i nalazi se u kapacitivnom području rada na približno 80% nazivne snage generatora. U tim uvjetima dolazi do skokovitog povećanja radne snage na iznos 100% nazivne snage generatora. Regulator kuta opterećenja je uključen. U početnom trenutku kada je generator neopterećen, uključen je regulator napona generatora. Regulator jalove snage je isključen. U ovom pokusu se analizira koje prednosti donosi regulator kuta opterećenja u odnosu na regulacijski sustav koji ima uključen samo regulator napona. U tablici 7-3 dani su pokazatelji dinamičkog ponašanja sustava regulacije. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 7-6.

Tablica 7-3 Usporedba pokazatelja dinamičkog ponašanja eksperimentalnih i simuliranih odziva radne snage P, jalove snage Q, struje uzbude Iu i estimiranog kuta opterećenja generatora ϑ u pokusu skokovite promjene momenta na osovini generatora uz uključen regulator kuta opterećenja

P (%) Q (%) Iu (º) ϑestimirano (º)


poč -8 -5 -84 -82 13 13 -4 -5

max 130 115 -65 -45 43 48 67 57

Min -8 -5 -135 -85 12 13 -4 -5

Stac 83 80 -65 -45 42 47 35 35

t1 (s) / / / / / / 1,2 1,2

ts (s) / / / / / / 3,7 4,2

Pokus pokazuje pozitivno djelovanje regulatora kuta opterećenja u trenutku kada se generator približava granici nestabilnosti. U trenutku kada kut opterećenja prelazi iznos od 35 stupnjeva, dolazi do naglog forsiranja struje uzbude što onemogućava odlazak generatora još više u kapacitivno područje. Estimirani kut opterećenja je putem regulatora smanjen na iznos 40 stupnjeva što omogućava siguran rad generatora. Simulacija vrlo dobro opisuje ponašanje regulatora i cijelog sustava što je s obzirom na složenost cijelog sustava regulacije uzbude dobar rezultat. Simulacijom dobiveni estimirani kut opterećenja pokazuje vrlo dobro slaganje s estimiranim kutom opterećenja dobivenim eksperimentom. Najveće odstupanje između eksperimenta i simulacije je u početnom iznosu struje uzbude u prijelaznoj pojavi. Generator ostaje u stabilnom radu kako s uključenim regulatorom kuta opterećenja tako i s uključenim regulatorom jalove snage. Prednost regulatora kuta opterećenja je u tome što on može odvesti kut opterećenja na iznos određen referencom. Regulator jalove snage zadržava jalovu snagu generatora na iznosu koji je bio i prije porasta radne snage, dok regulator kuta opterećenja smanjuje kapacitivnu jalovu snagu i time odvodi generator na proizvoljnu udaljenost od granice stabilnosti.


78


95

96

97

98

99

0 1 2 3 4 5 6



050

100150200250

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-505

101520

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0102030405060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



reference struje uzbude i struje uzbude, estimiranog kuta opterećenja generatora, pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz uključen regulator kuta opterećenja


79

7.4. Skokovito povećanje radne snage generatora uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora i referencu napona nula

Generator je neopterećen radnom snagom. U početnom trenutku pokusa uključen je regulator napona. Referenca napona generatora je jednaka nuli, pa je i struja uzbude nula. Generator se nalazi u kapacitivnom području rada na približno 105% nazivne snage generatora. U tim uvjetima dolazi do skokovitog povećanja radne snage na iznos 100% nazivne snage generatora. Regulator kuta opterećenja je uključen. U ovom pokusu se analizira može li regulator kuta opterećenja zadržati generator u stabilnom radu bez obzira na djelovanja regulatora napona. U tablici 7-4 dani su pokazatelji dinamičkog ponašanja sustava regulacije. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 7-7.

Tablica 7-4 Usporedba pokazatelja dinamičkog ponašanja eksperimentalnih i simuliranih odziva radne snage P, jalove snage Q, struje uzbude Iu i estimiranog kuta opterećenja generatora ϑ u pokusu skokovite promjene momenta na osovini generatora uz referencu napona generatora jednaku nula

P (%) Q (%) Iu (º) ϑestimirano (º)

eksp. Sim. eksp. sim. eksp. sim. eksp. sim.

poč -10 -3 -110 -105 1 -1 -4 -3

max 134 110 -70 -46 42 48 90 70

Min -10 -3 -175 -120 -1 -1 -4 -3

Stac 80 79 -70 -46 42 48 35 35

t1 (s) / / / / / / 1,2 1,2

ts (s) / / / / / / 3,5 4

Pokus je izveden s referencom napona jednaka nuli. Početna struja uzbude je jednaka nuli. U tim uvjetima, bez regulatora kuta opterećenja generator sigurno ispada iz sinkronizma. Regulator napona je potpuno isključen. Budući da je regulator kuta uključen, pri povećanju kuta opterećenja struja uzbude se naglo povećava što odvodi generator prema induktivnom području i dalje od granice stabilnosti. Slaganje simulacije i eksperimenta je dobro. Budući da je generator ostao u stabilnom stanju bez obzira na potpuno isključenje regulatora napona, može se zaključiti da stabilnost sustava regulacije s uključenim regulatorom kuta opterećenja uopće ne ovisi o podešenosti regulatora napona.


80


9293949596979899

0 1 2 3 4 5 6



050

100150200250

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-200

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-100

10203040

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6



-505

10152025

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-100

102030405060

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

100

0 1 2 3 4 5 6



reference struje uzbude i struje uzbude i estimiranog kuta opterećenja pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora uz referencu napona generatora jednaku nula


81

7.5. Ispad reference napona uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora

Generator je radno opterećen sa 75% nazivne snage, a jalova kapacitivna snaga je iznosa 80% nazivne snage generatora. Kut opterećenja je manji od 30 stupnjeva tako da je još uključen regulator napona budući da je kritični kut opterećenja pri kojem se uključuje regulator kuta opterećenja jednak 40 stupnjeva. U prvoj sekundi pokusa dolazi do ispada reference napona na nulu. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 7-9.

Bez uključenja regulatora kuta opterećenja generator bi ispao iz sinkronizma. Budući da je regulator kuta opterećenja uključen, generator ostaje u sinkronizmu ali ulazi u jako oscilatorno stanje. Osnovni uzrok oscilacija je prelazak iz regulacije po naponu generatora u regulaciju po estimiranom kutu opterećenja. Budući da je odziv radne i jalove snage oscilatoran, estimacija kuta opterećenja postaje netočna pa to dodatno uzrokuje oscilatornost. Na eksperimentalnim i simulacijskim odzivima se vidi velika razlika između mjerenog i estimiranog kuta opterećenja. Ovaj režim rada je jedini režim u kojem dolazi do bitnog odstupanja mjerenog i estimiranog kuta opterećenja. Bez obzira na grešku estimacije i oscilatoran odziv, ponašanje sustava je još uvijek povoljnije u odnosu na sustav bez regulatora kuta opterećenja budući da generator ostaje u stabilnom radu. Dodatni uzrok oscilacija je krug regulacije struje uzbude koji ima jako forsiranje kako u smislu povećanja tako i u smislu smanjenja struje uzbude. To dovodi do brzih promjena jalove snage generatora što utječe na netočnost estimiranja kuta opterećenja. Na slici 7-8 prikazan je simulacijski odziv estimiranog kuta opterećenja uz jednokvadrantni čoper.


