Generatorns svänghjulseffekt och stabilitet hos turbinregulatorsystemetGeneratorns svänghjulseffekt och stabilitet hos turbinregulatorsystemetGeneratorns svänghjulseffekt och stabilitet hos turbinregulatorsystemet
Stora moderna vattenkraftgeneratorer har en mindre tröghetskonstant och kan ha problem med turbinens styrsystems stabilitet. Detta beror på turbinvattnets beteende, vilket på grund av sin tröghet ger upphov till vattenslag i tryckrören när styranordningar används. Detta kännetecknas generellt av de hydrauliska accelerationstidskonstanterna. Vid isolerad drift, när hela systemets frekvens bestäms av turbinregulatorn, påverkar vattenslag varvtalsregleringen och instabiliteten uppträder som växling eller frekvenssvängningar. Vid sammankopplad drift med ett stort system hålls frekvensen i huvudsak konstant av den senare. Vattenslagningen påverkar sedan den effekt som matas till systemet och stabilitetsproblem uppstår endast när effekten styrs i en sluten slinga, dvs. för de vattenkraftgeneratorer som deltar i frekvensregleringen.
Stabiliteten hos turbinregulatorn påverkas i hög grad av förhållandet mellan den mekaniska accelerationstidskonstanten på grund av vattenmassornas hydrauliska accelerationstidskonstant och av regulatorns förstärkning. En minskning av ovanstående förhållande har en destabiliserande effekt och kräver en minskning av regulatorns förstärkning, vilket negativt påverkar frekvensstabiliseringen. Följaktligen är en minimal svänghjulseffekt för roterande delar av en vattenkraftenhet nödvändig, vilket normalt bara kan tillhandahållas i generatorn. Alternativt kan den mekaniska accelerationstidskonstanten minskas genom att en tryckavlastningsventil eller en expansionstank etc. används, men det är generellt mycket kostsamt. Ett empiriskt kriterium för en vattenkraftgenerators hastighetsregleringsförmåga kan baseras på enhetens hastighetsökning, vilket kan ske vid avtagande av hela den nominella belastningen för enheten som arbetar oberoende. För kraftenheter som arbetar i stora sammankopplade system och som krävs för att reglera systemfrekvensen, ansågs den procentuella hastighetsökningsindex som beräknats ovan inte överstiga 45 procent. För mindre system kan en mindre hastighetsökning tillhandahållas (se kapitel 4).
Längsgående sektion från intag till Dehar kraftverk
(Källa: Artikel av författaren – 2:a världskongressen, International Water Resources Association 1979) För Dehar kraftverk visas det hydrauliska tryckvattensystemet som förbinder balanseringsackumulatorn med kraftenheten bestående av vattenintag, trycktunnel, differentiell utjämningstank och rörledning. Genom att begränsa den maximala tryckökningen i rörledningarna till 35 procent beräknas den uppskattade maximala hastighetsökningen för enheten vid avstängning av full last till cirka 45 procent med en regulator som stänger.
en tid på 9,1 sekunder vid en nominell tryckhöjd på 282 m (925 ft) med normal svänghjulseffekt från generatorns roterande delar (dvs. fixerad endast med hänsyn till temperaturökning). I det första driftsskedet befanns hastighetsökningen vara högst 43 procent. Det ansågs följaktligen att normal svänghjulseffekt är tillräcklig för att reglera systemets frekvens.
Generatorparametrar och elektrisk stabilitet
Generatorparametrarna som påverkar stabiliteten är svänghjulseffekten, transient reaktans och kortslutningsförhållande. I det inledande skedet av utvecklingen av 420 kV EHV-systemet, som vid Dehar, kan stabilitetsproblem bli kritiska på grund av svagt system, lägre kortslutningsnivå, drift vid ledande effektfaktor och behovet av ekonomi vid tillhandahållande av överföringsuttag och fastställande av storlek och parametrar för generatorenheter. Preliminära transientstabilitetsstudier på nätverksanalysator (med konstant spänning bakom transient reaktans) för Dehar EHV-systemet indikerade också att endast marginell stabilitet skulle erhållas. I det tidiga skedet av designen av Dehar kraftverk ansågs det vara nödvändigt att specificera generatorer med normal...
