Zeszyty problemowe Maszyny Elektryczne Nr 100/2013 cz. II 13

Transkrypt

1 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. 3 Sebatian Berhauen, Anrzej Boboń, Stefan Pazek Politechnika Śląka ESTYMACJA PARAMETRÓW MODELU GENERATORA SYNCHRONCZNEGO NA PODSTAWE ANALZY PRZEBEGÓW ZAKŁÓCENOWYCH W STANE OBCĄŻENA PRZY WYKORZYSTANU METODY ELEMENTÓW SKOŃCZONYCH ESTMATON OF SYNCHRONOUS GENERATOR MODEL PARAMETERS BASED ON ANALYSS OF DSTURBANCE WAVEFORMS UNDER LOAD CONDTONS WTH USE OF THE FNTE ELEMENT METHOD Abtract: n the work there i preente a fiel-circuit oel of a high power ynchronou generator which enable eterining the wavefor of electroagnetic uantitie in teay an tranient tate. Verification of the fiel-circuit oel wa perfore bae on coparion of the eaure an calculate with finite eleent etho wavefor at a tep change of the voltage regulator reference voltage of the generator operating uner no loa conition in Połaniec Power Plant. The ynaic wavefor of the generator operating in a power yte uner loa conition, in which the tranient tate wa caue by a tep change of the fiel voltage, were the bai for etiation of the generator oel electroagnetic paraeter. Etiation of the generator oel paraeter wa perfore with ue of the leat uare etho. Słowa kluczowe: generator ynchroniczny, etyacja paraetrów oelu, etoa eleentów kończonych Keywor: ynchronou generator, etiation of oel paraeter, finite eleent etho. Wtęp W baaniach yulacyjnych tanów ynaicznych Krajowego Syteu Elektroenergetycznego (KSE) najczęściej wykorzytywana jet baza paraetrów oeli ateatycznych zepołów wytwórczych, których wartości określone ą na potawie anych katalogowych i projektowych otarczanych przez proucentów eleentów kłaowych zepołów lub ą zacowane na potawie typowych anych publikowanych w opracowaniach naukowo-technicznych. Określone w taki poób wartości paraetrów oeli ateatycznych zepołów wytwórczych ą przybliżone, obarczone w wielu przypakach uży błęe i nie opowiaają aktualny wartościo paraetrów ekploatowanych zepołów. Wartości paraetrów poane przez proucentów nie uwzglęniają aktualnych warunków pracy zepołów wytwórczych, w ty także zian ich właściwości powoowanych ługotrwałą ekploatacją, reontai i oernizacją. W konekwencji wyniki baań yulacyjnych KSE, które ą potawą planowania jego rozwoju oraz analiz zagrożeń w czaie bieżącej ekploatacji ą niepewne. Obecnie uważa ię, że oelowanie polowoobwoowe generatorów ynchronicznych jet jeną z najokłaniejzych eto obliczeniowych ponieważ ożliwe jet uwzglęnienie itotnych zjawik elektroagnetycznych, elektroechanicznych oraz czynników ecyujących o właściwościach azyny, takich jak: nieliniowość charakterytyk agneowania rzeni agnetycznych, oziaływanie prąów wirowych w przewozących eleentach wirnika, ruch wirnika [3, 5, 7, ]. Główny czynnikie ograniczający zatoowanie oeli polowo-obwoowych w yulacjach yteów elektroenergetycznych jet ługi cza obliczeń i konieczność otępu o koputerów o użych ocach obliczeniowych. Moele takie ą jenak coraz częściej toowane o wyznaczania paraetrów oeli obwoowych azyn ynchronicznych. Obliczenia polowoobwoowe ogą być wykonane na etapie projektowania azyny, ogą również naślaować tety poiarowe niekiey barzo trune o przeprowazenia w warunkach ekploatacyjnych generatora.

