Reglarea automata a tensiunii si puterii reactive in sistemele energetice (RAT)

1.Necesitatea si avantajele RAT

Pentru a se asigura o repartitie convenabila consumatorilor, concomitent cu o productie rationala a energiei electrice este absolut necesar ca tensiunea la consumatori, deci si la nodurile generatoare ale sistemului energetic (SE), sa fie cat mai constanta posibil.

In functionarea normala, de regim, a unui SE se produc insa variatii ale sarcinilor active si reactive, care determina variatii de tensiune, atat la barele consumatorilor de energie electrica, cat si la nodurile de distributie sau generatoare. Deranjamentele din retelele electroenergetice sunt de asemenea insotite de variatii ale tensiunii (scurtcircuite, deconectari sau bransari).

Experienta demonstreaza ca reglarea manuala a tensiunii, efectuata de personalul de exploatare, nu este eficace si nici suficient de precisa.

In figura 6. 23.a s-a reprezentat schema de reactante echivalenta, pentru o singura faza, in cazul unui generator sincron G echivalent, care debiteaza pe barele B, la care se leaga consumatorul echivalent C.

S-au notat cu:

x_d - reactanta sincrona longitudinala a lui G, tinand seama de saturatie;

x_s - reactanta elementelor de legatura dintre generator si bare;

z_c = r_c + jx_c - impedanta consumatorului C;

E_d - t.e.m. eficace pe faza (in spatele reactantei Xd);

U - tensiunea eficace pe faza, pe barele B;

- unghiul electric intern dintre U si E_d;

I_g - valoarea eficace a curentului debitat de G;

P_g , Q_g - puterile activa si reactiva debitate de G;

p_c , Q_c - puterile activa si reactiva consumate de C;

cos - factorul de putere.

a)  b)

In figura 6.23. b este reprezentata diagrama fazoriala a caderilor de tensiune corespunzatoare schemei din fig. 6.23 a.

Considerand proiectiile fazoriale pe axele Ox si Oy se pot scrie ecuatiile:

(6.41)

unde: ; I_g cos(90° - ) = I_g sin = I_gr - componenta reactiva a curentului generat. Exprimand:

(6.42)

a)  b)

se obtine:

(6.43)

(6.44)

La o anumita scara, segmentul ab reprezinta P_g si segmentul ac reprezinta Q_g. relatiile (6.43) si (6.44) exprima ca, pentru E_d=const. si x=const. orice variatie a puterilor P_g si Q_g se traduce prin variatii ale tensiunii la bare U si a unghiului electric .

In fig.6.24 si 6.25 s-au reprezentat variatiile P_g si Q_g in functie de U, pentru E_d = const. si x=const, iar =parametru. In figura 6.26 s-au reprezentat variatiile puterilor in functie de , pentru E_d = const., x=const, iar U = parametru.

In regim stationar se realizeaza echilibrul dintre puterile consumate si cele generate: P_c = P_g si Q_c = Q_g

In general, la consumator puterea activa P_c este independenta de variatiile tensiunii, dar puterea reactiva creste cu tensiunea. In figura 6.27 s-au reprezentat pe acelasi grafic variatiile puterilor generate si consumate cu tensiunea U, pentru = para- metru, E_d si x - constante.

In punctul A se stabileste un punct de functionare (P_c1=P_g1, =). La cresterea puterii consumate: P_c1=P_c1+P_c; P_c>0, se stabileste un nou punct de functionare in A' dar U₂<U₁, corespunzator unui . Variatiile puterii consumate se traduc prin noi pozitii de echilibru (A, A', ) realizate prin autoreglare, dar cu pretul unor variatii si inacceptabile pentru SE. In fig.6.27b se constata ca variatiile determina noi puncte de functionare (B, B', ) cu inrautatirea valorilor U, respectiv (U₂<U₁, ).

Mentinerea constanta a tensiunii aduce mari avantaje in exploatarea SE, in general, si in functionarea consumatorilor de energie electrica, in particular. Astfel RAT reducand cresterea unghiului electric mareste stabilitatea statica a sistemului energetic si valoarea puterii maxime ce se poate debita in regim static de functionare. Spre a ilustra aceasta, in figura 6.28 si 6.29 s-au reprezentat diagramele fazoriale tensiune-curent precum si variatiile P_g() si Q_g() in cazurile absentei, respectiv al existentei RAT. S-au considerat cresteri identice ale puterii consumate () si .