Att optimera parametrar för andra inblandade faktorer, särskilt de som rör excitationssystemet, skulle vara ett ekonomiskt billigare alternativ. I en studie av det brittiska systemet visades det också att ändrade generatorparametrar har jämförelsevis mycket mindre effekt på stabilitetsmarginalerna. Följaktligen specificerades normala generatorparametrar för generatorn, som anges i bilagan. De detaljerade stabilitetsstudierna som utförts ges.
Linjeladdningskapacitet och spänningsstabilitet
Avlägset placerade vattenkraftgeneratorer som används för att ladda långa, obelastade EHV-ledningar vars laddningskapacitet i kVA är större än maskinens ledningsladdningskapacitet. Maskinen kan bli självexciterad och spänningen kan stiga okontrollerat. Villkoret för självexcitering är att xc < xd där xc är den kapacitiv lastreaktansen och xd den synkrona direktaxelreaktansen. Den kapacitet som krävs för att ladda en enda 420 kV obelastad ledning E2/xc upp till Panipat (mottagningsänden) var cirka 150 MVAR vid nominell spänning. I det andra steget, när en andra 420 kV-ledning av motsvarande längd installeras, skulle den ledningsladdningskapacitet som krävs för att ladda båda de obelastade ledningarna samtidigt vid nominell spänning vara cirka 300 MVAR.
Den tillgängliga laddningskapaciteten vid märkspänning från Dehar-generatorn, enligt uppgifter från utrustningens leverantörer, var följande:
(i) 70 procents nominell MVA, dvs. 121,8 MVAR-linjeladdning är möjlig med en minsta positiv excitation på 10 procent.
(ii) Upp till 87 procent av nominell MVA, dvs. 139 MVAR linjeladdningskapacitet är möjlig med en minsta positiv excitation på 1 procent.
(iii) Upp till 100 procent av nominell MVAR, dvs. 173,8 MVAR, kan erhållas med cirka 5 procent negativ excitation och maximal linjeladdningskapacitet som kan erhållas med en negativ excitation på 10 procent är 110 procent av nominell MVA (191 MVAR) enligt BSS.
(iv) Ytterligare ökning av nätladdningskapaciteten är endast möjlig genom att öka maskinens storlek. I fallet med (ii) och (iii) är manuell styrning av excitationen inte möjlig och man måste helt förlita sig på kontinuerlig drift av snabbverkande automatiska spänningsregulatorer. Det är varken ekonomiskt genomförbart eller önskvärt att öka maskinens storlek i syfte att öka nätladdningskapaciteten. Följaktligen, med hänsyn till driftsförhållandena i det första driftsskedet, beslutades det att tillhandahålla en nätladdningskapacitet på 191 MVAR vid märkspänning för generatorerna genom att ge negativ excitation på generatorerna. Kritiska driftsförhållanden som orsakar spänningsinstabilitet kan också orsakas av att lasten bryts vid mottagaränden. Fenomenet uppstår på grund av kapacitiv belastning på maskinen, vilket ytterligare påverkas negativt av generatorns hastighetsökning. Självexcitation och spänningsinstabilitet kan uppstå om.
Xc ≤ n² (Xq + XT)
Där Xc är den kapacitiv lastreaktansen, Xq är den synkrona reaktansen vid kvadraturaxeln och n är den maximala relativa överhastigheten som uppstår vid lastavstötning. Detta tillstånd på Dehar-generatorn föreslogs att undvikas genom att tillhandahålla en permanent ansluten 400 kV EHV-shuntreaktor (75 MVA) vid ledningens mottagande ände enligt detaljerade studier.
Spjälllindning
En spjälllindnings huvudsakliga funktion är dess förmåga att förhindra alltför höga överspänningar vid ledningsfel med kapacitiva belastningar, och därigenom minska överspänningsbelastningen på utrustningen. Med hänsyn till avlägsen placering och långa sammankopplade transmissionsledningar specificerades helt sammankopplade spjälllindningar med förhållandet mellan kvadratur- och direktaxelreaktanser Xnq/Xnd som inte överstiger 1,2.
Generatorkarakteristik och excitationssystem
Eftersom generatorer med normala egenskaper hade specificerats och preliminära studier endast indikerade marginell stabilitet, beslutades det att använda höghastighetsutrustning för statisk excitation för att förbättra stabilitetsmarginalerna och uppnå det mest ekonomiska arrangemanget av utrustningen totalt sett. Detaljerade studier genomfördes för att fastställa optimala egenskaper hos den statiska excitationsutrustningen, vilket diskuteras i kapitel 10.
