Generatorsvinghjulseffekt og stabilitet af turbineregulatorsystemGeneratorsvinghjulseffekt og stabilitet af turbineregulatorsystemGeneratorsvinghjulseffekt og stabilitet af turbineregulatorsystemGeneratorsvinghjulseffekt og stabilitet af turbineregulatorsystem
Store moderne vandkraftgeneratorer har en mindre inertikonstant og kan have problemer med hensyn til stabiliteten i turbinens styringssystem. Dette skyldes turbinvandets opførsel, som på grund af sin inerti giver anledning til vandslag i trykrør, når styreenheder betjenes. Dette er generelt karakteriseret ved de hydrauliske accelerationstidskonstanter. I isoleret drift, når hele systemets frekvens bestemmes af turbinregulatoren, påvirker vandslaget hastighedsreguleringen, og ustabiliteten optræder som pendling eller frekvenssvingninger. Ved sammenkoblet drift med et stort system holdes frekvensen i det væsentlige konstant af sidstnævnte. Vandslaget påvirker derefter den effekt, der tilføres systemet, og stabilitetsproblemer opstår kun, når effekten styres i et lukket kredsløb, dvs. i tilfælde af de vandkraftgeneratorer, der deltager i frekvensregulering.
Stabiliteten af turbinregulatorgearet påvirkes i høj grad af forholdet mellem den mekaniske accelerationstidskonstant på grund af vandmassernes hydrauliske accelerationstidskonstant og af regulatorens forstærkning. En reduktion af ovenstående forhold har en destabiliserende effekt og nødvendiggør en reduktion af regulatorens forstærkning, hvilket påvirker frekvensstabiliseringen negativt. Derfor er en minimal svinghjulseffekt for roterende dele af en vandkraftenhed nødvendig, hvilket normalt kun kan opnås i generatoren. Alternativt kan den mekaniske accelerationstidskonstant reduceres ved at installere en trykaflastningsventil eller en udligningstank osv., men det er generelt meget dyrt. Et empirisk kriterium for en vandkraftgeneratorenheds hastighedsreguleringsevne kan baseres på enhedens hastighedsstigning, som kan finde sted ved afvisning af hele den nominelle belastning af enheden, der fungerer uafhængigt. For kraftenheder, der opererer i store sammenkoblede systemer, og som skal regulere systemfrekvensen, blev det procentvise hastighedsstigningsindeks som beregnet ovenfor anset for ikke at overstige 45 procent. For mindre systemer kan der opnås en mindre hastighedsstigning (se kapitel 4).
Længdesnit fra indtag til Dehar kraftværk
(Kilde: Forfatterens artikel – 2. verdenskongres, International Water Resources Association 1979) For Dehar-kraftværket vises det hydrauliske trykvandssystem, der forbinder balanceringslageret med kraftenheden, der består af vandindtag, tryktunnel, differentialudligningstank og pumpe. Ved at begrænse den maksimale trykstigning i pumpehusene til 35 procent blev den estimerede maksimale hastighedsstigning for enheden ved afvisning af fuld belastning beregnet til omkring 45 procent med en regulatorlukning.
en tid på 9,1 sekunder ved en nominel løftehøjde på 282 m (925 ft) med normal svinghjulseffekt fra generatorens roterende dele (dvs. kun fastsat ud fra temperaturstigningshensyn). I den første driftsfase blev hastighedsforøgelsen konstateret til ikke at være mere end 43 procent. Det blev derfor vurderet, at normal svinghjulseffekt er tilstrækkelig til at regulere systemets frekvens.
Generatorparametre og elektrisk stabilitet
Generatorparametrene, der har indflydelse på stabiliteten, er svinghjulseffekten, transient reaktans og kortslutningsforhold. I den indledende fase af udviklingen af et 420 kV EHV-system, som ved Dehar, kan stabilitetsproblemerne være kritiske på grund af et svagt system, lavere kortslutningsniveau, drift ved den førende effektfaktor og behovet for økonomi i forbindelse med levering af transmissionsudtag og fastsættelse af størrelse og parametre for generatorenheder. Indledende undersøgelser af transient stabilitet på netværksanalysator (ved hjælp af konstant spænding bag transient reaktans) for Dehar EHV-systemet indikerede også, at kun marginal stabilitet ville opnås. I den tidlige fase af designfasen af Dehar kraftværk blev det overvejet at specificere generatorer med normal
At optimere parametrene for andre involverede faktorer, især dem i excitationssystemet, ville være et økonomisk billigere alternativ. I en undersøgelse af det britiske system blev det også vist, at ændring af generatorparametre har en forholdsvis lille effekt på stabilitetsmarginerne. Derfor blev normale generatorparametre, som angivet i bilaget, specificeret for generatoren. De detaljerede stabilitetsundersøgelser, der er udført, er angivet.