In primul caz, E_d = const., X = const. si varful fazorului E_d descrie un cerc cu centrul in O (E_d1=E_d2=const.); pentru P_c2>P_c1 se obtine U₂<U₁, ₂>..Din figura 6.28b se observa ca variatia P_g() se muta din 1 in 2, la scaderea tensiunii ca urmare a cresterii consumului de putere iar unghiul electric se apropie de valorile limita din punct de vedere al stabilitatii statice a SE.

In conditiile existentei RAT, variaza E_d ca urmare a fortarii excitatiei generatorului sincron. Din figura 6.29a, se observa ca, in acest caz, E_d2>E_d1, astfel incat U₁ = U₂ = U = const. si mult mai redusa decat in cazul absentei RAT; prin variatia corespunzatoare a lui (in sensul scaderii puterii active), se poate obtine . Pe graficul variatiei puterilor, se arata ca variatia P_g() se muta din 1 in 2, in sens invers in raport cu fig.6.28b.

Cresterea unghiului electric este acum mult mai mica. Totodata, creste puterea maxima ce poate fi debitata in regim static de functionare (punctul M de pe curba 1 se

muta in M', pe curba 2; se poate reprezenta o variatie P_{g max}() - curba cu linie intrerupta din fig.6.29b). Creste rezerva de stabilitate a SE prin obtinerea zonei de stabilitate statica artificiala.

Ca urmare a introducerii RAT, creste stabilitatea dinamica a SE. in fig.6.30 s-au reprezentat variatiile P_g() in cele trei situatii:

- regim normal;

- regim de dupa avarie, fara RAT;

- regim de dupa avarie, cu RAT.

Se poate vedea ca in cazul 3, aria de accelerare S₁₍₊₎ este mult mai mica decat aria de franare S_{2 (-)}, deoarece RAT, fortand excitatia (deci, marind E_d) sau reducand reactanta totala in regim de avarie, face sa creasca tensiunea pe bare pana la o valoare apropiata de valoarea nominala U_n.

Ca urmare, se mareste stabilitatea dinamica a functionarii.

Reglarea automata a tensiunii mai prezinta si alte avantaje, cum sunt: marirea sensibilitatii protectiei prin relee, evitarea producerii fenomenului de avalansa de tensiune (caracterizat prin scaderea continua si aproape totala a tensiunii) si asigurarea autopomirii motoarelor asincrone, cresterea indicilor de calitate ai energiei electrice produse si a fiabilitatii SE.

2. Principiul metodelor de RAT

Exista principial doua posibilitati pentru reglarea tensiunii pe barele generatorului sau statiei electrice:

Variatia t.e.m. E_d, prin variatia excitatiei generatorului sincron reglat;

Variatia reactantei de legatura X, prin variatia raportului de transformare al transformatoarelor din statiile electrice, prevazute cu prize pentru reglaj sub sarcina.

Cazul = const nu se ia in considerare, deoarece ar complica mult problema RAT; reglarea se face insa unilateral, actionand asupra lui E_d, sau X si rezultand corespunzator.

In fig.6.31a, b si c se prezinta schemele principiale ale unor sisteme de RAT prin variatia excitatiei generatorului (variatia lui E_d si ).

Astfel, in cazul schemei din fig.6.31a, regulatorul de tensiune RAT comanda modificarea valorii rezistentei suplimentare din circuitul de excitatie al excitatoarei E;

RAT poate fi de tip electromecanic, electric sau electronic.

Marimea de comanda x_c (respectiv, marimea de executie x_m ) este proportionala cu variatia tensiunii statorice a generatorului G.

In cazul din fig.6.31b regulatorul de tensiune variaza excitatia generatorului prin alimentarea infasurarii de excitatie BE a excitatoarei cu un curent suplimentar, proportional cu variatia tensiunii din statorul generatorului, U_g.