2 4 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. W niniejzy artykule przetawiono wuwyiarowy, polowo-obwoowy oel generatora ynchronicznego użej ocy, uożliwiający wyznaczenie przebiegów wielkości elektroagnetycznych w tanach utalonych i nieutalonych. Weryfikację oelu polowo-obwoowego generatora przeprowazono w oparciu o porównanie zierzonego i obliczonego napięcia tojana po zakłóceniu w ukłazie regulacji napięcia generatora typu TWW-00- pracującego w Elektrowni Połaniec. Zweryfikowany oel polowo-obwoowy połużył o obliczenia przebiegów ynaicznych w tanie obciążenia generatora bęących potawą etyacji paraetrów elektroagnetycznych obwoowego oelu analizowanego generatora.. Moel polowo-obwoowy generatora ynchronicznego W obliczeniach tanu nieutalonego wykorzytano wuwyiarowy, polowoobwoowy oel generatora ynchronicznego, w który równania Kirchhoffa, opiujące tan elektroagnetyczny pozczególnych uzwojeń, powiązane ą z równaniai opiującyi rozkła przetrzenno-czaowy pola elektroagnetycznego. Równania opiujące rozkła pola elektroagnetycznego wynikają z równań Maxwella. Obliczenia polowo-obwoowe przeprowazono w olwerze Tranient prograu Maxwell-D la cylinrycznego generatora ynchronicznego użej ocy o natępujących anych znaionowych: S n = 35,5 MV A, P n = 00 MW, U n = 5,75 kv, n = 865 A, fn = 680 A, coφ n = 0,85. W oelu obliczeniowy uwzglęniono [,, 5, 6]: wuwyiarowy rozkła pola elektroagnetycznego w przekroju poprzeczny generatora, nieliniowe charakterytyki agneowania rzeni tojana i wirnika, tałą prękość wirowania wirnika, prąy wirowe inukowane w lity bloku i klinach żłobkowych wirnika. Poinięto natoiat: zjawiko wypierania prąu w uzwojeniach tojana i wirnika, prąy wirowe w pakiecie blach tojana. Ze wzglęu na powtarzalność rozkłau pola agnetycznego po każą parą biegunów, o obliczeń przyjęto przekrój poprzeczny azyny obejujący jeną poziałkę biegunową. Polową część oelu obliczeniowego generatora przetawiono na ry.. Rozważany przekrój poprzeczny oelu obliczeniowego generatora poano ykretyzacji za poocą trójkątnych eleentów kończonych rugiego rzęu. Na zewnętrznej powierzchni tojana (Г ) przyjęto zerowy warunek brzegowy Dirichleta la wektorowego potencjału agnetycznego. Na wóch pozotałych krawęziach Г i Г 3, oalonych o iebie o poziałkę biegunową, przyjęto warunki antyperioyczności potencjału. Г Г Г 3 Ry.. Obzar przekroju poprzecznego baanego turbogeneratora TWW-00- Obwoową część oelu obliczeniowego generatora przetawiono na ry.. Skłaa ię u t u t u 3 t E f R a R a R a R f L σc L σc L σc L σfc Ry.. Obwoy zewnętrzne ołączone o oelu polowego turbogeneratora ona z zewnętrznych obwoów elektrycznych ołączonych o uzwojeń zaoelowanych w części polowej. Obwoy te zawierają źróła zailania oraz rezytancje i inukcyjności