01020304050

0 1 2 3 4 5 6

vrijeme (s)Simulacija

Slika 7-8 Simulacijski odziv estimiranog kuta opterećenja u pokusu ispada reference napona uz uključen regulator kuta opterećenja i napona generatora uz jednokvadrantni čoper

Uz jednokvadrantni čoper nema forsiranja struje uzbude u smislu smanjivanja struje i odziv estimiranog kuta opterećenja nije oscilatoran.


82


92949698

100102

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-500

50100150200

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-150

-100

-50

0

50

0 1 2 3 4 5 6



-505

101520

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-202468

1012

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-200

20

406080

0 1 2 3 4 5 6



-40-20

020406080

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Slika 7-9 Eksperimentalni i simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog, integralnog i derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja, struje uzbude generatora, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja pri skokovitom

padu reference napona generatora na nulu


83

Dobiveni rezultati djelovanja algoritama povećanja granice stabilnosti pokazuju primjenjivost estimiranog kuta opterećenja u algoritmima kao i pozitivno djelovanje regulatora kuta opterećenja u zadržavanju generatora u stabilnom radu u uvjetima velikog kapacitivnog jalovog opterećenja generatora. Regulator kuta opterećenja osigurava stabilan rad generatora na mreži bez obzira na podešenost regulatora napona, pa čak i u uvjetima ispada reference napona generatora.

Ispitivanje djelovanja sustava regulacije uzbude upotrebom simulacije

84

8. ISPITIVANJE DJELOVANJA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE UPOTREBOM SIMULACIJE

Valjanost razvijenih simulacijskih modela složenog sustava regulacije uzbude s generatorom spojenim na elektroenergetsku mrežu je potvrđena usporedbom s mjerenjima na laboratorijskom modelu (generator s istaknutim polovima male snage). Simulacijski model se može iskoristiti za analizu djelovanja algoritama proširenja područja stabilnog rada generatora u uvjetima rada koje je teško eksperimentalno ispitati. Tada nije moguće sa sigurnošću tvrditi kolika je točnost rezultata, ali je moguće približno ustanoviti primjenjivost algoritama u tim uvjetima rada. Taj pristup je iskorišten u dvije simulacije rada generatora. Prva simulacija analizira rad algoritama regulacije uzbude u uvjetima kratkog spoja u sustavu, a druga analizira djelovanje sustava regulacije na generatoru s neistaknutim polovima velike snaga (247MVA).

8.1. Ispitivanja djelovanja sustava regulacije uzbude uvjetima kratkog spoja

Simuliran je kratki spoj trajanja 200 ms u dva pokusa:

• Pokus 1: generator je neopterećen radnom snagom, a jalova kapacitivna snaga je iznosa 70% nazivne snage generatora. U tim uvjetima dolazi do skokovitog povećanja radne snage generatora na iznos 100% nazivne snage u prvoj sekundi simulacije. U trećoj sekundi simulacije dolazi do kratkog spoja. Sustav zadržavanja generatora u stabilnom radu je isključen i uključen je samo regulator napona generatora. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 8-1. U ovom pokusu se ispituje reakcija klasičnog regulacijskog algoritma na kratki spoj.

• Pokus 2: početni uvjeti su isti kao u prvom pokusu. Regulator kuta opterećenja je uključen i ukoliko kut opterećenja prijeđe kritični iznos, regulator kuta opterećenja preuzima zadavanje reference struje uzbude od regulatora napona generatora. Eksperimentalni i simulacijski odzivi su prikazani na slici 8-2. U ovom pokusu se analizira može li regulator kuta opterećenja pomoći u uvjetima kratkog spoja.

Kratki spoj je simuliran na način da se u trećoj sekundi postavlja iznos napona mreže kmu na nulu. Na taj način je simuliran kratki spoj težišta mreže, a ne kratki spoj na stezaljkama generatora. Trajanje kratkog spoja je 200 ms.


85


020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6



0100200300400500600

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-100

0

100

200

300

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-500-400-300-200-100

0100

0 1 2 3 4 5 6



-50

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 8-1 Simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora napona, reference struje uzbude i struje uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri tropolnom kratkom spoju s

uključenim regulatorom napona generatora


86


020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6



0100200300400500

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-200-100

0100200300

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-400-300-200-100

0100

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

100

0 1 2 3 4 5 6



020406080

100120

0 1 2 3 4 5 6



-200

20406080

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

0

50

100

150

0 1 2 3 4 5 6



0

30

60

90

120

0 1 2 3 4 5 6



0

50

100

150

200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 8-2 Simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog, integralnog i derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja, struje uzbude,

kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri tropolnom kratkom spoju s uključenim regulatorom kuta opterećenja


87

U simuliranom pokusu prikazanom na slici 8-1 isključen je regulator kuta opterećenja i djeluje samog regulator napona generatora. Jalova kapacitivna snaga je iznosa 70% nazivne snage generatora. Nakon skokovitog porasta snage generator odlazi još dublje u kapacitivno područje rada. Struja uzbude se povećava ali ne dovoljno da generator ostane stabilan u uvjetima kratkog spoja i generator ispada iz sinkronizma. U realnim uvjetima rada generator bi u trenutku ispada iz sinkronizma ispao i s mreže nakon prorade prekostrujnih zaštita.

U simuliranom pokusu prikazanom na slici 8-2 regulator kuta opterećenja je uključen. Rezultati simulacije pokazuju pozitivno djelovanje dodatnih algoritama povećanja stabilnosti generatora u uvjetima bliskog kratkog spoja. U ovom pokusu dolazi do porasta struje uzbude već u trenutku skokovitog porasta radne snage budući da prorađuje regulator kuta opterećenja jer je estimirani kut opterećenja prešao granicu od 40 stupnjeva. Ta povećana struja uzbuda je dovoljno velika da zadrži generator u sinkronizmu i u uvjetima bliskog kratkog spoja. Ključna razlika ponašanja sustava uzbude u ovom pokusu u odnosu na pokus s isključenim regulatorom kuta opterećenja je u zadržavanju kuta opterećenja na nižem iznosu tako da je generator spremniji izdržati uvjete bliskog kratkog. U prvom pokusu estimirani kut opterećenja nakon skokovitog porasta radne snage odlazi na iznos 70 stupnjeva, a u drugom na iznos 50 stupnjeva. Prema tome, regulator kuta opterećenja je pri porastu radne snage generatora povećao statičku stabilnost generatora (u odnosu na pokus s isključenim regulatorom kuta opterećenja) što je zadržalo generator u stabilnom radu u uvjetima kratkotrajnog kratkog spoja u mreži. U simulaciji se također vidi skokoviti porast estimiranog kuta opterećenja na iznos 180 stupnjeva u trenutku kratkog spoja, što se putem regulatora kuta opterećenja prenosi na trenutno povećanje reference struje uzbude preko proporcionalnog i derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja.

8.2. Ispitivanja algoritama zadržavanja generatora u stabilnom radu na turbogeneratoru nazivne snage 247MVA

Simulacijski model je iskorišten za analizu mogućnosti korištenja algoritama estimacije kuta opterećenja i povećanja granice stabilnosti generatora na turbogenerator snage 247 MWA koji je u uporabi u termoelektrani Plomin. Parametri tog agregata su detaljno ispitani u projektima rađenim na Zavodu za elektrostrojarstvo. Parametri generatora su dani u tablici 8-1 [L14]. Energetski krug uzbude je u slučaju ovog generatora tiristorski usmjerivač uz pretpostavku da je sustav uzbude nezavisan.