Seismiska överväganden
Dehar kraftverk hamnar i seismisk zon. Följande bestämmelser för vattenkraftgeneratorns konstruktion i Dehar föreslogs i samråd med utrustningstillverkarna och med hänsyn till de seismiska och geologiska förhållandena på platsen samt rapporten från Koyna jordbävningsexperternas kommitté, som tillsatts av Indiens regering med hjälp av UNESCO.
Mekanisk styrka
Dehar-generatorer ska konstrueras för att säkert motstå den maximala jordbävningsaccelerationskraften, både i vertikal och horisontell riktning, som förväntas vid Dehar som verkar i maskinens centrum.
Naturfrekvens
Maskinens egenfrekvens ska hållas långt ifrån (högre) den magnetiska frekvensen på 100 Hz (dubbelt så hög som generatorfrekvensen). Denna egenfrekvens ska vara långt ifrån jordbävningsfrekvensen och kontrolleras för tillräcklig marginal mot jordbävningens dominerande frekvens och det kritiska rotationssystemets hastighet.
Generatorns statorstöd
Generatorns stator och de nedre axial- och styrlagren består av ett antal bottenplattor. Bottenplattorna är fästa vid fundamentet i sidled utöver normal vertikal riktning med fundamentbultar.
Styrlagerkonstruktion
Styrlagren ska vara av segmenttyp och styrlagrens delar ska förstärkas för att motstå full jordbävningskraft. Tillverkarna rekommenderar vidare att det övre fästet i sidled fästs mot pipan (generatorhöljet) med hjälp av stålbalkar. Detta skulle också innebära att betongpipan i sin tur måste förstärkas.
Vibrationsdetektering av generatorer
Installation av vibrationsdetektorer eller excentricitetsmätare på turbiner och generatorer rekommenderades för att initiera avstängning och larm om vibrationerna på grund av jordbävningar överstiger ett förutbestämt värde. Denna anordning kan också användas för att detektera ovanliga vibrationer i en enhet på grund av hydrauliska förhållanden som påverkar turbinen.
Kvicksilverkontakter
Kraftiga skakningar på grund av jordbävningar kan leda till falsk utlösning som initierar avstängning av en enhet om kvicksilverkontakter används. Detta kan undvikas genom att antingen specificera kvicksilverbrytare av antivibrationstyp eller om det behövs genom att lägga till tidreläer.
Slutsatser
(1) Betydande kostnadsbesparingar för utrustning och struktur vid Dehar kraftverk uppnåddes genom att anta stora enhetsstorlekar med hänsyn till elnätets storlek och dess inverkan på systemets reservkapacitet.
(2) Kostnaden för generatorer minskades genom att man antog paraplykonstruktion, vilket nu är möjligt för stora höghastighetsvattenkraftgeneratorer tack vare utvecklingen av höghållfast stål för rotorkantsstansningar.
(3) Anskaffning av generatorer med naturlig hög effektfaktor efter detaljerade studier resulterade i ytterligare kostnadsbesparingar.
(4) Normal svänghjulseffekt från generatorns roterande delar vid frekvensregleringsstationen i Dehar ansågs tillräcklig för turbinens regulatorsystems stabilitet på grund av det stora sammankopplade systemet.
(5) Speciella parametrar för fjärrgeneratorer som matar EHV-nätverk för att säkerställa elektrisk stabilitet kan uppfyllas av snabba statiska excitationssystem.
(6) Snabbverkande statiska excitationssystem kan ge nödvändiga stabilitetsmarginaler. Sådana system kräver dock stabiliserande återkopplingssignaler för att uppnå stabilitet efter fel. Detaljerade studier bör utföras.
(7) Självexcitation och spänningsinstabilitet hos fjärrgeneratorer som är sammankopplade med elnätet via långa EHV-ledningar kan förhindras genom att öka maskinens laddningskapacitet genom att använda negativ excitation och/eller genom att använda permanent anslutna EHV-shuntreaktorer.
(8) Åtgärder kan vidtas vid konstruktionen av generatorer och deras fundament för att ge skydd mot seismiska krafter till låga kostnader.
Huvudparametrar för Dehar-generatorer
Kortslutningsförhållande = 1,06
Transient reaktans direkt axel = 0,2
Svänghjulseffekt = 39,5 x 106 lb ft²
Xnq/Xnd inte större än = 1,2
Publiceringstid: 11 maj 2021