In fig.6.31c se prezinta cazul RAT prin compoundare, cand RAT intervine in circuitul de excitatie printr-un curent suplimentar de excitatie I_K proportional cu curentul statoric l_g (obtinut cu ajutorul unui transformator de curent TC racordat la bornele G si a unei punti redresoare S), compensand caderile de tensiune interne.

Variatia reactantei longitudinale, prin variatia raportului de transformare al transformatoarelor prevazute cu reglare sub sarcina se realizeaza cu ajutorul unui RAT care comanda, printr-un element de executie (de exemplu un servomotor) modificarea prizei la transformatorul de putere TP cu reglaj sub sarcina.

6.3.3. Sisteme de excitatie pentru generatoare sincrone

Se poate realiza o grupare a sistemelor de excitatie avand in vedere urmatoarele criterii:

dupa autonomia sau neautonomia sursei de energie necesara excitatiei;

dupa natura sursei primare care alimenteaza infasurarea de excitatie a generatorului sincron;

dupa principiul de functionare al sistemului de excitatie;

dupa caracterul mobil (de rotatie) sau imobil (static) al elementelor componente din cuprinsul sistemului de excitatie.

Modalitatea de obtinere a tensiunii continue pentru excitarea masinii sincrone se dovedeste a fi cel mai unitar si general criteriu de clasificare.

Din acest punct de vedere, se disting:

a)    sisteme de excitatie cu masini de curent continuu;

b)    sisteme de excitatie cu masini de curent alternativ;

c)     sisteme de excitatie fara masini excitatoare.

Dupa principiul de functionare din grupa a) se desprind cateva subgrupe:

a.1) sisteme de excitatie cu masini de c.c. functionand ca generator de c.c.

a.2) sisteme de excitatie cu masini de c.c. amplificatoare;

a.3) sisteme de excitatie cu masini de c.c. survoltoare - devoltoare

Din grupa b) se deosebesc:

b.1) sisteme cu reglarea excitatiei generatorului principal;

b.2) sisteme cu reglarea excitatiei generatorului auxiliar.

Din grupa c) se disting:

c.1) sisteme cu reglare prin circuite magnetice;

c.2) sisteme cu redresare necomandata;

c.3) sisteme cu redresare comandata.

A. Sisteme de excitatie cu masini electrice pentru alimentarea infasurarii de excitatie a generatoarelor sincrone

Sistemele de excitatie a excitatoarei cu redresoare de putere sunt tot mai mult utilizate de firmele straine, in fig.6.32 este reprezentata simplificat varianta SEMIPOL S apartinand firmei AEG.

B. Scheme de excitatie cu redresoare cu semiconductoare

Firma Alsthom (Franta) a realizat schema din fig.6.33 descrisa in cadrul ofertei prezentate pentru echiparea hidrogeneratoarelor de la UHE Portile de Fier (190 MVA si turatie 71,5 rot/min). Schema contine doua punti redresoare cu siliciu, care alimenteaza in serie infasurarea de excitatie a alternatorului G. Puntea cu diode de putere PD este alimentata de la transformatorul de compoundare TCP, al carui primar este situat pe partea dinspre neutru a infasurarilor statorice ale masinii sincrone. Acest dispozitiv permite mentinerea tensiunii de excitatie in caz de scurtcircuit. Cea de-a doua punte, puntea cu tiristoare PT, este alimentata de la un transformator de putere TP, legat la bornele alternatorului. Dispozitivul de comanda pe grila DC este controlat de un regulator electronic RE. Dezexcitarea se realizeaza trecand redresorul in regim de invertor; mai este prevazuta o rezistenta de descarcare Rd, pentru functionarea cu comanda manuala (cand comanda aprinderii tiristoarelor nu se mai executa automat).

C.     Sisteme de excitatie si reglare a tensiunii pentru generatoare sincrone

Daca pentru puteri pana la 150 - 200 MW mai persista solutiile clasice, cu excitatie cu masini de curent continuu rotative, pentru puteri peste 150 - 200 MW s-au impus solutiile moderne de excitatie cu sisteme statice (cu punti redresoare comandate, folosind fie diode de putere, fie tiristoare, IGBT-uri sau MCT). Alegerea uneia sau alteia dintre solutiile posibile se face atat pe baza consideratiilor de specific de retea, cat si pe baza posibilitatilor de fabricare sau procurare a sistemelor respective.