88

Tablica 8-1 Parametri turbogeneratora TE Plomin [L14]

Xd 2.154 (p.u.)

Xq 2.153 (p.u.)

Xl 0,04 (p.u.)

R 0,002 (p.u.)

Tm 9,98 (s)

Tf 3 (s)

Xd’ 0,3 (p.u.)

Xd'' 0,255 (p.u.)

Xq'' 0,255 (p.u.)

Td'' 0,03 (s)

Tq'' 0,03 (s)

rv 0,01 (p.u.)

xv 0,04 (p.u.)

Parametri regulatora kuta opterećenja su ostali isti kao i u laboratorijskom modelu, a iznosi kuta opterećenja pri kojem se uključuje i isključuje regulator i referenca regulatora kuta opterećenja su povećani za 20º budući da turbogenerator ima 10-20º veći prekretni kut od hidrogeneratora. Parametri regulatora kuta opterećenja su dani u tablici 8-2.

Tablica 8-2 Parametri regulatora kuta opterećenja za turbogenerator koji se koristi u simulaciji rada regulatora kuta opterećenja sa generatorom karakteristika kao generator u TE Plomin.

Kp -1

Kd -0,5

Td 0,55s

Ki -2

KUT_HI 60º

KUT_LO 50º

KUT_REF 55º

Simulacijski model turbogeneratora upotrijebljen je u dva simulirana pokusa. U oba pokusa generator se nalazi u kapacitivnom području rada i dolazi do skokovitog porasta radne snage generatora. U prvom pokusu (slika 8-3) uključen je samo regulator napona, a u drugom (slika 8-4) je uključen i regulator kuta opterećenja. Pokusi su ekvivalentni s prvim i trećim pokusom u poglavlju 7.


89


92949698

100102

0 1 2 3 4 5 6



0

100

200

300

400

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-1000

100200300400

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-200

-150

-100

-50

0

0 1 2 3 4 5 6



-15-10-505

1015

0 1 2 3 4 5 6



05

1015202530

0 1 2 3 4 5 6



0

10

20

30

40

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

-500

50

100150200

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6



-200

-100

0

100

200

0 1 2 3 4 5 6


Slika 8-3 Simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog i integralnog člana regulatora napona, reference struje uzbude i struje

uzbude, kuta opterećenja i estimiranog kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora s uključenim regulatorom napona generatora


90


98

99

100

101

102

0 1 2 3 4 5 6



050

100150200250

0 1 2 3 4 5 6


Radna snaga ( % )

-500

50100150200250

0 1 2 3 4 5 6


Jalova snaga ( % )

-60-40-20

02040

0 1 2 3 4 5 6



-505

101520

0 1 2 3 4 5 6



0

20

40

60

80

0 1 2 3 4 5 6



-5

0

5

10

15

0 1 2 3 4 5 6


Struja uzbude ( % )

02040

6080

100

0 1 2 3 4 5 6



-300

306090

120

0 1 2 3 4 5 6



-300

306090

120

0 1 2 3 4 5 6


Slika 8-4 Simulacijski odzivi napona, struje, radne i jalove snage generatora, proporcionalnog, integralnog i derivacijskog člana regulatora napona, struje uzbude,

estimiranog kuta opterećenja i kuta opterećenja generatora pri skokovitoj promjeni momenta na osovini generatora s uključenim regulatorom kuta opterećenja


91

U prvom pokusu (slika 8-3) regulator napona s isključenim regulatorom kuta opterećenja ne uspijeva zadržati generator u stabilnom radu. U drugom pokusu (slika 8-4) je uključen regulator kuta opterećenja i generator ostaje u stabilnom radu. Regulator kuta opterećenja brže forsira struju uzbude i time odvodi generator dalje od granice stabilnosti.

Rezultati simulacije pokazuju primjenjivost algoritama proširenja područja stabilnog rada generatora regulacijom uzbude na velike turbogeneratore.

Laboratorijska maketa sustava regulacije uzbude sinkronog generatora

92

9. LABORATORIJSKA MAKETA SUSTAVA REGULACIJE UZBUDE SINKRONOG GENERATORA

Laboratorijska maketa omogućava eksperimentalnu provjeru ponašanja sustava regulacije napona sinkronog generatora s dodatnim algoritmima povećanja granice stabilnosti generatora regulacijom uzbude. Maketa omogućava ispitivanje ponašanja komponenti sustava regulacije napona sinkronog generatora kao i ispitivanje sustava u karakterističnim režimima rada (skokovito povećavanje radne snage pogonskog stroja, naglo smanjivanje reference napona uzbude).

Na slici 9-1 prikazana je fotografija digitalnog sustava regulacije, a na slici 9-2 prikazana je fotografija agregata u laboratorijskom modelu. Načelna shema laboratorijskog modela prikazana je na slici 9-3.

Slika 9-1 Digitalni sustav regulacije


93

Slika 9-2 Agregat sa dva pogonska istosmjerna motora i sinkronim generatorom

Vx 3803

SG

TSR

TSR

M

Vx 3803

Uuv Uwv Iu Iw

ρ

Itm Utm

Iuzbude

Uuv_mr

D/A PWM

fazaUuv

Uuv_mr

regulatorkuta ibrzine

0

DIGITALNI SUSTAV REGULACIJE DIRES21

regulator radne ijalove snage,

napona i strujeuzbude generatora.

estimator iregulator kuta

opterećenja

UuvUwvIuIw

Iuzbudeρ

A/D, ENKODERSKI ULAZ

mreza

m_refrs232

osobno računalo

mreža

Slika 9-3 Načelna shema laboratorijskog modela sustava regulacije uzbude generatora


94

Laboratorijski model elektrane prikazan na slici 9-3 sastoji se od sljedećih dijelova:

• Jednosmjerni tiristorski usmjerivač (nazivne snage 100kW) s regulatorom izlazne struje.

• Par nezavisno uzbuđenih istosmjernih motora, sa svake strane generatora jedan. Motori i generator spojeni su elastičnim gumenim spojkama.

• Sinkroni generator s istaknutim polovima nazivne snage 90 kVA.

• Između generatora i mreže je zakretni transformator velike impedancije.

• Dvokvadrantni tranzistorski IGBT čoper kao izvor struje uzbude.

• Položaj rotora se mjeri digitalnim enkoderom postavljenim na istosmjerni motor. Zbog elastičnih spojki između generatora i motora može doći do dinamičke razlike stvarnog i mjerenog položaja rotora generatora.

• Digitalni sustav regulacije DIRES21 je izveden četveroprocesorskim sustavom baziranim na procesoru za obradu signala tvrtke Analog Devices ADMC300.

Parametri sinkronog generatora su prikazani u tablici 9-1. Nazivni parametri istosmjernih motora su dani u tablici 9-2. Parametri čopera su dani u tablici 9-3.

Za mjerenje izlaznog napona i struje generatora koriste se strujni lemovi koji su prigrađeni u tiristorski usmjerivač. Na temelju napona i struje tiristorskog usmjerivača računa se moment na osovini istosmjernog motora.

Realizirani digitalni sustav se u regulacijskom smislu sastoji od sedam regulacijskih krugova:

• regulacijski krug struje uzbude (proporcionalni tip),

• regulacijski krug napona sinkronog generatora (proporcionalno integralni tip),

• regulacijski krug jalove snage sinkronog generatora (proporcionalno integralni tip),

• regulacijski krug estimiranog kuta opterećenja (proporcionalno integracijsko derivacijski tip),

• regulacijski krug brzine vrtnje (proporcionalno integralni tip),

• regulacijski krug faze između napona mreže i napona generatora (proporcionalno integralni tip),

• regulacijski krug radne snage generatora (proporcionalno integralni tip).

