Generatorvliegwieleffect en stabiliteit van het turbine-gouverneursysteemGeneratorvliegwieleffect en stabiliteit van het turbine-gouverneursysteemGeneratorvliegwieleffect en stabiliteit van het turbine-gouverneursysteemGeneratorvliegwieleffect en stabiliteit van het turbine-gouverneursysteem
Grote moderne waterkrachtcentrales hebben een kleinere traagheidsconstante en kunnen problemen ondervinden met de stabiliteit van het turbineregelsysteem. Dit komt door het gedrag van het turbinewater, dat door zijn traagheid waterslag veroorzaakt in drukleidingen wanneer regelapparatuur wordt bediend. Dit wordt over het algemeen gekenmerkt door de tijdconstanten van de hydraulische versnelling. Bij geïsoleerd bedrijf, wanneer de frequentie van het gehele systeem wordt bepaald door de turbineregelaar, beïnvloedt de waterslag de snelheidsregeling en treedt instabiliteit op als 'hunting' of frequentieschommelingen. Bij gekoppeld bedrijf met een groot systeem wordt de frequentie in wezen constant gehouden door de laatstgenoemde. De waterslag beïnvloedt vervolgens het aan het systeem geleverde vermogen en stabiliteitsproblemen ontstaan alleen wanneer het vermogen in een gesloten lus wordt geregeld, d.w.z. in het geval van waterkrachtcentrales die deelnemen aan de frequentieregeling.
De stabiliteit van turbineregelaars wordt sterk beïnvloed door de verhouding van de mechanische versnellingstijdconstante ten opzichte van de hydraulische versnellingstijdconstante van de watermassa's en door de versterking van de regelaar. Een reductie van de bovengenoemde verhouding heeft een destabiliserend effect en vereist een reductie van de versterking van de regelaar, wat de frequentiestabilisatie negatief beïnvloedt. Daarom is een minimaal vliegwieleffect voor roterende onderdelen van een waterkrachtcentrale noodzakelijk, wat normaal gesproken alleen in de generator kan worden gerealiseerd. Als alternatief kan de mechanische versnellingstijdconstante worden gereduceerd door het aanbrengen van een overdrukventiel of een buffervat, enz., maar dit is over het algemeen zeer kostbaar. Een empirisch criterium voor het vermogen van een waterkrachtcentrale om de snelheid te regelen, zou gebaseerd kunnen zijn op de snelheidsstijging van de centrale, die kan plaatsvinden bij het uitschakelen van de volledige nominale belasting van de centrale, die onafhankelijk werkt. Voor centrales die in grote onderling verbonden systemen werken en die de systeemfrequentie moeten regelen, werd de hierboven berekende procentuele snelheidsstijgingsindex beschouwd als niet hoger dan 45 procent. Voor kleinere systemen moet een kleinere snelheidsstijging worden voorzien (zie hoofdstuk 4).
Langsdoorsnede van inlaat tot elektriciteitscentrale Dehar
(Bron: Artikel van auteur – 2e Wereldcongres, International Water Resources Association 1979) Voor de elektriciteitscentrale Dehar wordt het hydraulische drukwatersysteem getoond dat de balancerende opslag verbindt met de energiecentrale, bestaande uit waterinlaat, druktunnel, differentiële overdruktank en afsluiter. Door de maximale drukstijging in de afsluiters te beperken tot 35 procent, kwam de geschatte maximale snelheidsstijging van de eenheid bij het afstoten van de volledige belasting uit op ongeveer 45 procent met een afsluiter.
Tijd van 9,1 seconden bij een nominale opvoerhoogte van 282 m (925 ft) met het normale vliegwieleffect van de roterende onderdelen van de generator (d.w.z. uitsluitend vastgesteld op basis van temperatuurstijging). In de eerste bedrijfsfase bleek de snelheidsstijging niet meer dan 43 procent te bedragen. Daarom werd aangenomen dat het normale vliegwieleffect voldoende is voor het regelen van de frequentie van het systeem.
Generatorparameters en elektrische stabiliteit
De generatorparameters die van invloed zijn op de stabiliteit zijn het vliegwieleffect, de transiënte reactantie en de kortsluitverhouding. In de beginfase van de ontwikkeling van het 420 kV EHV-systeem in Dehar kunnen stabiliteitsproblemen kritiek zijn vanwege het zwakke systeem, het lagere kortsluitniveau, de werking met de leidende vermogensfactor en de noodzaak tot zuinigheid bij het aanleggen van transmissiepunten en het vaststellen van de grootte en parameters van de opwekkingseenheden. Voorlopige studies naar de transiënte stabiliteit van de netwerkanalysator (met een constante spanning achter de transiënte reactantie) voor het EHV-systeem in Dehar gaven eveneens aan dat er slechts marginale stabiliteit zou worden bereikt. In de beginfase van het ontwerp van de elektriciteitscentrale in Dehar werd rekening gehouden met het specificeren van generatoren met normale
Het optimaliseren van de eigenschappen en het voldoen aan de stabiliteitseisen door parameters van andere betrokken factoren te optimaliseren, met name die van het excitatiesysteem, zou een economisch goedkoper alternatief zijn. Uit een onderzoek naar het Britse systeem bleek ook dat het wijzigen van generatorparameters relatief veel minder effect heeft op de stabiliteitsmarges. Dienovereenkomstig werden normale generatorparameters zoals weergegeven in de bijlage gespecificeerd voor de generator. De gedetailleerde uitgevoerde stabiliteitsstudies worden gegeven.