3 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. 5 rozprozenia czół uzwojeń [3], których nie uwzglęnia wuwyiarowy oel polowy. W obliczeniach tanu nieutalonego przyjęto tały krok całkowania równań w ziezinie czau Δt = 0,000. Na ry. 3 przetawiono iatkę eleentów kończonych kłaającą ię z eleentów trójkątnych. rzeczywitej i w oelu obliczeniowy. Konuktywności te ogą ulec ziano, pocza ługoletniej ekploatacji azyny. a) E f, V Ry. 3. Siatka eleentów kończonych 3. Weryfikacja poiarowa oelu polowo-obwoowego generatora ynchronicznego Baany generator TWW-00- zaintalowany w Elektrowni Połaniec, wypoażony jet w tatyczny ukła wzbuzenia. Tet przeprowazono na biegu jałowy generatora, przy tałej prękości wirowania wirnika równej n = 3000 obr/in. Zakłócenie, w potaci kokowej ziany (o 0 %) napięcia zaanego w regulatorze napięcia, zainicjowało tan nieutalony, pocza którego zarejetrowano przebiegi napięcia wzbuzenia oraz napięcia tojana generatora. Przebiegi tych napięć przetawiono na ry. 4. Napięcie wzbuzenia (ry. 4a) przyjuje wartości nieujene, co wynika z ziałania protownika wzbuzenia pracującego w ukłazie regulacji napięcia generatora. Na ry. 5 przetawiono porównanie obliczonego i zierzonego przebiegu napięcia tojana generatora. Na potawie porównania tych przebiegów twierza ię, że opracowany oel polowo-obwoowy generatora ynchronicznego TWW-00- w otatecznie okłany poób owzorowuje zjawika zachozące w azynie na biegu jałowy w tanach utalonych i nieutalonych. Pewne rozbieżności wyników obliczeń ze zierzonyi przebiegai napięcia tojana (zczególnie wioczne w tanach ynaicznych) ogą wynikać z oiennych wartości konuktywności elektrycznych litego bloku i klinów żłobkowych wirnika w azynie b) U, V t,.6 x t, Ry. 4. Zierzone przebiegi napięcia wzbuzenia (a) i napięcia tojana generatora (b) U, V.6 x POMAR t, Ry. 5. Porównanie obliczonego i zierzonego przebiegu napięcia tojana generatora TWW- 00-

4 6 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. 4. Moel ateatyczny generatora ynchronicznego Najważniejzy eleente zepołu wytwórczego jet generator ynchroniczny, który jet potawowy obiekte baań w niniejzy artykule. W proceie etyacji paraetrów wykorzytano obwoowy oel ateatyczny generatora wyrażony we wpółrzęnych Parka (, ), zawierający jeen zatępczy obwó tłuiący w wirniku w oi oraz wa obwoy zatępcze w oi. W oelu ty w poób przybliżony uwzglęniono zjawiko naycenia rzeni agnetycznych oraz poinięto napięcia tranforacji tojana oel GENROU [5, 8]. Moel ateatyczny azyny ynchronicznej wyrażony przez paraetry tanarowe (w jenotkach wzglęnych) w oi opiują równania: (a) E f U R R, a a E E, f a f t T0 k E, k σ t T, a a f f 0 σ E, k σ σ E 0 T 0 t k a w oi : (b) U R R, a a E, a k t T0 k E, k σ t T σ E, k σ σ a, a f a t k E T a k 0 σ Δ gzie:,, a σ a σ, U, U, U,, napięcie zacikowe tojana, napięcia i prąy tojana w oiach i azyny, E f, f napięcie i prą uzwojenia wzbuzenia, E, E iły elektrootoryczne rotacji proporcjonalne o opowienich truieni agnetycznych obwoów wirnika,,,,,, truienie przężone k k obwoów w oiach i wirnika i zatępczych obwoów tłuiących wirnika,,, a, a,,,, - reaktancje ynchroniczne, agneujące, przejściowe i poprzejściowe w oiach i, T, T, T, T tałe czaowe przejściowe i poprzejściowe przy otwarty obwozie tojana, R a, σ rezytancja i reaktancja rozprozenia tojana. 