Generatorens svinghjulseffekt og stabilitet i turbinregulatorsystemetGeneratorens svinghjulseffekt og stabilitet i turbinregulatorsystemetGeneratorens svinghjulseffekt og stabilitet i turbinregulatorsystemetGeneratorens svinghjulseffekt og stabilitet i turbinregulatorsystemet
Store moderne vannkraftgeneratorer har en mindre treghetskonstant og kan ha problemer med stabiliteten til turbinens styringssystem. Dette skyldes turbinvannets oppførsel, som på grunn av sin treghet gir opphav til vannslag i trykkrørene når kontrollenheter er i drift. Dette er generelt preget av de hydrauliske akselerasjonstidskonstantene. Ved isolert drift, når frekvensen til hele systemet bestemmes av turbinregulatoren, påvirker vannslag hastighetsreguleringen, og ustabiliteten fremstår som jagende eller frekvenssvingende. Ved sammenkoblet drift med et stort system holdes frekvensen i hovedsak konstant av sistnevnte. Vannslag påvirker deretter kraften som mates til systemet, og stabilitetsproblemet oppstår bare når kraften styres i en lukket sløyfe, dvs. i tilfelle av vannkraftgeneratorer som deltar i frekvensregulering.
Stabiliteten til turbinregulatorgiret påvirkes i stor grad av forholdet mellom den mekaniske akselerasjonstidskonstanten på grunn av den hydrauliske akselerasjonstidskonstanten til vannmassene og av regulatorens forsterkning. En reduksjon av forholdet ovenfor har en destabiliserende effekt og nødvendiggjør en reduksjon av regulatorforsterkningen, noe som påvirker frekvensstabiliseringen negativt. Følgelig er det nødvendig med en minimal svinghjulseffekt for roterende deler av en vannkraftenhet, noe som normalt bare kan oppnås i generatoren. Alternativt kan den mekaniske akselerasjonstidskonstanten reduseres ved å bruke en trykkavlastningsventil eller en overtrykkstank, osv., men det er generelt svært kostbart. Et empirisk kriterium for hastighetsreguleringsevnen til en vannkraftenhet kan være basert på enhetens hastighetsøkning, som kan finne sted ved avvisning av hele den nominelle belastningen til enheten som opererer uavhengig. For kraftenheter som opererer i store sammenkoblede systemer og som er nødvendige for å regulere systemfrekvensen, ble den prosentvise hastighetsøkningsindeksen som beregnet ovenfor ansett å ikke overstige 45 prosent. For mindre systemer kan en mindre hastighetsøkning oppnås (se kapittel 4).
Lengdesnitt fra inntak til Dehar kraftverk
(Kilde: Forfatterartikkel – 2. verdenskongress, International Water Resources Association 1979) For Dehar kraftverk vises det hydrauliske trykkvannssystemet som forbinder balanseringslageret med kraftenheten, bestående av vanninntak, trykktunnel, differensialtank og rørledning. Ved å begrense den maksimale trykkøkningen i rørledningene til 35 prosent, ble den estimerte maksimale hastighetsøkningen for enheten ved avvisning av full last utarbeidet til omtrent 45 prosent med en regulator som lukker seg.
tid på 9,1 sekunder ved en nominell løftehøyde på 282 m (925 fot) med normal svinghjulseffekt fra generatorens roterende deler (dvs. kun basert på temperaturøkning). I første driftsfase ble hastighetsøkningen funnet å ikke være mer enn 43 prosent. Det ble derfor ansett at normal svinghjulseffekt er tilstrekkelig for å regulere systemets frekvens.
Generatorparametere og elektrisk stabilitet
Generatorparametrene som har betydning for stabiliteten er svinghjulseffekten, transient reaktans og kortslutningsforhold. I den innledende fasen av utviklingen av et 420 kV EHV-system, som ved Dehar, kan stabilitetsproblemer være kritiske på grunn av svakt system, lavere kortslutningsnivå, drift ved ledende effektfaktor og behovet for økonomi i å tilby overføringsuttak og fastsette størrelse og parametere for generasjonsenheter. Foreløpige transientstabilitetsstudier på nettverksanalysator (ved bruk av konstant spenning bak transient reaktans) for Dehar EHV-system indikerte også at bare marginal stabilitet ville oppnås. I den tidlige fasen av designen av Dehar kraftverk ble det vurdert å spesifisere generatorer med normal
Å optimalisere parametere for andre involverte faktorer, spesielt de som er involvert i eksitasjonssystemet, ville være et økonomisk billigere alternativ. I en studie av det britiske systemet ble det også vist at endring av generatorparametere har forholdsvis mye mindre effekt på stabilitetsmarginene. Følgelig ble normale generatorparametere, som gitt i vedlegget, spesifisert for generatoren. De detaljerte stabilitetsstudiene som ble utført, er gitt.
