Effect van het generatorvliegwiel op de stabiliteit van het turbineregelsysteem Effect van het generatorvliegwiel op de stabiliteit van het turbineregelsysteem Effect van het generatorvliegwiel op de stabiliteit van het turbineregelsysteem Effect van het generatorvliegwiel op de stabiliteit van het turbineregelsysteem
Grote, moderne waterkrachtcentrales hebben een kleinere inertieconstante en kunnen problemen ondervinden met de stabiliteit van het turbineregelsysteem. Dit komt door het gedrag van het turbinewater, dat door zijn inertie waterslag in de drukleidingen veroorzaakt wanneer de regelapparatuur in werking is. Dit wordt over het algemeen gekenmerkt door de tijdconstanten van de hydraulische versnelling. Bij geïsoleerde werking, waarbij de frequentie van het hele systeem wordt bepaald door de turbineregelaar, beïnvloedt de waterslag de snelheidsregeling en manifesteert zich instabiliteit als pendelen of frequentieschommelingen. Bij gekoppelde werking met een groot systeem wordt de frequentie in principe constant gehouden door het systeem zelf. De waterslag beïnvloedt dan het vermogen dat aan het systeem wordt geleverd en stabiliteitsproblemen ontstaan alleen wanneer het vermogen in een gesloten regelkring wordt geregeld, dat wil zeggen in het geval van waterkrachtcentrales die deelnemen aan de frequentieregeling.
De stabiliteit van de turbineregelaar wordt sterk beïnvloed door de verhouding tussen de mechanische versnellingstijdconstante en de hydraulische versnellingstijdconstante van de watermassa's, en door de versterking van de regelaar. Een verlaging van deze verhouding heeft een destabiliserend effect en vereist een verlaging van de regelaarversterking, wat de frequentiestabilisatie negatief beïnvloedt. Daarom is een minimaal vliegwieleffect voor de roterende onderdelen van een waterkrachtcentrale noodzakelijk, wat normaal gesproken alleen in de generator kan worden gerealiseerd. Als alternatief zou de mechanische versnellingstijdconstante kunnen worden verlaagd door de installatie van een overdrukventiel of een buffertank, enz., maar dit is over het algemeen zeer kostbaar. Een empirisch criterium voor het snelheidsregelend vermogen van een waterkrachtcentrale zou gebaseerd kunnen zijn op de snelheidsverhoging van de centrale die kan optreden bij het afschakelen van de volledige nominale belasting van de onafhankelijk werkende centrale. Voor energiecentrales die werken in grote, onderling verbonden systemen en die de systeemfrequentie moeten reguleren, werd aangenomen dat de hierboven berekende snelheidsverhoging niet meer dan 45 procent mag bedragen. Voor kleinere systemen dient een kleinere snelheidsverhoging te worden toegepast (zie hoofdstuk 4).
Lengtedoorsnede van inlaat tot Dehar-krachtcentrale
(Bron: Artikel van de auteur – 2e Wereldcongres, International Water Resources Association 1979) Voor de Dehar-krachtcentrale wordt het hydraulische drukwatersysteem weergegeven dat de buffertank verbindt met de energie-eenheid. Dit systeem bestaat uit een waterinlaat, een druktunnel, een differentieel buffervat en een persleiding. Door de maximale drukverhoging in de persleidingen te beperken tot 35 procent, werd de geschatte maximale snelheidsverhoging van de eenheid bij het afschakelen van de volledige belasting berekend op ongeveer 45 procent met een regelaar die sluit.
De tijd bedroeg 9,1 seconden bij een nominale valhoogte van 282 m (925 ft) met het normale vliegwieleffect van de roterende delen van de generator (d.w.z. uitsluitend gebaseerd op temperatuurstijging). In de eerste fase van de werking bleek de snelheidsstijging niet meer dan 43 procent te bedragen. Daarom werd geconcludeerd 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, zoals in Dehar, kunnen stabiliteitsproblemen kritiek zijn vanwege het zwakke systeem, het lage kortsluitniveau, de werking met een voorlopende arbeidsfactor en de noodzaak om te bezuinigen op transmissie-aansluitingen en de grootte en parameters van de generatoreenheden. Voorlopige studies naar de transiënte stabiliteit met een netwerkanalysator (met een constante spanning achter de transiënte reactantie) voor het EHV-systeem in Dehar gaven ook aan dat slechts een marginale stabiliteit zou worden bereikt. In de vroege ontwerpfase van de Dehar-krachtcentrale werd overwogen om generatoren met normale eigenschappen te specificeren.