Lijnlaadcapaciteit en spanningsstabiliteit
Afgelegen waterkrachtcentrales worden gebruikt om lange onbelaste EHV-leidingen op te laden waarvan de laadkVA hoger is dan de lijnlaadcapaciteit van de machine. De machine kan hierdoor zelfopwinden en de spanning ongecontroleerd laten stijgen. De voorwaarde voor zelfopwinding is dat xc < xd, waarbij xc de capacitieve belastingsreactantie is en xd de synchrone directe asreactantie. De benodigde capaciteit voor het laden van één enkele onbelaste 420 kV-leiding E2 /xc tot aan Panipat (ontvangstzijde) was ongeveer 150 MVAR bij nominale spanning. In de tweede fase, wanneer een tweede 420 kV-leiding van gelijke lengte wordt geïnstalleerd, zou de benodigde lijnlaadcapaciteit om beide onbelaste leidingen gelijktijdig bij nominale spanning op te laden ongeveer 300 MVAR bedragen.
De beschikbare lijnlaadcapaciteit bij nominale spanning van de Dehar-generator, zoals opgegeven door leveranciers van de apparatuur, was als volgt:
(i)Een MVA-classificatie van 70 procent, d.w.z. 121,8 MVAR-lijnoplading is mogelijk met een minimale positieve excitatie van 10 procent.
(ii)Tot 87 procent van de nominale MVA, d.w.z. 139 MVAR-lijnlaadcapaciteit, is mogelijk met een minimale positieve excitatie van 1 procent.
(iii)Tot 100 procent van de nominale MVAR, d.w.z. 173,8 lijnlaadcapaciteit, kan worden verkregen met ongeveer 5 procent negatieve excitatie en de maximale lijnlaadcapaciteit die kan worden verkregen met een negatieve excitatie van 10 procent is 110 procent van de nominale MVA (191 MVAR) volgens BSS.
(iv) Verdere toename van de lijnlaadcapaciteit is alleen mogelijk door de machine te vergroten. In geval van (ii) en (iii) is handmatige bediening van de bekrachtiging niet mogelijk en moet volledig worden vertrouwd op de continue werking van snelwerkende automatische spanningsregelaars. Het is noch economisch haalbaar, noch wenselijk om de grootte van de machine te vergroten om de lijnlaadcapaciteit te vergroten. Dienovereenkomstig werd, rekening houdend met de bedrijfsomstandigheden in de eerste bedrijfsfase, besloten om te voorzien in een lijnlaadcapaciteit van 191 MVAR bij nominale spanning voor de generatoren door negatieve bekrachtiging op de generatoren te voorzien. Kritieke bedrijfsomstandigheden die spanningsinstabiliteit veroorzaken, kunnen ook worden veroorzaakt door het loskoppelen van de belasting aan de ontvangende kant. Het fenomeen treedt op als gevolg van capacitieve belasting op de machine, die verder negatief wordt beïnvloed door de snelheidsstijging van de generator. Zelfbekrachtiging en spanningsinstabiliteit kunnen optreden als...
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Waarbij Xc de capacitieve belastingsreactantie is, Xq de synchrone reactantie van de kwadratuuras en n de maximale relatieve oversnelheid die optreedt bij belastingsafwijzing. Deze situatie op de Dehar-generator werd ondervangen door een permanent aangesloten 400 kV EHV-shuntreactor (75 MVA) aan de ontvangende kant van de lijn te plaatsen, zoals blijkt uit gedetailleerde studies.
Demperwikkeling
De belangrijkste functie van een demperwikkeling is het voorkomen van overspanningen bij lijn-tot-lijn-storingen met capacitieve belastingen, waardoor overspanningsbelasting op de apparatuur wordt verminderd. Rekening houdend met afgelegen locaties en lange, onderling verbonden transmissielijnen, is een volledig aangesloten demperwikkeling gespecificeerd met een kwadratuur- en directe asreactantieverhouding Xnq/Xnd van maximaal 1,2.
Generatorkarakteristiek en excitatiesysteem
Nadat generatoren met normale eigenschappen waren gespecificeerd en voorlopige studies slechts een marginale stabiliteit aangaven, werd besloten om statische excitatieapparatuur met hoge snelheid te gebruiken om de stabiliteitsmarges te verbeteren en zo de meest economische opstelling van de apparatuur te bereiken. Gedetailleerde studies werden uitgevoerd om de optimale eigenschappen van de statische excitatieapparatuur te bepalen en worden besproken in hoofdstuk 10.