Linjeladekapasitet og spenningsstabilitet
Fjernt plasserte hydrogeneratorer som brukes til å lade lange, ubelastede EHV-linjer med en ladekapasitet på kVA som er større enn maskinens linjeladekapasitet. Maskinen kan bli selveksitert, og spenningen kan stige utover kontroll. Betingelsen for selveksitering er at xc < xd hvor xc er den kapasitive lastreaktansen og xd er den synkrone direkte aksereaktansen. Kapasiteten som kreves for å lade en enkelt 420 kV ubelastet linje E2/xc opp til Panipat (mottaksenden) var omtrent 150 MVAR ved nominell spenning. I andre trinn, når en andre 420 kV linje med tilsvarende lengde installeres, vil linjeladekapasiteten som kreves for å lade begge de ubelastede linjene samtidig ved nominell spenning være omtrent 300 MVAR.
Nettladekapasiteten som er tilgjengelig ved nominell spenning fra Dehar-generatoren, som antydet av utstyrsleverandørene, var som følger:
(i) 70 prosent nominell MVA, dvs. 121,8 MVAR linjelading er mulig med en minimum positiv eksitasjon på 10 prosent.
(ii) Opptil 87 prosent av nominell MVA, dvs. 139 MVAR linjeladekapasitet, er mulig med en minimum positiv eksitasjon på 1 prosent.
(iii) Opptil 100 prosent av nominell MVAR, dvs. 173,8 linjeladekapasitet, kan oppnås med omtrent 5 prosent negativ eksitasjon, og maksimal linjeladekapasitet som kan oppnås med negativ eksitasjon på 10 prosent er 110 prosent av nominell MVA (191 MVAR) i henhold til BSS.
(iv) Ytterligere økning i linjeladekapasiteten er bare mulig ved å øke maskinens størrelse. I tilfelle (ii) og (iii) er manuell styring av eksitasjon ikke mulig, og man må stole fullt ut på kontinuerlig drift av hurtigvirkende automatiske spenningsregulatorer. Det er verken økonomisk gjennomførbart eller ønskelig å øke maskinens størrelse for å øke linjeladekapasiteten. Følgelig, tatt i betraktning driftsforholdene i første driftsfase, ble det besluttet å sørge for en linjeladekapasitet på 191 MVAR ved nominell spenning for generatorene ved å gi negativ eksitasjon på generatorene. Kritiske driftsforhold som forårsaker spenningsinstabilitet kan også være forårsaket av frakobling av lasten i mottakerenden. Fenomenet oppstår på grunn av kapasitiv belastning på maskinen, som ytterligere påvirkes negativt av generatorens hastighetsøkning. Selveksitasjon og spenningsinstabilitet kan oppstå hvis.
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Hvor Xc er den kapasitive lastreaktansen, Xq er den synkrone reaktansen på kvadraturaksen og n er den maksimale relative overhastigheten som oppstår ved lastavvisning. Denne tilstanden på Dehar-generatoren ble foreslått å unngå ved å bruke en permanent tilkoblet 400 kV EHV-shuntreaktor (75 MVA) i mottakerenden av linjen, i henhold til detaljerte studier som er utført.
Spjeldvikling
Hovedfunksjonen til en spjeldvikling er dens evne til å forhindre for høye overspenninger i tilfelle linje-til-linje-feil med kapasitive belastninger, og dermed redusere overspenningsbelastningen på utstyret. Med tanke på avsidesliggende plassering og lange sammenkoblede overføringslinjer ble det spesifisert fullstendig tilkoblede spjeldviklinger med forholdet mellom kvadratur- og direkteaksereaktanser Xnq/Xnd som ikke overstiger 1,2.
Generatorkarakteristikk og eksitasjonssystem
Ettersom generatorer med normale egenskaper ble spesifisert og foreløpige studier kun indikerte marginal stabilitet, ble det besluttet å bruke høyhastighets statisk eksitasjonsutstyr for å forbedre stabilitetsmarginene for å oppnå den mest økonomiske totalløsningen for utstyret. Detaljerte studier ble utført for å bestemme optimale egenskaper for det statiske eksitasjonsutstyret, og disse diskuteres i kapittel 10.