Continua perfectionare a redresoarelor comandate si ridicarea valorilor curentilor maximi de trecere ai acestora au asigurat obtinerea unor sisteme moderne de excitatie statica, in care comanda si controlul curentului de excitatie se realizeaza direct in circuitul de excitatie al alternatorului principal (alternatorul de putere) cu constante de timp practic nule, realizandu-se totodata raspunsuri rapide si foarte rapide.

a)     Varianta: excitatoare rotativa de c.c. Ex si altemator pilor Ap, pe acelasi ax cu altematorul principal A. Se foloseste un regulator automat de tensiune tranzistorizat, alimentat cu o combinatie fazoriala tensiune - curent, ce este realizata cu ajutorul unor transformatoare de tensiune TT si de curent TC, montate la bornele alternatorului principal (fig.6.34).

b)     Varianta: alternator de excitatie A_Ex care alimenteaza o punte redresoare PD cu diode de mare putere, instalata in circuitul de excitatie al alternatorului principal A. Excitatia alternatorului de excitatie contine la randul ei o punte redresoare trifazata cu tiristoare PT de mica putere, comandate de acelasi regulator automat de tensiune tranzistorizat (RAT), descris mai sus. Puntea PT este alimentata de un alternator pilot auxiliar A_ap; acesta este o masina sincrona, folosind o sursa auxiliara pentru propria excitatie (fig.6.35).

c)     Varianta: alternator auxiliar de excitatie A_Ex, care alimenteaza excitatia generatorului principal A printr-o punte trifazata cu diode de calitate (de ex. cu siliciu) si de mare putere. Regulatorul automat de tensiune (RAT) comanda excitatia alternatorului auxiliar printr-o punte cu tiristoare PT, alimentata de la un transformator de excitatie T_Ex, legat la bornele alternatorului principal (fig.6.36).

d)        Varianta: excitatia alternatorului principal A se face cu redresoare de putere comandate (diode si tiristoare), plasate direct in circuitul de excitatie al acestuia si alimentate de la o retea auxiliara de curent alternativ (fig.6.37).

e)     Varianta excitatia alternatorului A se face prin intermediul unor redresoare (RC si RE) alimentate in compoundaj de la transformatorul de excitatie serie si paralel T_Exs si T_Exp care culeg curent, respectiv tensiune, de la bornele alternatorului. Regulatorul automat de tensiune tranzistorizat RAT, analog celor folosite de celelalte variante prezentate, comanda tiristoarele puntii mixte trifazate PDT. Aceasta varianta este cunoscuta sub numele de excitatie statica compound (fig.6.38).

Comparativ, schemele din fig.6.37, 6.38 prezinta avantajul ca, lipsind altematoarele de excitatie (suplimentare sau pilot) pe acelasi ax cu alternatorul principal, lungimea grupului este mult mai mica, reprezentand economii importante la constructia salii masinilor. Viteza de raspuns la perturbatii este mare, schemele functioneaza bine si la defecte cu durata prelungita, in schimb, ele prezinta dezavantajul existentei acestor transformatoare pentru excitatie (t_Ex) care sunt supradimensionate.

In concluzie, tendintele in alegerea excitatiei generatoarelor sincrone s-au indreptat in ultimii ani spre folosirea, aproape in exclusivitate, a masinilor generatoare fara inele si cu redresoare rotative, precum si a excitatoarelor statice, cu redresoare cu semiconductoare necomandate sau comandate. Sistemele de excitatie cu masini excitatoare de curent continuu reprezinta un stadiu definitiv depasit pentru grupurile de putere medie si mare (datorita dificultatilor legate de comutatia la perii, care limiteaza viteza de rotatie a axului turbogeneratorului, datorita vitezei de raspuns redusa si insuficientei sigurante in functionare).

D.     Sisteme de autoexcitatie pentru generatoare sincrone

Una din metodele modeme de rezolvare a problemei excitatiei generatoarelor sincrone este aceea a autoexcitatiei, metoda aplicata la generatoarele de puteri mici si medii. Reglarea tensiunii se realizeaza cu ajutorul tiristoarelor montate in circuitul de excitatie al generatoarelor.

