Патент на изобретение №2176849

(54) СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТУРБИНА – ГЕНЕРАТОР

(57) Реферат:

Изобретение относится к способу и устройству регулирования системы турбина – генератор. В соответствии с заявленным способом и устройством к исполнительному звену турбины подводят первое регулирующее воздействие, а к исполнительному звену возбудителя второе регулирующее воздействие, причем регулирующие воздействия формируют из по меньшей мере одной опорной величины (P,U). Для обеспечения надежного регулирования первое регулирующее воздействие для исполнительного звена турбины составляют по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий, причем одно из двух частичных регулирующих воздействий отводят из опорной величины U для образования второго регулирующего воздействия для исполнительного звена возбудителя. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способу для регулирования системы турбина – генератор, при котором к исполнительному звену турбины подводят первое регулирующее воздействие, а к исполнительному звену возбудителя второе регулирующее воздействие, причем регулирующие воздействия формируют из по меньшей мере одной опорной величины. Изобретение направлено также на устройство регулирования, работающее по этому способу.

Исходя из простого механического регулятора числа оборотов для турбины и электромеханического регулятора напряжения для генератора регулирующие приборы и устройства регулирования на электростанциях, например в газопаротурбинных установках, со временем постоянно улучшались и приводились в соответствие с развитием техники.

При известном способе регулирования количество втекающей в турбину рабочей среды управляется через исполнительное звено турбины, регулирующее воздействие которого формируют в контуре регулирования из отклонения действительной мощности генератора и заданной мощности. В другом контуре регулирования из отклонения действительного напряжения генератора и заданного напряжения формируют другое регулирующее воздействие, которое подводят к исполнительному элементу возбудителя, управляющему током возбуждения генератора.

Через объект регулирования, выполненный из турбины, генератора и питаемой от генератора сети, контуры регулирования воздействуют друг на друга. Это может привести к тому, что при переходных процессах контуры регулирования работают против друг друга при ухудшении общей регулировочной характеристики. Для компенсации этого влияния в известном способе к исполнительному звену возбудителя подводят в качестве частичного регулирующего воздействия величину коррекции, выведенную из мощности генератора.

Таким образом компенсируют колебания сети или изменения частоты скольжения и подавляют качания мощности. Подобные качания мощности появляются, в частности, в силовых установках, которые связаны длинными линиями с объединенной энергосистемой. Схема для подавления качаний мощности в сетях описана, например, в патенте ФРГ DE-PS- 2851871.

При применении паровой турбины упрощенное предположение динамической развязки контуров регулирования является еще достаточным для описания всей системы. В противоположность этому при применении газовой турбины вследствие относительно малых по сравнению с паровой турбиной задержек или времен реакции газовой турбины появляются нежелательные связи, которые могут приводить к устранению демпфирования раздельных систем регулирования. Подобные проблемы связи возникают также в установках с многими турбогенераторными агрегатами, в частности в газопаротурбинных установках. Хотя с помощью упомянутой схемы для подавления качаний мощности, которая реализована в так называемом приборе защиты от качаний, и достигается известное влияние контура регулирования турбины на контур регулирования генератора. Тем не менее оба контура регулирования работают раздельно друг от друга.

В основе изобретения лежит задача дальнейшего усовершенствования устройства регулирования названного вида для достижения надежного регулирования системы турбина – генератор.

Относительно способа эта задача согласно изобретению решается за счет того, что первое регулирующее воздействие для исполнительного звена турбины составляют по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий, причем одно частичное регулирующее воздействие отводят из опорной величины для образования второго регулирующего воздействия для исполнительного звена возбудителя.

В предпочтительном дальнейшем развитии способа согласно изобретению регулирующее воздействие для исполнительного звена возбудителя также составляют по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий, причем одно частичное регулирующее воздействие отводят из опорной величины для образования регулирующего воздействия для исполнительного звена турбины.

Для улучшения регулирования относительно динамики всей системы предпочтительно измеряют число оборотов турбины и/или при связи системы турбина – генератор с объединенной энергосистемой частоту генератора. Регулирующие воздействия тогда предпочтительно составлены из трех частичных регулирующих воздействий. При этом одно из трех частичных регулирующих воздействий отводят из опорной величины, образованной из отклонения от заданного числа оборотов или соответственно от частоты сети. Чтобы избежать возникновения неопределенных состояний в результате несоответствия трех регулируемых величин и двух регулирующих воздействий, предпочтительно взаимно связывают образованные из отклонения частоты и из отклонения отдаваемой мощности генератора от требуемой мощности генератора опорные величины. При этом связь предпочтительно осуществляют через звенья задержки.