Za realizirane regulatore parametri su dani u tablici 9-4.


95

Kada generator nije spojen na mrežu u funkciji su regulatori brzine vrtnje i faze koji dovode u sinkronizam napon generatora i mreže. Nakon ulaska na mrežu, digitalni sustav zadaje moment istosmjernog motora preko zadavanja reference struje tiristorskog usmjerivača izravno ili putem regulatora radne snage generatora.

Parametri digitalnog sustava regulacije DIRES21 u kojem su realizirani regulacijski i upravljački algoritmi su dani u tablici 9-6.

Parametri enkodera su dani u tablici 9-7.

Tablica 9-1 Nazivni podaci i parametri sinkronog generatora

Nazivni napon 400 V

Nazivna struja 120 A

Nazivna snaga 75 kVA

Nazivna frekvencija 50 Hz

Nazivna brzina 600 r/min

Faktor snage 0,8

Napon uzbude 125 V

Struja uzbude 11.8 A

Uzbudna struja praznog hoda 5,7 A

Tablica 9-2 Nazivni podaci istosmjernog motora

Nazivni napon 220 V

Nazivna struja 192 A

Nazivna snaga 42,24 kW

Nazivna brzina 600 r/min

Tablica 9-3 Parametri čopera

Proizvođač FER-ZESA

Ulazni napon 3*380 V

Prijenosni omjer transformatora 1:3

Nazivna struja ispravljača 50 A

Nazivna izlazna struja čopera 50 A

Kapacitet elektrolitskih kondenzatora 4700 µF

Limit zaštite od prenapona 200 V

Otpor u krugu zaštite od prenapona 10 Ω


96

Tablica 9-4 Podešenje regulatora jalove snage, struje uzbude, regulatora napona sinkronog generatora, regulatora kuta opterećenja

Pojačanje 1

Integracijska vremenska konstanta 1s

120%

Regulator jalove snage sinkronog generatora

Ograničenja izlaza regulatora

60%

Pojačanje 4

100% Ograničenja izlaza regulatora

0%

Regulator struje uzbude

Granična frekvencija člana Pt1 u povratnoj vezi 200 Hz

Pojačanje 1,5

Integracijska vremenska konstanta 1s

200%

Regulator napona sinkronog generatora


0%


Pojačanje -1

Integracijska vremenska konstanta 0,5 s

pojačanje je -2

Derivacijska vremenska konstanta 0,55 s

Pojačanje derivacijskog člana -0,5

200 %

Regulator kuta opterećenja


0 %



97

Tablica 9-5 Podešenje mjernih članova

Mjerni opseg mjernog člana u odnosu na nominalni napon generatora

±150% Mjerenje napona generatora

Granična frekvencija člana Pt1 realiziranog u analognoj tehnici

50kHz

Mjerni opseg mjernog člana u odnosu na nominalnu struju generatora

±400% Mjerenje struje generatora


50kHz

Mjerni opseg mjernog člana u odnosu na nominalnu struju uzbude

±400%


50kHz

Mjerenje struje uzbude

Granična frekvencija člana Pt1 realiziranog u digitalnoj tehnici

200Hz

Mjerenje kuta opterećenja


50Hz

Mjerni opseg mjernog člana na nominalnu struju tiristorskog usmjerivača

±400% Mjerenje struje tiristorskog usmjerivača


10Hz

Mjerni mjernog člana opseg u odnosu na nominalni napon tiristorskog usmjerivača

±400% Mjerenje napona tiristorskog usmjerivača


10Hz


98

Tablica 9-6 Parametri sustava digitalne regulacije DIRES21

Proizvođač FER-ZESA

Tip procesora ADMC300

Proizvođač procesora Analog Devices

Broj procesora 4

Broj analognih ulaza (frekvencija uzorkovanja) 20 (31.25 kHz)

Broj analognih izlaza (frekvencija uzorkovanja) 2 (500 Hz)

Broj digitalnih ulaza (frekvencija uzorkovanja) 24 (3.2 kHz)

Broj digitalnih izlaza (frekvencija uzorkovanja) 24 (3.2 kHz)

Broj enkoderskih ulaza 2

Tablica 9-7 Parametri enkodera

Broj impulsa po okretu 5000

Snimanje djelovanja sustava je obavljeno unutar digitalnog sustava. Podaci se putem komunikacije RS232 prenose na računalo. Sustav ima mogućnosti istodobnog snimanja 15 veličina. Trenutak početka snimanja je moguće sinkronizirati s bilo kojom varijablom unutar digitalnog sustava.

Sve snimke valnih oblika u ovom radu su snimljene u trajanju od 1,5 ili 6 sekundi. Snimke trajanja 1,5 sekundi su izvedene s vremenom uzorkovanja 20ms, a snimke trajanja 6 sekundi s vremenom uzorkovanja 70ms. Kako bi se izbjeglo preklapanje spektara sve mjerene veličine osim mjerenog kuta opterećenja (ta veličina pri ispadu generatora iz sinkronizma ima trenutačnu skokovitu promjenu dvostrukog nazivnog iznosa što se ne bi vjerno prenijelo u slučaju filtriranja, a osim toga se računa svakih 20ms pa se ne mogu pojaviti viši harmonici u tom valnom obliku) i su u snimkama trajanja 6 sekundi su dodatno filtrirane filtrom prvog reda vremenske konstante 30 milisekundi.

Zaključak

99

10. ZAKLJUČAK

Istraživanja u ovom radu se odnose na proširenje područja stabilnog rada sinkronog generatora regulacijom uzbude. Kada generator ulazi u kapacitivno područje približava se granici stabilnosti. U slučaju poremećaja u sustavu generator može ispasti iz sinkronizma pa time i iz elektroenergetskog sustava nakon prorade zaštita. Sustav regulacije uzbude može brzo povećati stabilnost generatora povećanjem struje uzbude. Veličina koja pokazuje koliko je generator blizu granice stabilnosti je kut opterećenja. Što je kut opterećenja veći generator je bliži granici stabilnosti.

Razvijen je estimator kuta opterećenja na temelju mjerenja napona i struje generatora. Točnost estimiranja kuta opterećenja je ispitana u statičkom i dinamičkom području rada generatora uz promjenu radne i jalove snage generatora. Statička greška estimiranja kuta opterećenja je manja od 4º u cijelom području rada generatora, a srednja apsolutna greška estimiranja kuta opterećenja tijekom skokovite promjene radne snage generatora je manja od 2,5º. Estimiranje kuta opterećenja pokazuje veliku grešku kada generator ispada iz sinkronizma na iznosima većim od 120º. Zbog malog utjecaja otpora statora generatora (koji je parametar estimatora) na točnosti estimiranja kuta opterećenja, promjena otpora statora zbog zagrijavanja generatora se može zanemariti.

Klasični algoritam regulacije uzbude generatora je modificiran kako bi se proširilo područje stabilnog rada generatora. U standardnu strukturu regulacije u kojoj je regulator napona nadređen regulatoru struje dodan je regulator kuta opterećenja koji se smješta paralelno regulatoru napona generatora. Predložen je PID tip regulatora. Kada kut opterećenja prijeđe određeni iznos (kut kod kojeg je generator previše blizu granici stabilnosti) isključuje se regulator napona i uključuje se regulator kuta opterećenja koji ostaje uključen sve dok se kut opterećenja ne smanji. Određeni su uvjeti prelaska s regulatora napona na regulator kuta opterećenja kako bi se osigurao glatki prijelaz. Regulator kuta opterećenja povećava struju uzbude u mjeri potrebnoj za postizanje kuta opterećenja generatora zadanog referencom i time udaljuje generatora od granice stabilnosti. Povratna veza regulatora kuta opterećenja je estimirani kut opterećenja. Potvrđena je primjenjivost estimiranog kuta opterećenja u algoritmu proširenja područja stabilnog rada generatora regulacijom uzbude.