5. Metoyka etyacji paraetrów Paraetry oelu ateatycznego generatora ynchronicznego ożna wyznaczyć (w obu oiach) na potawie analizy przebiegów ynaicznych wywołanych zakłócenie utalonej pracy azyny. Potawą etyacji paraetrów ą przebiegi ynaiczne w tanie obciążenia generatora obliczone etoą eleentów kończonych. Obliczenia przeprowazono la generatora ynchronicznego pracującego w jenoazynowy yteie elektroenergetyczny, w który tan nieutalony wywołano kokową zianą napięcia wzbuzenia równą +5%E fn [0]. W oelu polowo-obwoowy założono, że w tanie utalony generator obciążony jet znaionową ocą czynną P n i bierną Q n, a ouł fazora przetrzennego napięcia tojana jet równy znaionoweu U n. Cza obliczeń tanów nieutalonych generatora wyznaczonych etoą eleentów kończonych jet barzo ługi, zate rozważania ograniczono o jenego rozaju zakłócenia pracy utalonej azyny. Na ry. 6 przetawiono ygnały wejściowe i wyjściowe oelu generatora, uwzglęniane w proceie etyacji paraetrów. Ry. 6. Sygnały oelu generatora ynchronicznego uwzglęniane w proceie etyacji paraetrów

5 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. 7 Dla rozpatrywanego przypaku przebiegi wielkości wejściowych oelu ateatycznego generatora przetawiono na ry. 7. W proceie etyacji, paraetry oelu ateatycznego azyny wyznacza ię w taki poób, aby zinializować funkcję celu w potaci błęu śreniokwaratowego poięzy przebiegai wzorcowyi (przebiegi obliczone ), a przebiegai obliczonyi za poocą oelu yulacyjnego la pozukiwanego wektora paraetrów P, który la rozważanego przypaku ożna przetawić w potaci P = [ R E f U a T 0 σ T 0 ]. a t, t, 5 0 U T 0 T 0 a t, t, 5 0 Ry. 7. Przebiegi wielkości wejściowych oelu ateatycznego generatora (napięcia wzbuzenia, napięć U, U, prękości kątowej wirnika) przy kokowej zianie napięcia wzbuzenia równej +5%E fn Do etyacji wykorzytano etoę najniejzych kwaratów. Błą śreniokwaratowy poięzy przebiegai wzorcowyi a przebiegai obliczonyi za poocą oelu yulacyjnego la pozukiwanego wektora paraetrów P określono w natępujący poób [4, 5, 9, ]: n ( P) i i i i i i i ( P) ( P) fi fi fi ( P) () wyjściowych obliczonych () oraz oelu obwoowego obliczonych la aktualnego zbioru paraetrów P (). 6. Wyniki etyacji paraetrów Minializację, błęu śreniokwaratowego, zefiniowaną wzore (), przeprowazono w oparciu o algoryt graientowy Levenberga - Maruarta z ograniczeniai, zawarty w Optiization Toolbox prograu Matlab. Wyniki obliczeń paraetrów elektroagnetycznych generatora zaiezczono w tabeli. Porównanie przebiegów prąów tojana w oiach i oraz prąu wzbuzenia obliczonych przy wykorzytaniu oelu polowoobwoowego () z przebiegai otrzyanyi z oelu obwoowego (MO), la obliczonego zbioru paraetrów, przetawiono na ry. 8. Tabela. Zetawienie wyników obliczeń paraetrów generatora ynchronicznego Paraetr a T 0 [] wartość,637 0,509 0,8 5,3 Paraetr T 0 [] a wartość 0,68,55 0,3547 0,35 Paraetr T 0 [] T 0 [] R a wartość,0 0,005 0,004 0,9 f MO MO MO t, Ry. 8. Porównanie przebiegów prąów tojana w oiach i oraz prąu wzbuzenia obliczonych na potawie oelu polowoobwoowego () i oelu obwoowego (MO) wywołane kokową zianą napięcia wzbuzenia o +5%E fn gzie:,, i fi, ( P), ( P), ( P) i i wartości chwilowe opowienich ygnałów fi i

