CZ287717B6

CZ287717B6 - Method and control device for controlling turbine-generator unit

Info

Publication number: CZ287717B6
Application number: CZ19942754A
Authority: CZ
Inventors: Kurt Fork; Frank Krutemeier
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1992-05-27
Filing date: 1993-05-05
Publication date: 2001-01-17
Also published as: RU94046166A; EP0642707B1; JPH07507196A; CZ275494A3; DE59300914D1; US5547337A; WO1993024991A1; ATE130137T1; EP0642707A1; PL171631B1; RU2176849C2; DE4217625A1

Description

Oblast techniky

Vynález se týká způsobu regulace bloku turbína-generátor, u kterého se akčnímu členu turbíny přivádí první akční veličina a akčnímu členu budiče druhá akční veličina, přičemž akční veličiny se tvoří vždy z nejméně jedné referenční hodnoty. Týká se dále regulačního zařízení pracujícího podle tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Jednoduchý mechanický otáčkový regulátor pro turbínu a elektromechanický napěťový regulátor pro generátor se během doby stále zlepšovaly a přizpůsobovaly vývinu techniky, takže vznikly regulační přístroje a regulační zařízení vhodné pro elektrárny, např. pro zařízení plynových a parních turbín.

U jednoho známého způsobu regulace se řídí množství pracovního média, proudícího do turbíny, prostřednictvím akčního členu turbíny, jehož akční veličina se tvoří v regulačním obvodu z odchylky skutečného výkonu generátoru od žádaného výkonu. V dalším regulačním obvodu se tvoří z odchylky skutečného napětí generátoru od žádaného napětí, druhá akční veličina, která se přivádí akčnímu členu budiče řídícího budicí proud generátoru.

Prostřednictvím regulované soustavy, vytvořené z turbíny, generátoru a generátorem napájené sítě, ovlivňují se regulační systémy navzájem. To může vést ktomu, že při vyrovnávacích procesech, při kterých dochází k ovlivnění celkového regulačního chování, pracují regulační obvody proti sobě. Aby se tento vliv vyrovnal, přivádí se u známých způsobů akčnímu členu budiče dílčí akční veličina jako korekční veličina, odvozená z výkonu generátoru. Přitom se vyrovnávají kolísání sítě nebo změny skluzové frekvence a tlumí se výkyvy výkonu. Takovéto výkyvy se vyskytují zejména u takových zařízení elektráren, která jsou prostřednictvím dlouhých vedení spojena s rozvodnými sítěmi. Zapojení ke tlumení kolísání výkonu v sítích jsou popsána např. v DE-PS 28 51 871.

Při použití parní turbíny vystačí sice ještě zjednodušující předpoklad dynamického oddělení regulačních obvodů k popisu celého systému. Naproti tomu při použití plynové turbíny vyskytují se nežádoucí vazby, což je důsledek ve srovnání s parní turbínou, poměrně malých zpoždění nebo reakčních dob plynové turbíny, které mohou vésti k odtlumení oddělených regulačních obvodů. Takovéto vazby a s nimi spojené problémy vyskytují se také u zařízeních svíce bloky turbínagenerátor, zejména u zařízeních s plynovými a parními turbínami. S uvedenými zapojeními k utlumení výkyvů výkonů, což se realizuje v tak zvaném tlumicím přístroji výkyvů, dosáhne se sice určitý vliv regulačního obvodu turbíny na regulační obvod generátoru. Přesto pracují oba regulační obvody od sebe navzájem odděleně.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je způsob a regulační zařízení v úvodu uvedeného druhu rozvinout dále tak, aby byla možná spolehlivá regulace bloku turbína-generátor.

U způsobu se tento úkol podle vynálezu řeší tím, že první akční veličina pro akční člen turbíny se složí z nejméně dvou dílčích akčních veličin, přičemž jedna dílčí akční veličina se odvodí z referenční hodnoty pro tvoření druhé akční veličiny pro akční člen budiče.

-1 CZ 287717 B6

Ve výhodném rozvinutí způsobu podle vynálezu se akční veličina pro akční člen budiče složí rovněž z nejméně dvou dílčích akčních veličin, přičemž dílčí akční se odvodí z referenční hodnoty pro tvoření akční veličiny pro akční člen turbíny.

Pro zlepšení regulace, pokud se týká dynamiky celého systému měří se účelně otáčky turbíny a/nebo při spojení bloku turbína-generátor se spojenou sítí, frekvence generátoru. Akční veličiny jsou potom výhodně složeny vždy ze tří dílčích akčních veličin. Přitom je vždy jedna ze třech dílčích akčních veličin odvozena z referenční hodnoty, vytvořené z odchylky od žádaných otáček resp. od síťové frekvence. Aby se zabránilo tomu, že potom v důsledku nepoměru tří regulačních 10 veličin a dvou akčních veličin vznikají nedefinované vztahy, jsou výhodně referenční hodnoty, vytvořené z odchylky odevzdávaného výkonu generátoru od požadovaného výkonu a z odchylky frekvence, střídavě spojeny. Vazba se přitom provádí účelně prostřednictvím zpožďovacích členů.