Realiziran je četveroprocesorski digitalni sustav baziran na procesorima za obradu signala. Unutar digitalnog sustava implementiran je estimator kuta opterećenja, sinkronizator generatora na elektroenergetski sustav i regulacijski algoritmi (regulator radne i jalove snage generatora, napona generatora, struje uzbude, brzine vrtnje generatora i regulator kuta opterećenja). Razvijeni su programski alati koji se izvode na osobnom računalu za razvoj algoritama putem grafičkog sučelja, alati za ispitivanje algoritama i snimanje valnih oblika varijabli unutar digitalnog sustava.

Sustav regulacije uzbude je matematički modeliran i simuliran na računalu u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“.

Zaključak

100

Eksperimentima na laboratorijskom modelu i simulacijom na računalu je ispitano djelovanje sustava u uvjetima skokovite promjene radne snage generatora i reference regulatora (struje uzbude, napona i jalove snage generatora). Rezultati dobiveni simulacijom pokazuju vrlo dobro slaganje s eksperimentalnim rezultatima. To je potvrda ispravnosti simulacijskog modela sustava regulacije uzbude generatora. Osim toga, bez eksperimentalne provjere, simulirani su uvjeti kratkog spoja, kao i djelovanje algoritama regulacije na turbogenerator veće snage. Rezultati dobiveni tim simulacijama pokazuju primjenjivost algoritama povećanja granice stabilnosti generatora regulacijom uzbude i u tim uvjetima.

Rezultati simulacije pokazuju vrlo dobro slaganje s eksperimentom i omogućuju primjenu simulacije za određivanje strukture i parametara komponenti sustava. Također se optimiranje parametara regulatora može obavljati putem simulacije.

Eksperimentalni i simulacijski rezultati pokazuju da dodatni regulator kuta opterećenja ima pozitivno djelovanje na stabilnost rada generatora i u statičkom i u dinamičkom području. U statičkom području regulator kuta opterećenja u uvjetima povećane radne snage zadržava kut opterećenja na referencom zadanom iznosu i time zadržava generator dalje od granice stabilnosti. U takvim uvjetima generator je spremniji na nagle poremećaje u sustavu što se vidi u simuliranom pokusu bliskog kratkog spoja. U dinamičkom području koji je u radu simuliran naglim povećanjem radne snage generatora, regulator kuta opterećenja naglo povećava struju uzbude generatora i time povećava vjerojatnost zadržavanja generatora u stabilnom radu u uvjetima naglih poremećaja u elektroenergetskom sustavu. Osim toga, primjenom regulatora kuta opterećenja, generator ostaje u stabilnom radu bez obzira na podešenje regulatora napona generatora, čak i u uvjetima ispada reference napona generatora. Time je bitno povećana pouzdanost rada generatora.

Regulacijska struktura sa dodatnim regulatorom kuta opterećenja omogućuju proširenje područja rada generatora u odnosu na klasična rješenja regulacije uzbude generatora.

Popis oznaka

101

POPIS OZNAKA

φ kut između napona i struje generatora

ϑ kut opterećenja generatora

ψd, ψd ulančani tokovi armaturnog namota sinkronog generatora u d i q osi

ψD , ψQ ulančani tokovi prigušnog namota sinkronog generatora u d i q osi

ω kutna brzina (električna)

ωmeh kutna brzina (mehanička)

E0 inducirani napon generatora

I amplituda struje generatora

ia, ib, ic fazne struje armature generatora

iab, ibc, ica linijske struje armature generatora

id, iq komponente struje statora u koordinatnom sustav rotora generatora

iu struja uzbude generatora

iα, iβ komponente struje statora u koordinatnom sustav statora generatora

Kp pojačanje proporcionalnog člana regulatora kuta opterećenja

Kd pojačanje derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja

Ki pojačanje integralnog člana regulatora kuta opterećenja

KUT_HI iznos kuta opterećenja pri kojem se uključuje regulator kuta opterećenja

KUT_LO iznos kuta opterećenja pri kojem se isključuje regulator kuta opterećenja

KUT_LO referenca regulatora kuta opterećenja

melm elektromagnetski moment generatora

mmeh mehanički moment na osovini generatora

P radna snaga generatora

Pmax prekretna snaga generatora

Popis oznaka

102

Q jalova snaga generatora

R fazni otpor statora generatora

RD, RQ otpori prigušnog napona u d i q osi generatora

Ru otpor prigušnog napona u d i q osi generatora

rv otpor spojnih vodova do mreže i blok transformatora generatora

S prividna snaga generatora

Td vremenska konstanta derivacijskog člana regulatora kuta opterećenja

Td'' vremenska konstanta za subtranzijentno stanje u d osi

Tq'' vremenska konstanta za subtranzijentno stanje u q osi

Tm mehanička vremenska konstanta agregata

Tu vremenska konstanta uzbude

U amplituda napona generatora

ua, ub, uc fazni naponi armature generatora

uab, ubc, uca fazni naponi armature generatora

ud, uq komponente napona statora u koordinatnom sustav rotora generatora

ukm napon krute mreže

ukmd, ukmq naponi krute mreže u d i q osi

uu napon uzbude generatora

uα, uβ komponente napona statora u koordinatnom sustav statora generatora

xd, xq sinkrone reaktancije u d i q osi generatora

xD, xQ reaktancije prigušnog namota u d i q osi generatora

xdD reaktancija armature prigušnog namota u d osi generatora

xd’ tranzijentna uzdužna reaktancija generatora

xd'' subtranzijentna uzdužna reaktancija generatora

xq'' subtranzijentna poprečna reaktancija generatora

Popis oznaka

103

xl rasipna reaktancija generatora

xu reaktancija uzbudnog namota generatora

xud reaktancija uzbude armature u d osi generatora

xuD reaktancija uzbude prigušnog namota u d osi generatora

xqQ reaktancija armature prigušnog namota u q osi generatora

xv reaktancija spojnih vodova do mreže i blok transformatora generatora

Literatura

104

LITERATURA

[1] Analog Devices, ADSP-2100 Family User´s Manual, Analog Devices Inc , Third Edition, 1995.

[2] Analog Devices, Digital Signal Processing Applications, Prentice Hall, Vol.1., 1992.

[3] Analog Devices, Assembler Tools & Simulator Manual, Analog Devices Inc., Second Edition, 1994.

[4] Aucland D. W., Kabir S. M., Shuttleworht, "Generator model for power system studies", UEE Proc.-C, Generation, Transmition and Distribution, Vol. 137, Pt. C, No. 6, Nov. 1990, pp 383-390.

[5] Babić H., Diskretni i kontinuirani sistemi, Predavanja na poslijediplomskom studiju, Elektrotehnički fakultet, Zagreb, 1986.

[6] Budin L., Numeričko upravljanje, Predavanja na poslijediplomskom studiju, Elektrotehnički fakultet, Zagreb, 1987.

[7] Canay I. M., "Physical significance of sub-subtransient quantities in dynamic behaviour of synchronous machines", IEE Proc., Vol. 135, Pt. B, No. 6, pp. 334-340, 1988.