В части устройства регулирования, которое содержит регулятор, к которому в качестве входных величин подведены действительные значения мощности генератора и напряжения генератора и который выдает исполнительному звену турбины первое регулирующее воздействие и исполнительному звену возбудителя второе регулирующее воздействие, причем регулирующие воздействия образованы из по меньшей мере одной опорной величины, задача согласно изобретению решается средствами для связи по меньшей мере двух частичных регулирующих воздействий, которые вместе образуют первое регулирующее воздействие для исполнительного звена турбины, причем одно частичное регулирующее воздействие отведено из опорной величины для образования второго регулирующего воздействия для исполнительного звена возбудителя.

В целесообразном выполнении устройства регулирования оно содержит дополнительные средства для связи двух других частичных регулирующих воздействий, которые со своей стороны образуют вместе второе регулирующее воздействие для исполнительного звена возбудителя, причем одно из этих частичных регулирующих воздействий отведено из опорной величины для образования регулирующего воздействия для исполнительного звена турбины.

Необходимые для подготовки регулирующих воздействий для исполнительного звена турбины и исполнительного звена возбудителя функции, которые описывают соответствующее влияние мощности, напряжения генератора и частоты генератора или числа оборотов турбины на регулирующие воздействия, целесообразно объединены в виде алгоритма в одном единственном регуляторе.

Достигаемые изобретением преимущества состоят, в частности, в том, что путем взаимной передачи опорных величин контуров регулирования турбины и генератора через частичные регулирующие воздействия может иметь место связь между воздействующими друг на друга контурами регулирования. Необходимые для этого функции могут быть реализованы в виде алгоритма в одном единственном регуляторе. Подобный регулятор обозначают как регулятор двух или нескольких величин.

Пример выполнения изобретения поясняется более подробно с помощью чертежа. При этом на чертеже показана блок-схема устройства регулирования для системы турбина – генератор.

Система турбина – генератор 1 содержит турбину 2, которая через вал 4 приводит в действие генератор 6. Генератор 6 питает при закрытом блокировочном выключателе 5 сеть питания 7. Турбина 2 может представлять собой газовую или паровую турбину.

Для регулирования втекающего в турбину 2 потока рабочей среды а предусмотрено исполнительное звено 8 в виде одного вентиля или множества вентилей.

Вращающаяся часть возбудителя 14 генератора 6 возбуждается расположенной в статоре обмоткой возбуждения 16. Не представленный на чертеже вспомогательный возбудитель через исполнительное звено возбудителя 18 в виде тиристорного блока питает обмотку возбуждения 16. Исполнительное звено возбудителя 18 образует необходимый для возбуждения изменяемый постоянный ток или ток возбуждения g.

К устройству регулирования или к регулятору турбоагрегата или регулятору нескольких величин 20 в качестве входных величин подводятся действительные значения мощности генератора P_i, напряжения генератора U_i, а также числа оборотов турбины n_i или частоты генератора f_i. Введенными в регулятор нескольких величин 20 величинами являются также заданные значения мощности генератора P_s, напряжения генератора U_s и число оборотов турбины n_s. Другие, обозначенные стрелкой 22 входные величины, представляют собой задающие воздействия, например частоту сети f_s, граничные регулирующие воздействия и команды из пункта управления электростанции. Выдаваемые регулятором нескольких величин 20 регулирующие воздействия ST и SE задаются исполнительному звену турбины 8 или соответственно исполнительному звену возбудителя 18.