Dezavantajul principal al sistemelor de autoexcitatie este insa utilizarea tiristoarelor direct in circuitul excitatiei; fiind supuse socurilor repetate de curent, acestea prezinta insa insuficienta siguranta in functionare.

Principiul autoexcitarii consta in faptul ca energia necesara excitarii masinii sincrone generatoare este luata de la barele generatorului respectiv, prin intermediul unuia sau a mai multor transformatoare electrice si apoi este redresata cu ajutorul unor punti redresoare.

a)    Sisteme de autoexcitatie cu redresare necomandata: reglarea propriu-zisa a tensiunii de excitatie este inlocuita prin autoreglarea pe baza principiului compoundarii (curentii mari, care apar la un scurtcircuit apropiat de bornele generatorului reglat, determina un curent suplimentar de excitatie, care conduce la cresterea tensiunii de excitatie, in raport cu valoarea inregistrata in momentul producerii defectului, in cazul descris in fig.6.39 compoundarea este asigurata de un transformator de compoundare, avand infasurarea secundara racordata la tensiunea pe faza. in acest fel, insumarea celor doua componente, de curent si de tensiune, ale compoundarii, se face in circuitul magnetic al TC. Pentru alimentarea infasurarii de excitatie se foloseste un transformator de adaptare (TA) si o punte trifazata cu diode RN. Aceasta schema nu permite reglarea tensiunii de excitatie. Acest tip de sisteme nu se mai utilizeaza in prezent decat pentru generatoarele sincrone de mica putere.

b)    Sisteme de autoexcitatie cu reglare prin circuite magnetice. Compoundarea la schema prezentata in fig.6.40 este asigurata de un transformator serie TS cu premagnetizare si un transformator derivatie TD, debitand prin inductantele nesaturate L un curent proportional cu tensiunea la bornele generatorului reglat. Schema cuprinde doua punti redresoare in paralel notate cu RN. Nici acest tip de scheme nu se mai utilizeaza decat la generatoare de mica si medie putere.

c)     Sisteme de autoexcitatie cu redresare comandata, in schema din fig.6.41 compoundarea este asigurata de un transformator serie si unul in derivatie, racordat la tensiunea pe faza prin reactante nesaturate. Secundarele celor doua transformatoare sunt inseriate, iar tensiunea rezultanta este redresata de o punte trifazata cu diode cu siliciu. De la un secundar aparte al TC se alimenteaza un redresor cu tiristoare, reprezentand redresarea comandata. Se poate remarca legarea in serie a celor dou punti comandata (RC) si necomandata (RN) - gama de reglare a tensiunii fiind:

Pentru asigurarea unei bune fortari a excitatiei, transformatoarele racordate la bornele generatorului reglat trebuie supradimensionate, ceea ce determina o slaba utilizare in regim normal de functionare si un factor de putere scazut pe partea de redresare. In compensatie, costul acestor sisteme de excitatie este redus (lipseste masina auxiliara, coaxiala cu generatorul sincron reglat).

Reglarea tensiunii prin contactor static comandat in circuitul de excitatie

Un sistem de reglare automata a tensiunii de excitatie pentru generatoarele sincrone, cu excitatoare de c.c. autoexcitata, cu caracter static in circuitul de excitatie al acesteia consta din:

transformatorul de sincronizare - TS;

amplificatorul de c.c.;

circuitul PID al regulatorului;

dispozitivul de comanda pe grila - DCG-S;

amplificatorul de iesire (inclusiv transformatoarele de impulsuri) AE-S;

sursa de tensiune stabilizata - STS;

traductorul de tensiune de pe calea de reactie - TR;

elementul de executie - EE este un contactor static conectat in paralel cu reostatul de reglaj manual al tensiunii de excitatie - R_m;

baterie de acumulatoare - BA pentru excitatia initiala;

ADR situat in circuitul de excitatie al generatorului sincron - GS.

Se utilizeaza un semnal unificat de tensiune continua de 10V. Prin intermediul transformatorului de curent TC se asigura statismul reglarii, cu o plaja de valori intre O si 10%.