Linjeopladningskapacitet og spændingsstabilitet
Fjernt placerede hydrogeneratorer, der bruges til at oplade lange, ubelastede EHV-ledninger, hvis opladning i kVA er mere end maskinens linjeopladningskapacitet. Maskinen kan blive selvexciteret, og spændingen kan stige ukontrolleret. Betingelsen for selvexcitering er, at xc < xd, hvor xc er den kapacitive belastningsreaktans, og xd er den synkrone direkte aksereaktans. Den nødvendige kapacitet til at oplade en enkelt 420 kV ubelastet linje E2/xc op til Panipat (modtagerenden) var omkring 150 MVAR ved nominel spænding. I andet trin, når en anden 420 kV linje af tilsvarende længde installeres, vil den nødvendige linjeopladningskapacitet til at oplade begge ubelastede ledninger samtidigt ved nominel spænding være omkring 300 MVAR.
Den tilgængelige netopladningskapacitet ved nominel spænding fra Dehar-generatoren, som angivet af udstyrets leverandører, var som følger:
(i) 70 procent nominel MVA, dvs. 121,8 MVAR linjeopladning er mulig med en minimum positiv excitation på 10 procent.
(ii) Op til 87 procent af nominel MVA, dvs. 139 MVAR linjeopladningskapacitet, er mulig med en minimum positiv excitation på 1 procent.
(iii) Op til 100 procent af den nominelle MVAR, dvs. 173,8 linjeladekapacitet, kan opnås med cirka 5 procent negativ excitation, og den maksimale linjeladekapacitet, der kan opnås med en negativ excitation på 10 procent, er 110 procent af den nominelle MVA (191 MVAR) i henhold til BSS.
(iv) Yderligere forøgelse af linjeopladningskapaciteten er kun mulig ved at øge maskinens størrelse. I tilfælde af (ii) og (iii) er manuel styring af excitationen ikke mulig, og der skal lægges fuld vægt på kontinuerlig drift af hurtigtvirkende automatiske spændingsregulatorer. Det er hverken økonomisk rentabelt eller ønskeligt at øge maskinens størrelse med det formål at øge linjeopladningskapaciteten. I overensstemmelse hermed blev det, under hensyntagen til driftsforholdene i den første driftsfase, besluttet at sørge for en linjeopladningskapacitet på 191 MVAR ved nominel spænding for generatorerne ved at give negativ excitation på generatorerne. Kritiske driftsforhold, der forårsager spændingsinstabilitet, kan også skyldes afbrydelse af belastningen i modtageren. Fænomenet opstår på grund af kapacitiv belastning på maskinen, som yderligere påvirkes negativt af generatorens hastighedsstigning. Selvexcitation og spændingsinstabilitet kan forekomme, hvis.
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Hvor Xc er den kapacitive belastningsreaktans, Xq er den synkrone reaktans på kvadraturaksen, og n er den maksimale relative overhastighed, der opstår ved belastningsafvisning. Denne tilstand på Dehar-generatoren blev foreslået at blive undgået ved at installere en permanent tilsluttet 400 kV EHV-shuntreaktor (75 MVA) i modtagerenden af linjen, ifølge detaljerede undersøgelser.
Spjældvikling
En spjældsviklings hovedfunktion er dens evne til at forhindre for store overspændinger i tilfælde af linje-til-linje-fejl med kapacitive belastninger og derved reducere overspændingsbelastningen på udstyret. Under hensyntagen til fjern placering og lange sammenkoblede transmissionsledninger blev fuldt forbundne spjældsviklinger med forholdet mellem kvadratur- og direkte aksereaktanser Xnq/Xnd på højst 1,2 specificeret.
Generatorkarakteristik og excitationssystem
Da generatorer med normale karakteristika var blevet specificeret, og foreløbige undersøgelser kun indikerede marginal stabilitet, blev det besluttet at anvende højhastigheds statisk excitationsudstyr for at forbedre stabilitetsmarginerne og dermed opnå den mest økonomiske samlet set udstyrsopsætning. Detaljerede undersøgelser blev udført for at bestemme optimale karakteristika for det statiske excitationsudstyr, hvilket diskuteres i kapitel 10.