[8] Dolenc A. Sinkroni strojevi, skripta, Sveučilišna naklada Liber, Zagreb, 1981.

[9] Erceg G., "Regulacija napona beskontaktnog samouzbudnog sinkronog generatora u autonomnom radu", Doktorska disertacija, Zagreb, 1996.

[10] Erceg G., Idžotić T., Tonković N., "Digital Control System of a Synchronous Generator", EPE-PEMC, 2002.

[11] Ferega D., "Digitalna regulacija napona sinkronog generatora s tranzistorskim pretvaračem u uzbudnom krugu", Magistarski rad, Zagreb, 2000.

[12] Frančić B., Opća teorija električnih strojeva, Skripta iz kolegija: Generalna teorija električnih strojeva, Elektrotehnički fakultet Zagreb - FESB Split, 1982.

[13] Friedland B., "Control System Design", Mc Graw-Hill Ind"., New York, 1986.

[14] Glavan B. , "ZES490 Matematički model i simulacija samouzbudnog sustava regulacije sinkronog generatora", Elaborat, Zagreb, 1993.

[15] Idžotić T, Spajić I., Padovan L., "Digital regulation of sinewave inverter". 10th EDPE, p.p. 113-117, 1998.

Literatura

105

[16] Iserman R. "Digital Control Systems", Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, Tokyo, 1981.

[17] Kovacs Pak K., "Transient phenomena in electrical machines", Elsevier, New York, USA, 1984.

[18] Kuterovac Lj., "Sinkroni generator u nesimetričnim udarnim kratkim spojevima", Magistarski rad, Zagreb, 1995.

[19] Maljković Z. , "Utjecaj poremećaja u električnoj mreži na torzione oscilacije turboagregata", Doktorska disertacija, Zagreb, 1990.

[20] Ogata K., "Discrete-Time Control Systems". Prentice-Hall Int. Englewood Cliffs, New Jersey, 1987.

[21] Pašalić N., "Osnovi regulacione tehnike", Zbornik radova iz područja upravljanja i regulacije elektromotornih pogona, III svezak, Elektrotehnički fakultet Zagreb, 1977.

[22] "Simulink – Dynamic System Simulation for Matlab", The MathWorks Inc., 2000.

[23] Sirotić Z., Maljković Z., "Sinkroni strojevi", CIP, Zagreb, 1996.

Dodatak A

D-A1

DODATAK A

BAZNE VELIČINE…….……………………………………………………..…. D-A2 PARAMETRI GENERATORA KORIŠTENI U SIMULACIJI….………..……. D-A3 MODELI U PROGRAMSKOM PAKETU “MATLAB-SIMULINK“ Model sustava uzbude…………………………………………………………….. D-A4 Model proporcionalno integralnog regulatora jalove snage generatora………..… D-A5 Model proporcionalno integralnog regulatora napona generatora……………..…. D-A6 Model proporcionalno integralno derivacijskog regulatora kuta opterećenja…….. D-A7 Model proporcionalnog regulatora struje uzbude……………………………..….. D-A8 Model kompenzacije jalove snage ……………..……………………………..….. D-A9 Model čopera…………………………………………………………………….. D-A10 Model estimatora kuta opterećenja…………………………………………..……. D-A11 Proračun integralnih kriterija kvalitete odziva IAE, MAX, IAED…………..……. D-A12 Model bloka koji određuje da li je uključen regulator napona ili regulator kuta opterećenja (KUT_OPT_OFF_ON)………………………………………… D-A13 Generiranje informacija prema programskom paketu “EXCEL“……………….…. D-A14 Model sinkronog generatora…………………………………………………….... D-A15 Proračun momenata i kuta opterećenja u modelu sinkronog generatora…............. D-A16 Proračun radne, jalove snage, napona i struja generatora u model sinkronog generatora………………………………………………………………. D-A17 Proračun d i q komponenata napona u modelu sinkronog generatora………….…. D-A18 Proračun d i q komponenata struje u modelu sinkronog generatora………….…… D-A19 Proračun tokova u modelu sinkronog generatora………………………………… D-A20 Proračun parametara 1 u modelu sinkronog generatora…………………………… D-A21 Proračun parametara 2 u modelu sinkronog generatora…………………………... D-A22 Proračun parametara 3 u modelu sinkronog generatora………………..………… D-A23 Proračun parametara 4 u modelu sinkronog generatora………………………..… D-A24

Dodatak A

D-A2

A1 BAZNE VELIČINE

Napon armature fnB UU ⋅= 2

Struja armature fnB II ⋅= 2

Impedancija u armaturnom krugu B

BB I

Uz =

Snaga BBB IUS ⋅⋅=23

Električna kutna brzina fsB ⋅⋅== πωω 2

Ulančeni tok B

BB

Uω

ψ =

Moment B

BB

SpMω⋅=

Induktivitet u armaturnom krugu B

BB

zLω

=

Kapacitet u armaturnom krugu BB

B zC

ω⋅=

1

Struja uzbude uduuB xII ⋅= 0

Napon uzbude uB

BBuB I

IUU ⋅⋅=23

Impedancija uzbude 2

23

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⋅⋅=

uB

BBuB I

Izz

Dodatak A

D-A3

A2 PARAMETRI GENERATORA KORIŠTENI U SIMULACIJI

Xd 0,8 (p.u.)

Xq 0,51 (p.u.)

Xl 0,04 (p.u.)

R 0,04 (p.u.)

Tm 2,6 (s)

Tf 0,55 (s)

Xd’ 0,35 (p.u.)

Xd'' 0,15 (p.u.)

Xq'' 0,15 (p.u.)

Td'' 0,054 (s)

Tq'' 0,054 (s)

rv 0,01 (p.u.)

xv 0,04 (p.u.)

Dodatak A

D-A4

A3 Model sustava uzbude

Dodatak A

D-A5

A4 Model proporcionalno integralnog regulatora jalove snage generatora

Dodatak A

D-A6

A5 Model proporcionalno integralnog regulatora napona generatora

Dodatak A

D-A7

A6 Model proporcionalno integralno derivacijskog regulatora kuta opterećenja

Dodatak A

D-A8

A7 Model proporcionalnog regulatora struje uzbude

Dodatak A

D-A9

A8 Model kompenzatora jalove snage

Dodatak A

D-A10

A9 Model čopera

Dodatak A

D-A11

A10 Model estimatora kuta opterećenja

Dodatak A

D-A12

A11 Proračun integralnih kriterija kvalitete odziva IAE, MAX, IAED

Dodatak A

D-A13

A12 Model bloka koji određuje da li je uključen regulator kuta opterećenja (KUT_OPT_OFF_ON)

Dodatak A

D-A14

A13 Generiranje informacija prema programskom paketu «EXCEL»

Dodatak A

D-A15

A14 Model sinkronog generatora

Dodatak A

D-A16

A15 Proračun momenata i kuta opterećenja u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A17

A16 Proračun radne, jalove snage, napona i struja generatora u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A18

A17 Proračun d i q komponenata napona u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A19

A18 Proračun d i q komponenata struje u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A20

A19 Proračun tokova u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A21

A20 Proračun parametara 1 u modelu sinkronog generatora

Dodatak A

D-A22


Dodatak A

D-A23


Dodatak A

D-A24


Dodatak B

D-B1

DODATAK B

ALGORITMI PROGRAMA DIGITALNOG SUSTAVA REGULACIJE I UPRAVLJANJA DIRES21

Program procesora 1 – stranica 1................................................................................. D-B4













Makro blok P_CONTR – proporcionalni regulator...................................................... D-B17

Makro blok PI_CNT3X – proporcionalni integralni regulator..................................... D-B18

Makro blok PIDCNT3X – proporcionalno integralno derivacijski regulator............... D-B19

Dodatak B

D-B2

Digitalni sustav se sastoji od četiri procesora. Procesori razmjenjuju 20 šesnaestbitnih riječi brzinom 3200 Hz (blokovi sp1ma20 i sp0sl20).