Регулирующие воздействия ST и SE составляют из частичных регулирующих воздействий ST₁ до ST₃ или соответственно SE₁ до SE₃, которые отведены с помощью конструктивных элементов 30 – 35 для образования передаточных функций F_f1, F_P1 и F_U1 или соответственно F_f2, F_P2 и F_U2 соответственно из опорной величины f или n, P, U. Передаточные функции F такого вида, например, описаны в IEEE Transactions on Automatic Control, том AC-25, N 3, 1980, в работе авторов Desoer, с., R.-W. Liu, J. Murray, R. Saeks под названием “Выполнение системы обратной связи: частичное представление пути решения для анализа и синтеза”, а также в диссертации Muller, К.: “Способ проектирования для самоустанавливающейся надежной системы регулирования”, Технический университет Брауншвейг, 1989. Подробности к этому находятся также в “Архиве по электротехнике”, 76(1992), 49-58, издательство Springer. Опорные величины f или P, U получают путем образования разницы между действительными значениями f_i или n_i, P_i или соответственно U_i и заданными значениями f_s или n_s, P_s или соответственно U_s в опорных точках 40, 41, 42. При этом значения предпочтительно сначала преобразуют с помощью (не показанных на чертеже) аналого-цифровых преобразователей в цифровые значения.

При закрытом блокировочном выключателе 5 опорные величины f и P связывают друг с другом взаимно или двояким образом. Для этого образованную из отклонения действительной мощности P_i от заданной мощности P_s опорную величину P через звено задержки 24 складывают с опорной величиной f в точке суммирования 50. Кроме того образованную из отклонения частоты генератора f_i от частоты сети f_s опорную величину f суммируют через звено задержки 26 с опорной величиной P в точке суммирования 51.

Вследствие неизбежной сложности регулятора нескольких величин 20, в частности шести передаточных функций F, для регулирования применяют выполняемые вычислительной машиной алгоритмы (программы для вычислительных машин). При этом алгоритм регулирования учитывает также случай, когда регулируемая величина достигает граничное значение, или когда, например, во время процесса ввода в действие энергетической установки включено только управляющее контуром регулирования турбины исполнительное звено турбины 8. Переключение на комбинированное регулирование, которое применяется при питании части возбуждения 14 через обмотку возбуждения 16 и тем образом при установлении напряжения генератора U, является возможным в любое время. При этом имеет место посредством шести передаточных функций F связь между контуром регулирования турбины и контуром регулирования генератора, причем тогда исполнительное звено возбудителя 18 устанавливает изменяющийся ток возбуждения g.

Внутри регулятора нескольких величин 20 из частичных регулирующих воздействий ST₁ до ST₃ с помощью логического элемента 19 составляют регулирующее воздействие ST для исполнительного звена турбины 8. При этом влияние отклонения U действительного значения напряжения генератора U_i от заданного значения U_s на регулирующее воздействие ST реализуется посредством передаточной функции F_U1. Влияние отклонения f частоты генератора f_i от частоты сети f_s на регулирующее воздействие ST реализуется посредством передаточной функции F_f.

Соответственно из частичных регулирующих воздействий SE₁ до SE₃ с помощью другого логического элемента 21 составляют регулирующее воздействие SE для исполнительного звена возбудителя 18. При этом влияние отклонения P действительного значения P_i мощности генератора P от заданного значения P_s и отклонения частоты f на регулирующее воздействие ST реализуется посредством передаточных функций F_U1 или соответственно F_f2. Составленные из частичных регулирующих воздействий регулирующие воздействия ST и SE задаются исполнительным звеньям 8, 18 через звенья задержки 28 или соответственно 30.

Учет отклонения частоты f при образовании регулирующих воздействий ST, SE позволяет улучшить регулирование относительно динамики контура регулирования, составленного из турбины 2, генератора 6 и сети 7. Кроме того путем взаимной или двоякой связи опорных величин P и f через звенья задержки 24 или соответственно 26 обеспечивается то, что вследствие несоответствия трех регулируемых величин f, P, U и двух регулирующих воздействий ST, SE не возникают никакие неопределенные состояния. Звенья задержки 24, 26 в связи оказывают влияние только на стационарное состояние; они не должны учитываться в проекте регулирования.