Seismiske hensyn
Dehar kraftverk faller inn i en seismisk sone. Følgende bestemmelser i vannkraftgeneratordesignet ved Dehar ble foreslått i samråd med utstyrsprodusentene og med tanke på de seismiske og geologiske forholdene på stedet og rapporten fra Koyna Earthquake Experts Committee, nedsatt av Indias regjering med hjelp fra UNESCO.
Mekanisk styrke
Dehar-generatorer skal være konstruert for å tåle den maksimale jordskjelvakselerasjonskraften, både i vertikal og horisontal retning, som forventes av Dehar som virker i maskinens sentrum.
Naturfrekvens
Maskinens egenfrekvens må holdes langt unna (høyere) enn den magnetiske frekvensen på 100 Hz (dobbelt så høy som generatorfrekvensen). Denne egenfrekvensen må være langt unna jordskjelvfrekvensen, og det må kontrolleres at den har tilstrekkelig margin mot den dominerende jordskjelvfrekvensen og den kritiske hastigheten til rotasjonssystemet.
Støtte for generatorstator
Fundamentet til generatorstatoren og de nedre aksial- og styrelagrene består av en rekke såleplater. Såleplatene er festet til fundamentet sideveis i tillegg til normal vertikal retning med fundamentbolter.
Design av føringslager
Styrelagrene skal være av segmenttypen, og styrelagerdelene skal forsterkes for å motstå full jordskjelvkraft. Produsentene anbefalte videre å binde den øvre braketten sideveis til sylinderen (generatorhuset) ved hjelp av stålbjelker. Dette vil også bety at betongrøret må forsterkes.
Vibrasjonsdeteksjon av generatorer
Det anbefales å installere vibrasjonsdetektorer eller eksentrisitetsmålere på turbiner og generatorer for å starte nedstengning og alarm dersom vibrasjonene på grunn av jordskjelv overstiger en forhåndsbestemt verdi. Denne enheten kan også brukes til å oppdage uvanlige vibrasjoner i en enhet på grunn av hydrauliske forhold som påvirker turbinen.
Merkurkontakter
Kraftig risting på grunn av jordskjelv kan føre til falsk utløsning for å starte avstengning av en enhet hvis kvikksølvkontakter brukes. Dette kan unngås enten ved å spesifisere kvikksølvbrytere av antivibrasjonstypen eller om nødvendig ved å legge til tidsreléer.
Konklusjoner
(1) Betydelige besparelser i utstyrs- og strukturkostnadene ved Dehar kraftverk ble oppnådd ved å ta i bruk store enhetsstørrelser, med tanke på strømnettets størrelse og dets innflytelse på systemets reservekapasitet.
(2) Kostnadene for generatorer ble redusert ved å ta i bruk paraplykonstruksjon, noe som nå er mulig for store høyhastighets vannkraftgeneratorer på grunn av utviklingen av høyfast stål for rotorkantstansing.
(3) Anskaffelse av generatorer med naturlig høy effektfaktor etter detaljerte studier resulterte i ytterligere kostnadsbesparelser.
(4) Normal svinghjulseffekt fra generatorens roterende deler ved frekvensreguleringsstasjonen i Dehar ble ansett som tilstrekkelig for stabilitet i turbinregulatorsystemet på grunn av det store sammenkoblede systemet.
(5) Spesielle parametere for eksterne generatorer som forsyner EHV-nettverk for å sikre elektrisk stabilitet kan oppfylles av hurtigresponsende statiske eksitasjonssystemer.
(6) Hurtigvirkende statiske eksitasjonssystemer kan gi nødvendige stabilitetsmarginer. Slike systemer krever imidlertid stabiliserende tilbakekoblingssignaler for å oppnå stabilitet etter feil. Detaljerte studier bør utføres.
(7) Selveksitasjon og spenningsinstabilitet i eksterne generatorer som er koblet til nettet via lange EHV-linjer, kan forhindres ved å øke maskinens linjeladekapasitet ved å ty til negativ eksitasjon og/eller ved å bruke permanent tilkoblede EHV-shuntreaktorer.
(8) Det kan gjøres tiltak i utformingen av generatorer og deres fundamenter for å gi beskyttelse mot seismiske krefter til lave kostnader.
Hovedparametere for Dehar-generatorer
Kortslutningsforhold = 1,06
Transient reaktans Direkte akse = 0,2
Svinghjulseffekt = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd ikke større enn = 1,2
Publiseringstid: 11. mai 2021