Digitalni sustav izvodi program putem prekida (engl. interrupt). Algoritmi se izvode na tri osnovna prekida:

- Prekid vezan uz vremenski sklop: - oznaka blokova T – osnovna frekvencija izvođenja 19200 Hz.

- Prekid vezan uz analogne ulaze: oznaka blokova A – osnovna frekvencija izvođenja 31250 Hz.

- Prekid vezan uz serijsku komunikaciju: oznaka blokova I – osnovna frekvencija izvođenja algoritama 115200 Hz.

Ukoliko blokovi imaju brojeve od 100-299 tada se izvode na osnovnoj frekvenciji prekida (T, A ili I). Ako imaju brojeve 300-999 onda se izvode na šest puta sporije.

Mjerenja analognih veličina su podijeljena između procesora:

Procesor 1 Linijski napon generatora između faze u i faze v – U_UV

Linijski napon generatora između faze w i faze v – U_WV

Fazna struja generatora faze u – I_U

Fazna struja generatora faze w – I_W

Struja uzbude generatora – I_UZBUDE

Procesor 2 Napon tiristorskog usmjerivača – I_TIR_MOSTA

Procesor 3 Linijski napon mreže između faze u i faze v – U_UV_M

Napon istosmjernog međukruga – U_DC_LINK

Struja tiristorskog usmjerivača – I_TIR_MOSTA

Procesor 4 Ne mjeri analogne veličine

Dodatak B

D-B3

Algoritmi se podijeljeni između procesora na sljedeći način

Procesor 1 Regulator jalove snage generatora (PI regulator - blok pi_cnt3x)

Regulator napona generatora (PI regulator - blok pi_cnt3x)

Regulator struje uzbude generatora (P regulator - blok p_contr)

Regulator kuta opterećenja (PID regulator - blok pidcnt3x)

Regulator jalove snage (PI regulator - blok pi_cnt3x)

Proračun radne i jalove snage

Estimacija kuta opterećenja

Komunikacija s pločom digitalnih 24 ulaza / izlaza (blok sdio2wsl)

Procesor 2 Mjerenje kuta opterećenja (pomoću digitalnog enkodera i napona U_UV)

Procesor 3 Mjerenje faze između napona generatora i napona mreže

Regulator faze između napona generatora i napona mreže (PI regulatora - blok pi_cnt3x)

Regulator brzine vrtnje agregata (PI regulatora - blok pi_cnt3x)

Regulator radne snage (PI regulatora - blok pi_cnt3x)

D/A pretvarač koji zadaje moment istosmjernih motora preko tiristorskog usmjerivača

Procesor 4 Komunikacija prema osobnom računalu ili GSM mreži

Dodatak B

D-B4

B1 Program procesora 1 – stranica 1

Dodatak B

D-B5


Dodatak B

D-B6


Dodatak B

D-B7


Dodatak B

D-B8


Dodatak B

D-B9


Dodatak B

D-B10


Dodatak B

D-B11


Dodatak B

D-B12


Dodatak B

D-B13


Dodatak B

D-B14


Dodatak B

D-B15


Dodatak B

D-B16


Dodatak B

D-B17

B14 Makro blok P_CONTR – proporcionalni regulator

Dodatak B

D-B18

B15 Makro blok PI_CNT3X – proporcionalni integralni regulator

Dodatak B

D-B19

B16 Makro blok PIDCNT3X – proporcionalno integralno derivacijski regulator

Dodatak C

D-C1

DODATAK C

PROGRAMSKI ALATI ZA IZRADU I ISPITIVANJE ALGORITAMA PROCESORA ZA OBRADU SIGNALA

Alat za izradu algoritama.................................................................................... D-C1

Alat za ispitivanje algoritama……....................................................................... D-C2

Dodatak C

D-C2

C1 ALAT ZA IZRADU ALGORITAMA

Kako bi se omogućio efikasan i pouzdan razvoj algoritama, razvijen je alat koji omogućuje korištenje grafičkog sučelja za preglednu i jednostavnu izradu regulacijskih algoritama. Razvijeno je preko 300 osnovnih blokova koji se mogu koristiti za razvoj algoritama. Posebni program pretvara grafički prikaz algoritma u program procesora za obradu signala. Svi algoritmi procesora za obradu signala prikazani u dodatku B razvijeni su putem ovog alata. Na slici C1 je prikazan dio algoritma regulacije napona i struje generatora.

Slika C1 Alat za izradu algoritama

Opis svakog bloka se sastoji od slova i broja 100-999. Slovo kazuje u kojem tip prekida se izvodi blok, a broj određuje redoslijed izvođenja bloka. Blok sa manjim iznosom se izvodi prije bloka sa većim iznosom. Svi blokovi se izvode unutar prekida i svi se moraju izvesti prije sljedećeg prekida.

Dodatak C

D-C3

C2 ALAT ZA ISPITIVANJE ALGORITAMA

Ispitivanje složnih algoritama zahtijeva korištenje programskih alata koji omogućavaju podešavanje parametara sustava, pregled stanja varijabli i snimanje valnih oblika. Razvijen je takav alat u programskom jeziku Borland C++ Builder 5.0. Osobno računalo komunicira sa digitalnim sustavom rs232 komunikacijom. Osnovna stranica alata je prikazana na slici C2.

Slika C2 Osnovna strana alata za ispitivanje algoritama

Na osnovnoj strani moguće je nadgledati stanje 27 varijabli (trenutni iznos, filtrirani iznos, apsolutni filtrirani iznos, maksimum, minimum, razliku maksimuma i minimuma, vrijeme maksimuma, vrijeme minimuma, razliku vremena maksimuma i minimuma). Varijable 18 do 26 su proizvoljne i može se odabrati bilo koja varijabla digitalnog sustava. Jedna od 27 varijabli se prikazuje grafički. Osnovna strana alata prikazuje trenutno stanje 72 parametra digitalnog sustava. Moguća je trenutna promjena bilo kojeg parametra.

Sve informacije koje digitalni sustav šalje na osobno računalo i sva djelovanja operatera se snimaju na disk. Moguće je naknadno promatranje snimljenih podataka kako putem alata (tada su svi izgledi ekrana i valnih pojava isti kao i u trenutku snimanja) tako i putem programskog paketa Microsoft Excel.

Sa osnovne strane se može doći na ostale strane alata koje su prikazane na slikama C3-C6.

Dodatak C

D-C4

Slika C3 Prikaz valnih oblika 30 varijabli u stvarnom vremenu uz minimalno vrijeme uzorkovanja od 0,2 sekundi

Slika C4 Prikaz valnih oblika 9 varijabli uz minimalno vrijeme uzorkovanja od 0,3 ms

Dodatak C

D-C5

Slika C5 Prikaz stanja 160 digitalnih varijabli i mogućnost postavljanja stanja 96 digitalnih varijabli

Slika C6 Prikaz valnih oblika 16 digitalnih varijabli u stvarnom vremenu uz minimalno vrijeme

uzorkovanja od 0,2 sekundi

Sažetak

SAŽETAK

Sinkroni generator se u kapacitivnom području rada približava granici stabilnosti i postaje osjetljiv na poremećaje u elektroenergetskom sustavu. Kut opterećenja pokazuje koliko je generator blizu granici stabilnosti, a povećavanjem struje uzbude generatora moguće je smanjiti kut opterećenja i povećati stabilnost generatora.