Seismische overwegingen
De elektriciteitscentrale van Dehar bevindt zich in een seismische zone. De volgende bepalingen in het ontwerp van de waterkrachtcentrale in Dehar werden voorgesteld in overleg met de fabrikanten van de apparatuur, rekening houdend met de seismische en geologische omstandigheden ter plaatse en het rapport van de Koyna Earthquake Expert Committee, samengesteld door de Indiase overheid met hulp van UNESCO.
Mechanische sterkte
Dehar-generatoren zijn zo ontworpen dat ze veilig de maximale versnellingskracht van een aardbeving in zowel verticale als horizontale richting kunnen weerstaan, die bij Dehar in het midden van de machine wordt verwacht.
Natuurlijke frequentie
De eigenfrequentie van de machine moet ver verwijderd (hoger) zijn van de magnetische frequentie van 100 Hz (tweemaal de generatorfrequentie). Deze eigenfrequentie zal ver verwijderd zijn van de aardbevingsfrequentie en gecontroleerd worden op voldoende marge ten opzichte van de overheersende aardbevingsfrequentie en de kritische snelheid van het roterende systeem.
Generator stator ondersteuning
De fundering van de generatorstator en het onderste druk- en geleidingslager bestaat uit een aantal bodemplaten. Deze bodemplaten zijn naast de normale verticale richting ook zijdelings aan de fundering bevestigd met funderingsbouten.
Geleiderolontwerp
De geleidelagers moeten segmentvormig zijn en de onderdelen van het geleidelager moeten versterkt zijn om de volledige aardbevingskracht te kunnen weerstaan. Fabrikanten adviseerden verder om de bovenste beugel zijdelings met stalen liggers aan de cilinder (generatorbehuizing) te verbinden. Dit zou betekenen dat de betonnen cilinder op zijn beurt versterkt zou moeten worden.
Trillingsdetectie van generatoren
Het werd aanbevolen om trillingsdetectoren of excentriciteitsmeters op turbines en generatoren te installeren om uitschakeling en alarmering te activeren wanneer de trillingen als gevolg van een aardbeving een vooraf bepaalde waarde overschrijden. Deze apparaten kunnen ook worden gebruikt om ongebruikelijke trillingen van een eenheid te detecteren die het gevolg zijn van hydraulische omstandigheden die de turbine beïnvloeden.
Kwikcontacten
Hevige trillingen door een aardbeving kunnen leiden tot een foutieve uitschakeling van een eenheid als er kwikcontacten worden gebruikt. Dit kan worden voorkomen door trillingsdempende kwikschakelaars te gebruiken of, indien nodig, tijdrelais toe te voegen.
Conclusies
(1) Aanzienlijke besparingen op de kosten van apparatuur en structuur in de elektriciteitscentrale van Dehar zijn verkregen door het aannemen van grote eenheden, rekening houdend met de omvang van het netwerk en de invloed daarvan op de reservecapaciteit van het systeem.
(2) De kosten van generatoren werden verlaagd door het toepassen van een paraplu-constructie, wat nu mogelijk is voor grote, hogesnelheidswatergeneratoren dankzij de ontwikkeling van staal met een hoge treksterkte voor het ponsen van rotorranden.
(3) De aanschaf van generatoren met een natuurlijke hoge vermogensfactor heeft na gedetailleerde studies geleid tot verdere kostenbesparingen.
(4) Het normale vliegwieleffect van de roterende delen van de generator bij het frequentieregelstation in Dehar werd als voldoende beschouwd voor de stabiliteit van het turbineregelaarsysteem vanwege het grote onderling verbonden systeem.
(5) Speciale parameters van afgelegen generatoren die EHV-netwerken voeden om de elektrische stabiliteit te garanderen, kunnen worden bereikt door statische excitatiesystemen met een snelle respons.
(6) Snelwerkende statische excitatiesystemen kunnen de nodige stabiliteitsmarges bieden. Dergelijke systemen vereisen echter stabiliserende feedbacksignalen om stabiliteit na een storing te bereiken. Gedetailleerde studies dienen te worden uitgevoerd.
(7) Zelfexcitatie en spanningsinstabiliteit van afgelegen generatoren die via lange EHV-lijnen met het net zijn verbonden, kunnen worden voorkomen door de lijnlaadcapaciteit van de machine te vergroten door gebruik te maken van negatieve excitatie en/of door gebruik te maken van permanent aangesloten EHV-shuntreactoren.
(8) Er kunnen voorzieningen worden getroffen in het ontwerp van generatoren en hun funderingen om tegen geringe kosten bescherming te bieden tegen seismische krachten.
Belangrijkste parameters van Dehar-generatoren
Kortsluitverhouding = 1,06
Transiënte reactantie directe as = 0,2
Vliegwieleffect = 39,5 x 106 lb ft2
Xnq/Xnd niet groter dan = 1,2
Geplaatst op: 11 mei 2021