Regulační zařízení obsahuje regulátor, kterému jsou jako vstupní veličiny přiváděny skutečné hodnoty výkonu generátoru a napětí generátoru a který vyšle na akční člen turbíny první akční veličinu a na akční člen budiče druhou akční veličinu, přičemž akční veličiny jsou tvořeny vždy nejméně z jedné referenční hodnoty, pak se úkol podle vynálezu řeší prostřednictvím prostředků ke spojování nejméně dvou dílčích akčních veličin, které společně tvoří první akční veličinu pro 20 akční člen turbíny, přičemž dílčí akční veličina se odvodí z referenční hodnoty pro tvoření druhé akční veličiny pro akční člen budiče.

V účelném vytvoření regulačního zařízení obsahuje toto zařízení další prostředky pro spojení dvou dalších dílčích akčních veličin, které dohromady tvoří druhou akční veličinu pro akční člen 25 budiče, přičemž jedna z těchto dílčích akčních veličin je odvozena z referenční hodnoty pro tvoření akční veličiny pro akční člen turbíny.

Funkce potřebné pro přípravu akčních veličin pro akční člen turbíny a akční člen budiče, které popisují vliv výkonu, generátorového napětí a frekvence generátoru nebo otáček turbíny na akční 30 veličiny, jsou účelně ve tvaru algoritmu sdruženy v jediném regulátoru.

Přednosti, docílené vynálezem spočívají zejména vtom, že v důsledku střídavého přenosu referenčních hodnot / regulačních obvodů turbíny a generátoru prostřednictvím dílčích akčních veličin může se konat komunikace mezi navzájem se ovlivňujícími regulačními obvody. Ktomu 35 potřebné funkce mohou se realizovat jako algoritmus v jediném regulátoru.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude dále blíže objasněn na příkladu provedení, znázorněném na výkresu. Obrázek ukazuje blokové schéma regulačního zapojení pro blok turbína-generátor.

Příklady provedení vynálezu

Blok 1 turbína-generátor zahrnuje turbínu 2, která prostřednictvím hřídele 4 pohání generátor 6. Generátor 6 napájí při uzavřeném blokovém spínači 5 napájecí síť 7. Turbína 2 může být plynová nebo parní turbína.

Pro nastavení proudu pracovního média a proudícího do turbíny 2 je uspořádán akční člen 8 ve formě ventilu nebo několika ventilů.

Otáčející se budicí část 14 generátoru 6 je buzena ve statoru uspořádaným budicím vinutím 16. Neznázoměný pomocný budič napájí prostřednictvím akčního členu 18 budiče ve formě soustavy

-2CZ 287717 B6 tyristorů budicí vinutí 16. Akční člen 18 budiče tvoří pro buzení potřebný proměnlivý stejnosměrný proud nebo budicí proud g.

Regulačnímu zařízení nebo turbínové soustavy nebo vícenásobnému regulátoru 20 se přivádějí jako vstupní veličiny skutečné hodnoty generátorového výkonu £, generátorové napětí Ui, turbínové otáčky n,, nebo generátorové frekvence £. Do vícenásobného regulátoru 20 vkládané veličiny jsou také žádané hodnoty generátorového výkonu Ps,, generátorového napětí Us, a turbínových otáček n_s. Další, šipkou 22 naznačené vstupní veličiny jsou vstupní funkce, např. síťová frekvence fs, omezující akční veličiny a povely z vel inu elektrárny. Vícenásobným regulátorem 20 vysílané akční veličiny ST a SE se předávají akčnímu členu 8 turbíny, případně akčnímu členu 18 budiče.

Akční veličiny ST a SE se skládají z dílčích akčních veličin ST až ST resp. SEi až SE₃. které pomocí konstrukčních členů 30 až 35 pro tvoření přenosových funkcí Fn, a F^ resp. F_Q, F^ a Fjj2 jsou vždy odvozeny z referenční hodnoty Af nebo An, AT, AU. Takovéto přenosové funkce F jsou například popsány v IEEE Transaction on Automatic Control, Vol. AC-25, No. 3, 1990, Desoer, C., R.-W. Liu, 3. Murray a R.Saeks: „Feedback Systém Design: The Fractional Representation Approach to Analysis and Synthesis“ a Můller, K.: „Způsob navrhování robustních regulací“, Dissertation TU Braunschweig 1989. Podrobnosti ktomu se také najdou v „Archivu pro elektrotechniku“, 76 (1992) 49-58, Springer Verlag. Referenční hodnoty Af, nebo Δη, ΔΡ, AU se dostanou vytvořením rozdílu mezi skutečnými hodnotami £ nebo η;, Pj resp. U, a žádanými hodnotami f_s nebo n_s, Ps resp. U_s v příslušném referenčním bodu 40, 41, 42. Přitom se hodnoty výhodně nejdříve převedou pomocí neznázoměných analogo-číslicových převodníků v číslicové hodnoty.