6 8 Zezyty probleowe Mazyny Elektryczne Nr 00/03 cz. 7. Wnioki Z porównania przebiegów prąu tojana w oiach i oraz prąu wzbuzenia obliczonych na potawie oelu polowo-obwoowego z przebiegai obliczonyi na potawie oelu obwoowego la wyznaczonego zbioru paraetrów wynika, że oel obwoowy w otatecznie okłany poób owzorowuje baany generator ynchroniczny. Wioczne rozbieżności poięzy przebiegai obliczonyi na potawie oelu polowoobwoowego i oelu obwoowego ogą wynikać z przyjętych założeń uprazczających oelu obwoowego takich jak: poinięcie iły elektrootorycznej tranforacji, poinięcie inukcyjności ynaicznych. Opracowanie okłaniejzych obwoowych oeli ateatycznych generatora ynchronicznego bęzie przeiote alzych prac autorów. 8. Literatura [] Berhauen S., Boboń A., Pazek S.: Etyacja paraetrów elektroagnetycznych turbogeneratora na potawie zweryfikowanych poiarowo przebiegów obliczonych etoą eleentów kończonych. Przeglą Elektrotechniczny (Electrical Review), R. 86 Nr 8/00,.6-. [] Berhauen S., Boboń A., Pazek S.: Metoyka wyznaczania paraetrów elektroagnetycznych azyny ynchronicznej na potawie przebiegów nieutalonych wyznaczonych etoą eleentów kończonych na biegu jałowy. LV Mięzynaroowe Sypozju Mazyn Elektrycznych, SME009, Rzezów-Kraiczyn Zezyty Probleowe Mazyny Elektryczne BOBRME Nr. 83, Katowice 009, [3] Berhauen S., Boboń A., Pazek S.: Weryfikacja polowo-obwoowego oelu generatora ynchronicznego na potawie zierzonych przebiegów nieutalonych. Archiwu Energetyki To, 009 Nr, [4] Berhauen S., Pazek S.: Etyacja paraetrów oelu generatora ynchronicznego pracującego w wieloazynowy yteie elektroenergetyczny. Przeglą Elektrotechniczny 0, Nr 8, [5] Berhauen S.: Metoy etyacji paraetrów elektroagnetycznych generatorów ynchronicznych na potawie przebiegów w tanie obciążenia. Praca oktorka, Gliwice, 0. [6] Boboń A., Berhauen S.: Etiation of ynchronou achine paraeter uing hort-circuit current calculate by the finite eleent etho. V nternational Sypoiu on Electric Machinery in Prague, SEM008, 0- Sep 008, Prague, pp [7] Boboń A., Kuła J., Żywiec A.: Paraetry elektroagnetyczne azyny ynchronicznej. Wykorzytanie etoy eleentów kończonych. Monografia, Wyawnictwo Politechniki Śląkiej, Gliwice, 998. [8] e Mello F.P., Hannett L.H.: Valiation of Synchronou Machine Moel an Derivation of Moel Paraeter fro Tet. EEE Tranaction on Power Apparatu an Syte, Vol.00, No., Feb. 98, pp [9] Jahroi, M.E.; Firouzi, B.; Ranjbar, A.M.: Poibility of large ynchronou generator paraeter etiation via on-line fiel tet uing genetic algorith. Power nia Conference, 006 EEE, 0- April 006 Page(): 6 pp. [0] Kuła J., Berhauen S.: Ocena ożliwości etyacji paraetrów oeli ateatycznych generatorów ynchronicznych na potawie przebiegów w tanie obciążenia. Prace Naukowe Politechniki Śląkiej, er. Elektryka Z.3 (03), Wyawnictwo Politechniki Śląkiej, Gliwice 007, [] Pazek S.: Wybrane etoy oceny i poprawy tabilności kątowej yteu elektroenergetycznego. Wyawnictwo Politechniki Śląkiej, Monografia, Gliwice 0. [] Reece A.B.J., Preton T.W.: Finite eleent etho in electrical power engineering. Oxfor Univerity Pre, 000. [3] Turowki J.: Obliczenia elektroagnetyczne azyn i urzązeń elektrycznych. Wyawnictwa Naukowo-Techniczne, Warzawa 98. Autorzy Dr inż. Sebatian Berhauen Sebatian.Berhauen@poll.pl Dr inż. Anrzej Boboń Anrzej.Bobon@poll.pl Prof. r hab. inż. Stefan Pazek Stefan.Pazek@poll.pl Politechnika Śląka, ntytut Elektrotechniki i nforatyki, Gliwice, ul. Akaeicka 0A Recenzent prof. r hab. inż. Luwik Antal