Het optimaliseren van de parameters van andere betrokken factoren, met name die van het excitatie-systeem, om de stabiliteitseisen te bereiken, zou economisch gezien een goedkoper alternatief zijn. Uit een onderzoek naar het Britse systeem is gebleken dat het wijzigen van generatorparameters een relatief geringe invloed heeft op de stabiliteitsmarges. Daarom zijn de normale generatorparameters, zoals vermeld in de bijlage, voor de generator gespecificeerd. De gedetailleerde stabiliteitsstudies die zijn uitgevoerd, worden hieronder beschreven.
Laadcapaciteit en spanningsstabiliteit van het elektriciteitsnet
Op afstand geplaatste waterkrachtcentrales worden gebruikt om lange, onbelaste hoogspanningsleidingen op te laden, waarbij het laadvermogen (kVA) hoger is dan de laadcapaciteit van de machine. De machine kan dan zelfbekrachtigd raken en de spanning oncontroleerbaar stijgen. De voorwaarde voor zelfbekrachtiging is dat xc < xd, waarbij xc de capacitieve belastingsreactantie is en xd de synchrone reactantie in de directe as. De benodigde capaciteit voor het opladen van één enkele onbelaste 420 kV-leiding E2/xc tot Panipat (ontvangstpunt) bedroeg ongeveer 150 MVAR bij nominale spanning. In de tweede fase, wanneer een tweede 420 kV-leiding van gelijke lengte wordt geïnstalleerd, zou de benodigde laadcapaciteit voor het gelijktijdig opladen van beide onbelaste leidingen bij nominale spanning ongeveer 300 MVAR bedragen.
De door de leveranciers van de apparatuur opgegeven laadcapaciteit van de Dehar-generator bij nominale spanning was als volgt:
(i)70 procent van het nominale MVA, d.w.z. 121,8 MVAR lijnladen is mogelijk met een minimale positieve excitatie van 10 procent.
(ii) Tot 87 procent van het nominale MVA, oftewel 139 MVAR, is een lijnlaadcapaciteit mogelijk met een minimale positieve excitatie van 1 procent.
(iii) Tot 100 procent van het 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 het nominale MVA (191 MVAR) volgens BSS.
(iv) Verdere verhoging van de lijnlaadcapaciteit is alleen mogelijk door de machine te vergroten. In het geval van (ii) en (iii) is handmatige regeling van de excitatie niet mogelijk en moet volledig worden vertrouwd op de continue werking van snelwerkende automatische spanningsregelaars. Het is noch economisch haalbaar, noch wenselijk om de machine te vergroten met het oog op een verhoging van de lijnlaadcapaciteit. Rekening houdend met de bedrijfsomstandigheden in de eerste fase van de werking, is daarom besloten om te voorzien in een lijnlaadcapaciteit van 191 MVAR bij nominale spanning voor de generatoren door negatieve excitatie op de generatoren toe te passen. Kritieke bedrijfsomstandigheden die spanningsinstabiliteit veroorzaken, kunnen ook optreden door het loskoppelen van de belasting aan de ontvangende kant. Dit verschijnsel treedt op door capacitieve belasting van de machine, die verder negatief wordt beïnvloed door de snelheidsstijging van de generator. Zelfexcitatie en spanningsinstabiliteit kunnen optreden als...
Xc ≤ n2 (Xq + XT)
Waarbij Xc de capacitieve belastingsreactantie is, Xq de synchrone reactantie langs de kwadratuuras en n de maximale relatieve overtoerental die optreedt bij het afschakelen van de belasting. Er werd voorgesteld om deze situatie bij de Dehar-generator te verhelpen door een permanent aangesloten 400 kV EHV shuntreactor (75 MVA) aan het ontvangende uiteinde van de lijn te plaatsen, zoals bleek uit gedetailleerde studies.
Demperwikkeling
De belangrijkste functie van een dempingswikkeling is het voorkomen van overmatige overspanningen bij kortsluitingen tussen capacitieve belastingen, waardoor de overspanningsbelasting op de apparatuur wordt verminderd. Rekening houdend met afgelegen locaties en lange verbindingsleidingen, werden volledig verbonden dempingswikkelingen gespecificeerd met een verhouding van kwadratuur- en directe-asreactanties Xnq/Xnd van maximaal 1,2.
Generatorkarakteristiek en excitatiesysteem
Aangezien generatoren met normale eigenschappen waren gespecificeerd en voorlopige studies slechts een marginale stabiliteit aantoonden, 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 realiseren. Gedetailleerde studies werden uitgevoerd om de optimale eigenschappen van de statische excitatieapparatuur te bepalen; deze worden besproken in hoofdstuk 10.