Semnalul de eroare e_u determina la iesirea regulatorului marimea de comanda u_r. Aceasta, impreuna cu tensiunea de la transformatorul de sincronizare, se aplica dispozitivului de comanda pe grila DCG-S.

Complexul de comanda pe grila contine 4 DCG, cate doua DCG-S cu intrarile conectate in faza, pentru fiecare tiristor, in scopul asigurarii sincronizarii impulsurilor pe intreaga perioada a tensiunii de sincronizare.

in fig.6.42 este reprezentata generarea si sincronizarea impulsurilor de comanda de catre DCG, cand regulatorul comanda scaderea tensiunii de excitatie U_e.

Schema de sincronizare a DCG-S pe intreaga perioada a tensiunii de sincronizare u_s este aratata in fig.6.43. in momentele de coincidenta a marimii U_R, suprapusa peste o

tensiune constanta in DCG-S cu tensiunea in dinti de fierastrau (rezultata in urma aplicarii unui circuit de formare a tensiunii de sincronizare, la iesirea DCG) se obtin impulsuri de comanda, cu faza dependenta de amplitudinea semnalului U_r. Datorita sincronizarii impulsurilor pe intreaga perioada a tensiunii de sincronizare, acestea au frecventa dubla fata de tensiunea de sincronizare (f_s = 50Hz). Impulsurile sunt apoi amplificate in AE-S si aplicate - prin transformatoarele de impulsuri - pe grilele de comanda a tiristoarelor din componenta contactorului static EE.

Functiile de transfer ale sistemului de excitatie masina sincrona

Functia de transfer a sistemului de excitatie

Daca masina este echipata cu un regulator de tensiune cu functionare continua, considerand schema din fig.6.44 avem:

si  reprezinta tensiunea de referinta, deci:

  (6.45)

Un detector de tensiune, cu functia de transfer H-i(s), masoara tensiunea la iesire v_t si furnizeaza o tensiune proportionala cu aceasta. Excitatia este data de o functie:

(6.46)

Pentru o mica variatie, in jurul unui punct de functionare caracterizat prin valorile V_fd0, V_d0 si V_q0 se poate efectua o liniarizare:

(6.47)

sau

cu valoarea:

  (6.48)

iar , , in ipoteza unei sarcini pur ohmice:

Tensiunea de excitatie se poate scrie ca fiind suma dintre excitatia la momentul Vf_do si tensiunea de corectie, rezultata din actiunea regulatorului H₂(s):

(6.49)

Rezulta:

(6.50)

Daca se admite ca si . se obtine:

(6.51)

Ecuatia caracteristica este o ecuatie de ordinul patru (pentru masina sincrona fara amortizare):

  (6.52)

Daca se neglijeaza fenomenele pe axa in cuadratura, ecuatia devine o ecuatie de ordinul 3. Cu ajutorul acestei ecuatii se poate calcula variatia tensiunii la iesire, pentru un generator sincron echipat cu regulator de excitatie cu functionare continua.

6.7. Reglarea automata a frecventei si puterii active in sistemul

energetic (RAFP)

6.7.1. Necesitatea si avantajele RAFP

Abaterile admisibile ale frecventei, prevazute de norme, sunt sensibil mai reduse decat cele admise pentru tensiune; astfel, se accepta variatii ale frecventei de cel mult (±0,2Hz) fata de frecventa etalon f₀ de 50Hz, revenind procentual o abatere admisibila de frecventa:

Din punctul de vedere al dependentei de frecventa alimentarii, consumatorii de energie electrica se clasifica in patru categorii. Daca P_c1, P_c2 reprezinta puterile active consumate la frecventele de alimentare f₁, respectiv f₂, se poate scrie dependenta, in general:

,

de unde rezulta:

a)    pentru categoria l de consumatori: q=0, P_c2=P_c1=const. in aceasta categorie se situeaza consumatori de felul instalatiilor de iluminat, utilizarilor electro-casnice, cuptoarele electrice cu rezistenta sau arc, etc. la care puterea absorbita (consumata) nu variaza cu frecventa energiei electrice de alimentare;