В процессе эксплуатации износ или загрязнение конструктивных элементов, а также сдвиги рабочей точки и переключения сети могут приводить к непредвиденным, оцениваемым только по порядку величины изменениям в объекте регулирования. Поэтому алгоритм регулирования регулятора нескольких величин 20 должен быть нечувствительным или надежным относительно изменений такого вида в объекте регулирования. Так как поведение объекта регулирования при переключении с одного рабочего средства для турбины 2 на другое, а также при переходе с режима объединенной энергосети на режим островковой сети может очень сильно изменяться, в регулятор нескольких величин 20 встроена стратегия адаптации. При этом установка регулятора нескольких величин 20 производится с учетом опытных результатов, полученных при вводе в эксплуатацию и при моделировании, которые учтены в форме уравнений модели, например, в передаточных функциях F. Подстройка регулятора нескольких величин 20 происходит таким образом на основе как измеряемых, так и полученных расчетным путем параметров процесса.

Качество регулирования регулятора нескольких величин 20 во время эксплуатации автоматически оценивается. Оценка выполнена многоступенчатой. На первом этапе изизмеренных значений вычисляют не измеряемые величины, например реактивное сопротивление сети, и аналитически определяют параметры. На втором этапе сравнивают эти расчетные значения с опытными значениями, которые имеются в подходящей форме в регуляторе нескольких величин 20. При этом оценка производится в приближении к принципу fuzzy logic на основе операций сравнения с нечеткими диапазонами.

Формула изобретения

1. Способ регулирования системы турбина – генератор, при котором на исполнительное звено турбины подают первое регулирующее воздействие, а на исполнительное звено возбудителя подают второе регулирующее воздействие, причем регулирующие воздействия формируют из по меньшей мере одной величины сравнения, отличающийся тем, что первое регулирующее воздействие для исполнительного звена турбины формируют по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий, при этом одно из двух частичных регулирующих воздействий получают из величины сравнения для образования второго регулирующего воздействия для исполнительного звена возбудителя, регулирующее воздействие для исполнительного звена возбудителя формируют по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий, при этом одно из двух частичных регулирующих воздействий получают из величины сравнения для формирования первого регулирующего воздействия для исполнительного звена турбины, причем в качестве величины сравнения для формирования первого регулирующего воздействия используют отклонение мощности генератора, а в качестве величины сравнения для формирования второго регулирующего воздействия используют отклонение напряжения генератора.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первое и второе регулирующее воздействие соответственно формируют из трех частичных регулирующих воздействий, при этом одно частичное регулирующее воздействие получают из величины сравнения, образованной из отклонения действительного числа оборотов от заданного числа оборотов турбины.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при связи системы турбина – генератор с объединенной энергосетью первое и второе регулирующие воздействия соответственно формируют из трех частичных регулирующих воздействий, при этом одно частичное регулирующее воздействие получают из величины сравнения, образованной из отклонения частоты генератора от частоты сети.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величины сравнения, образованные из отклонения частоты генератора от частоты сети и из отклонения действительной мощности от заданной мощности генератора, являются взаимно связанными.

5. Устройство регулирования системы турбина – генератор, содержащее регулятор (20), на который в качестве входных величин подаются действительные значения мощности (Р) генератора и напряжения (U) генератора и который выдает на исполнительное звено (8) турбины первое регулирующее воздействие (ST) и на исполнительное звено (18) возбудителя – второе регулирующее воздействие (SE), причем первое регулирующее воздействие (ST) образовано по меньшей мере из первой величины сравнения (Р), и второе регулирующее воздействие (SE) образовано по меньшей мере из второй величины сравнения (U), отличающееся тем, что содержит первое звено связи (19) для образования первого регулирующего воздействия (ST) для исполнительного звена турбины по меньшей мере из двух частичных регулирующих воздействий (ST₂, ST₃), причем первое частичное регулирующее воздействие (ST₂) получено из образованной в первой точке сравнения (41) первой величины сравнения (Р), а второе частичное регулирующее воздействие (ST₃) получено из образованной во второй точке сравнения (42) второй величины сравнения (U), используемой для формирования второго регулирующего воздействия для исполнительного звена возбудителя, а также содержит второе звено связи (21) для образования второго регулирующего воздействия (SE) для исполнительного звена возбудителя по меньшей мере из двух других частичных регулирующих воздействий (SE₂, SE₃), причем одно частичное регулирующее воздействие (SE₂) получено из образованной во второй точке сравнения (42) второй величины сравнения (U), а другое частичное регулирующее воздействие (SE₃) получено из образованной в первой точке сравнения (41) первой величины сравнения (Р), используемой для формирования первого регулирующего воздействия для исполнительного звена турбины.

РИСУНКИ