Seismiske overvejelser
Dehar-kraftværket ligger i en seismisk zone. Følgende bestemmelser i designet af vandkraftværket i Dehar blev foreslået i samråd med udstyrsproducenterne og under hensyntagen til de seismiske og geologiske forhold på stedet samt rapporten fra Koyna-jordskælvsekspertudvalget, der er nedsat af den indiske regering med hjælp fra UNESCO.
Mekanisk styrke
Dehar-generatorer skal være konstrueret til sikkert at modstå den maksimale jordskælvsaccelerationskraft, både i lodret og vandret retning, som forventes ved Dehar, der virker i maskinens centrum.
Naturlig frekvens
Maskinens egenfrekvens skal holdes langt væk (højere) fra den magnetiske frekvens på 100 Hz (dobbelt så høj som generatorfrekvensen). Denne egenfrekvens skal være langt væk fra jordskælvsfrekvensen og kontrolleres for tilstrækkelig margin i forhold til jordskælvets dominerende frekvens og det kritiske rotationssystems hastighed.
Generator statorstøtte
Generatorens statorfundament og de nedre tryk- og styrelejer består af et antal bundplader. Bundpladerne er fastgjort til fundamentet sideværts ud over normal lodret retning med fundamentbolte.
Design af føringslejer
Styrelejer skal være af segmenttypen, og styrelejedelene skal være forstærket til at modstå fuld jordskælvskraft. Producenterne anbefalede yderligere at fastgøre den øverste beslag sideværts til tønden (generatorindkapslingen) ved hjælp af stålbjælker. Dette ville også betyde, at betontønden til gengæld skulle forstærkes.
Vibrationsdetektion af generatorer
Det anbefales at installere vibrationsdetektorer eller excentricitetsmålere på turbiner og generatorer for at udløse nedlukning og alarm, hvis vibrationerne på grund af jordskælv overstiger en forudbestemt værdi. Denne enhed kan også bruges til at detektere usædvanlige vibrationer i en enhed på grund af hydrauliske forhold, der påvirker turbinen.
Kviksølvkontakter
Kraftig rystelse på grund af jordskælv kan resultere i falsk udløsning, der starter nedlukning af en enhed, hvis der anvendes kviksølvkontakter. Dette kan undgås enten ved at specificere antivibrations-kviksølvkontakter eller, hvis det er nødvendigt, ved at tilføje tidsrelæer.
Konklusioner
(1) Der blev opnået betydelige besparelser i omkostningerne til udstyr og struktur på Dehar kraftværket ved at anvende store enhedsstørrelser under hensyntagen til nettets størrelse og dets indflydelse på systemets reservekapacitet.
(2) Omkostningerne til generatorer blev reduceret ved at anvende paraplydesign, hvilket nu er muligt for store højhastigheds-hydrogeneratorer på grund af udviklingen af højstyrkestål til rotorkantudstansning.
(3) Anskaffelse af generatorer med naturlig høj effektfaktor efter detaljerede undersøgelser resulterede i yderligere omkostningsbesparelser.
(4) Den normale svinghjulseffekt fra generatorens roterende dele ved frekvensreguleringsstationen i Dehar blev anset for tilstrækkelig til at sikre stabiliteten af turbinens regulatorsystem på grund af det store, sammenkoblede system.
(5) Særlige parametre for fjerngeneratorer, der forsyner EHV-netværk, for at sikre elektrisk stabilitet kan opfyldes af hurtigresponsive statiske excitationssystemer.
(6) Hurtigtvirkende statiske excitationssystemer kan give de nødvendige stabilitetsmargener. Sådanne systemer kræver dog stabiliserende feedbacksignaler for at opnå stabilitet efter fejl. Detaljerede undersøgelser bør udføres.
(7) Selvexcitation og spændingsinstabilitet i fjerntliggende generatorer, der er forbundet med nettet via lange EHV-ledninger, kan forhindres ved at øge maskinens linjeopladningskapacitet ved at ty til negativ excitation og/eller ved at anvende permanent tilsluttede EHV-shuntreaktorer.
(8) Der kan træffes foranstaltninger i forbindelse med designet af generatorer og deres fundamenter for at sikre mod seismiske kræfter til lave omkostninger.
Hovedparametre for Dehar-generatorer
Kortslutningsforhold = 1,06
Transient reaktans Direkte akse = 0,2
Svinghjulseffekt = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd ikke større end = 1,2
Udsendelsestidspunkt: 11. maj 2021