Seismische overwegingen
De Dehar-krachtcentrale bevindt zich in een seismisch gebied. De volgende bepalingen in het ontwerp van de waterkrachtgenerator in Dehar zijn voorgesteld in overleg met de fabrikanten van de apparatuur en rekening houdend met de seismische en geologische omstandigheden ter plaatse en het rapport van het Koyna-aardbevingsdeskundigencomité, dat door de Indiase overheid met hulp van UNESCO is ingesteld.
Mechanische sterkte
De generatoren in Dehar moeten zodanig ontworpen zijn dat ze de maximale aardbevingsversnelling in zowel verticale als horizontale richting, die in het midden van de machine wordt verwacht, veilig kunnen weerstaan.
Natuurlijke frequentie
De eigenfrequentie van de machine moet ruim boven (hoger dan) de magnetische frequentie van 100 Hz (tweemaal de generatorfrequentie) worden gehouden. Deze eigenfrequentie zal ver verwijderd zijn van de aardbevingsfrequentie en moet worden gecontroleerd op een voldoende marge ten opzichte van de overheersende aardbevingsfrequentie en de kritische snelheid van het roterende systeem.
Generatorstatorsteun
De stator van de generator en de funderingen van de onderste druk- en geleidingslagers bestaan uit een aantal voetplaten. De voetplaten zijn, naast de normale verticale richting, ook zijdelings met de fundering verbonden door middel van funderingsbouten.
Ontwerp van geleidelagers
De geleidingslagers moeten van het segmenttype zijn en de onderdelen van de geleidingslagers moeten worden versterkt om de volledige aardbevingskracht te kunnen weerstaan. De fabrikanten adviseerden verder om de bovenste beugel zijdelings met de behuizing van de generator te verbinden door middel van stalen balken. Dit zou ook betekenen dat de betonnen behuizing op zijn beurt versterkt zou moeten worden.
Trillingsdetectie van generatoren
Het werd aanbevolen om trillingsdetectoren of excentriciteitsmeters op turbines en generatoren te installeren om een noodstop en alarm te activeren wanneer de trillingen als gevolg van een aardbeving een vooraf bepaalde waarde overschrijden. Dit apparaat kan ook worden gebruikt om ongebruikelijke trillingen van een installatie te detecteren die worden veroorzaakt door hydraulische omstandigheden die de turbine beïnvloeden.
Mercuriuscontacten
Sterke trillingen als gevolg van een aardbeving kunnen leiden tot een valse uitschakeling van een apparaat als er kwikcontacten worden gebruikt. Dit kan worden voorkomen door trillingsdempende kwikschakelaars te specificeren of, indien nodig, door tijdrelais toe te voegen.
Conclusies
(1) Bij de Dehar-krachtcentrale werden aanzienlijke kostenbesparingen op de apparatuur en de structuur gerealiseerd door grotere eenheden te kiezen, rekening houdend met de omvang van het elektriciteitsnet en de invloed daarvan op de reservecapaciteit van het systeem.
(2) De kosten van de generatoren werden verlaagd door de toepassing van een parapluconstructie, wat nu mogelijk is voor grote, snelle waterkrachtgeneratoren dankzij de ontwikkeling van hoogwaardig staal voor de rotorrand.
(3) De aanschaf van natuurlijke generatoren met een hoge arbeidsfactor na gedetailleerde studies heeft geleid tot verdere kostenbesparingen.
(4) Het normale vliegwieleffect van de roterende delen van de generator bij het frequentie-regelstation in Dehar werd als voldoende beschouwd voor de stabiliteit van het turbine-regelsysteem vanwege het grote onderling verbonden systeem.
(5) Speciale parameters van externe generatoren die EHV-netwerken voeden om de elektrische stabiliteit te waarborgen, kunnen worden vervuld door snel reagerende statische excitatiesystemen.
(6) Snelwerkende statische excitatiesystemen kunnen de noodzakelijke stabiliteitsmarges bieden. Dergelijke systemen vereisen echter stabiliserende terugkoppelingssignalen om stabiliteit na een storing te bereiken. Gedetailleerde studies moeten worden uitgevoerd.
(7) Zelfbekrachtiging en spanningsinstabiliteit van decentrale generatoren die via lange EHV-leidingen met het net zijn verbonden, kunnen worden voorkomen door de laadcapaciteit van de machine te vergroten door gebruik te maken van negatieve bekrachtiging en/of door permanent aangesloten EHV-shuntreactoren te gebruiken.
(8) Bij het ontwerp van generatoren en hun funderingen kunnen voorzieningen worden getroffen om bescherming te bieden tegen seismische krachten tegen geringe kosten.
Belangrijkste parameters van Dehar-generatoren
Kortsluitingsverhouding = 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