U klasični algoritam regulacije uzbude generatora, u kojem je regulator napona nadređen regulatoru struje uzbude, uveden je dodatni regulator kuta opterećenja koji se uključuje kada se generator približi granici stabilnosti. Tada se isključuje regulator napona generatora i uključuje regulator kuta opterećenja. Prelazak između ta dva regulatora je gladak.

Razvijena je i ispitana metoda estimacije kuta opterećenja generatora. Mjerene veličine potrebne za estimaciju kuta opterećenja su dva napona i dvije struje generatora. Eksperimentalni rezultati pokazuju dobro slaganje estimiranog i mjerenog kuta kako u statičkim tako i dinamičkim uvjetima osim kada generator ispada iz sinkronizma. Potvrđena je primjenjivost estimiranog kuta opterećenja u regulacijskim algoritmima proširenja područja stabilnog rada generatora regulacijom uzbude.

Realiziran je četveroprocesorski digitalni sustav baziran na procesorima za obradu signala. Unutar digitalnog sustava implementiran je estimator kuta opterećenja, sinkronizator generatora na elektroenergetsku mrežu i regulacijski algoritmi (regulator radne i jalove snage generatora, napona generatora, struje uzbude generatora, brzine vrtnje turbine i regulator kuta opterećenja). Napravljeni su programski alati koji se izvode na osobnom računalu potrebni za razvoj i ispitivanje algoritama regulacije.

Sustav regulacije uzbude generatora je složeni nelinearni višeparametarski sustav. Sustav se sastoji od generatora spojenog na elektroenergetski sustav, čopera i digitalnog sustava sa mjernim članovima. Za svaki dio sustava napravljen je matematički model. Pojedini dijelovi su spojeni u jedinstveni model sustava uzbude.

U sustavu regulacije uzbude generatora, regulator jalove snage i napona generatora imaju PI karakteristiku, regulator estimiranog kuta opterećenja ima PID karakteristiku, a regulator struje uzbude P karakteristiku.

Načinjen je simulacijski model sustava regulacije uzbude generatora u programskom paketu “MATLAB-SIMULINK“.

Rezultati dobiveni simulacijom za slučaj skokovite promjene reference (struje uzbude, napona, jalove snage) kao i za slučaj promjene radnog opterećenja generatora pokazuju dobro slaganje s rezultatima dobivenim eksperimentom.

Simulacijski model se koristi za optimiranje parametara regulatora i za ispitivanje djelovanja algoritama u uvjetima koji se teško mogu eksperimentalno ispitati (pokus kratkog spoja, pokusi na generatorima velike snage).

Sažetak

Eksperimentom i simulacijom provedena ispitivanja pokazuju pozitivno djelovanje regulatora kuta opterećenja i primjenjivost estimiranog kuta opterećenja u algoritmima proširenja područja stabilnog rada generatora regulacijom uzbude.

Ključne riječi: sinkroni generator, digitalni sustav, uzbuda generatora, regulacija napona, regulacija kuta opterećenja, estimirani kut opterećenja.

Summary

SUMMARY EXPANDING STABLE OPERATION REGION OF SYNCHRONOUS GENERATOR

BY EXCITATION CONTROL

A synchronous generator in capacitive region of operation is near stability limit and becomes sensitive to extreme situations in electrical network. Load angle of generator shows how generator is far from stability limit. Load angle can be decreased by increasing excitation current.

Classical algorithms of excitation control contains voltage controller which is superior to excitation current controller. This thesis describes a new algorithm of excitation control in which load angle controller is included. Load angle controller is turned on when generator is near stability limit. Then the voltage controller is off. Transition from voltage to load angle controller is smooth.

Load angle estimation method is developed. Generator variables for estimation are two generator voltage and two generator currents. Experimental results show little error in estimation of load angle in static as well in dynamic terms. Big error of load angle estimation occurs when generator falls from synchronicity with electrical network. Load angle estimation method is fully tested and it can be applied in proposed algorithms of expanding stable operation region of synchronous generator by excitation control.

Four processor digital system is developed. Digital system contains all algorithms for load angle estimation, self synchronization unit and all needed controllers (reactive and active power controller, voltage controller, excitation current controller, generator speed controller and load angle controller). Software tools for PC are developed for making algorithms in graphical environment and for testing of algorithms.

Generator excitation system is complex nonlinear and multivariable system. System contains generator connected to electrical network, DC converter and digital system with measuring devices. All that parts are connected in common mathematical model of excitation control.

Reactive power controller and generator voltage controller has PI characteristics, excitation current controller has P characteristics and load angle controller has PID characteristics.

Mathematical model of excitation control is simulated using “MATLAB-SIMULINK“ simulation software package.

Results from simulation of reference step change (excitation current reference, generator voltage and reactive power reference) and results from stepwise change of generator load shows good alignment of simulation results to experimental results.

Summary

Simulation model is used for optimization of controller parameters and testing of algorithms in terms which are not possible to get experimentally (short circuit experiment, tests on high power generators).

Experimental and simulation results shows positive performance of load angle controller and full applicability of load angle estimation in algorithms of expanding stable operation region of synchronous generator by excitation control.

Keywords: synchronous generator, digital system, generator excitation, voltage control, load angle control, load angle estimation.

Životopis

ŽIVOTOPIS

Rođen sam u Zagrebu 10. ožujka 1971. godine gdje sam završio osnovnu i srednju školu. Godine 1990. godine upisao sam Fakultet elektrotehnike i računarstva u Zagrebu. Diplomirao sam na smjeru Industrijska elektronika 1994. godine.

Za uspjeh na drugoj i trećoj godini studija primio sam “Pismeno priznanje JOSIP LONČAR”, za uspjeh tokom cijelog studija primio sam “Brončanu plaketu JOSIP LONČAR”. Tokom druge, treće i četvrte godine studija primao sam Stipendiju Sveučilišta za uspjeh u studiju i sudjelovanje u znanstvenom radu.

Po završetku studija zaposlio sam se u poduzeću "Končar-Specijalni uređaji i sistemi" u Zagrebu kao projektant uređaja energetske elektronike. Godine 1995. upisao sam poslijediplomski studij Fakulteta elektrotehnike i računarstva, smjer Elektrostrojarstvo na području digitalne regulacije asinkronog motora.

Od 1997. godine radim kao mlađi asistent, a od 1999. godine kao asistent za Zavodu za elektrostrojarstvo Fakulteta elektrotehnike i računarstva na grupi predmeta Regulacija električnih strojeva. Magistarski rad "Vektorska regulacija asinkronog motora s procesorom za digitalnu obradu signala" obranio sam 1999. godine. Za magistarsku radnju primio sam “Brončanu plaketu JOSIP LONČAR”.

Od 1997. godine aktivno sudjelujem u znanstvenom radu na projektu Ministarstva znanosti Republike Hrvatske na projektu 036027: “Pouzdanost rada i revitalizacija sinkronih strojeva“. Trenutno sudjelujem na projektu 0036026: “Napredne strukture upravljanja u industrijskim postrojenjima“.

Documents

proširenje područja stabilnog rada sinkronog generatora