Při uzavřeném blokovém spínači 5 se referenční hodnoty Af a ΔΡ střídavě nebo dvojnásobným způsobem navzájem spolu spojí. Přitom se referenční hodnota vytvořená z odchylky žádaného výkonu Pg od skutečného výkonu P; generátoru 6 prostřednictvím zpožďovacího členu 24 připočte žádané hodnotě Af ve sčítacím místě 50. Kromě toho se žádaná hodnota Af vytvořená z odchylky generátorové frekvence £ od síťové frekvence f_s připočte jako převrácená hodnota l/Af prostřednictvím zpožďovacího členu 26 referenční hodnotě ΔΡ ve sčítacím místě 5£.

V důsledku nevyhnutelné komplexnosti vícenásobného regulátoru 20, zejména šesti přenosových funkcí F, použije se pro regulaci počítačový algoritmus (počítačový program). Regulační algoritmus bere přitom v úvahu také ten případ, že regulační veličina dosáhne své mezní hodnoty, nebo že např. během najíždění zařízení elektrárny je zapnut pouze regulační obvod turbíny, řídicí akční člen 8 turbíny. Přepnutí na kombinovanou regulaci, která při napájení budicí části 14 prostřednictvím budicího vinutí 16 a tím i při budování generátorového napětí U, vstoupí v činnost, je možno kdykoliv provésti. Přitom se koná prostřednictvím šesti přenosových funkcí F komunikace mezi regulačním obvodem turbíny a regulačním obvodem generátoru, přičemž akční člen 18 budiče nastaví proměnlivý budicí proud g.

Uvnitř vícenásobného regulátoru 20 se z dílčích akčních veličin ST až ST složí prostřednictvím spojovacího členu 19 první akční veličina ST pro akční člen 8 turbíny. Přitom se realizuje vliv odchylky AU skutečné hodnoty generátorového napětí Ui od žádané hodnoty Us na první akční veličinu ST prostřednictvím přenosové funkce Fyj. Vliv odchylky Af generátorové frekvence £ od síťové frekvence fs na akční veličinu ST se realizuje prostřednictvím přenosové funkce Fn.

Obdobně se z dílčích akčních veličin SEi až SE₃ prostřednictvím dalšího spojovacího členu 21 složí druhá akční veličina SE pro akční člen 18 budiče. Přitom se vliv odchylky ΔΡ skutečné hodnoty P, generátorového výkonu P od žádané hodnoty Ps a frekvenční odchylky Af na druhou akční veličinu SE realizuje prostřednictvím přenosových funkcí Fpj resp. Fq. Z dílčích akčních veličin složené akční veličiny ST a SE se přivádějí prostřednictvím zpožďovacích členů 28 resp. 30 akčním členům 8, £8.

-3CZ 287717 B6

Zohlednění frekvenční změny Af při tvoření akčních veličin ST, SE umožňuje zlepšení regulace pokud se týká dynamiky regulační soustavy, složené z turbíny 2, generátoru 6 a sítě 7. Kromě toho se střídavou nebo dvojnásobnou vazbou referenčních hodnot ΔΡ a Af prostřednictvím zpožďovacích členů 24, resp. 26 zajistí, že nepoměrem tří regulačních veličin f, P, U a dvou 5 akčních veličin ST, SE nevzniknou žádné nedefinované vztahy. Zpožďovací členy 24, 26 ve vazbě ovlivňují jen ustálený stav; v koncepčním návrhu regulace se nemusí brát v úvahu.

Během provozu mohou opotřebení a znečištění konstrukčních dílů, jakož i posunutí pracovních bodů a přepínání sítí vésti k nepředvídatelným, jen velikostí řádově odhadnutelným změnám 10 v regulační soustavě. Regulační algoritmus vícenásobného regulátoru 20 měl by tudíž být vůči takovýmto změnám v regulační soustavě necitelný nebo robustní. Protože se chování regulační soustavy při přepínání od jednoho provozního prostředku pro turbínu 2 na jiný, jakož i při přechodu od spojovací sítě na provoz rozdělovači sítě může velmi silně změnit, je do vícenásobného regulátoru 20 zabudována přizpůsobovací stratégie. Přitom se nastavení 15 vícenásobného regulátoru 20 provádí podle známých zkušeností, získaných při uvádění do provozu a z napodobování, což je zohledněno v modelových funkcích, např. v přenosových funkcích F. Provedení vícenásobného regulátoru 20 se tak realizuje jak na bázi měřitelných, tak také početně zjištěných veličin procesu.

Jakost regulace vícenásobného regulátoru 20 se během provozu automaticky posuzuje. Posuzování je vybudováno vícestupňové. V prvním stupni se z naměřených veličin vypočítají neměřitelné veličiny, např. síťová reaktance a analyticky se určí charakteristické hodnoty. Ve druhém stupni se tyto vypočítané hodnoty porovnají s hodnotami, získanými zkušenostmi, které jsou ve vhodné formě obsaženy ve vícenásobném regulátoru 20. Přitom se provádí posouzení 25 s pomocí principů logiky na bázi porovnávacích operací s neostrými oblastmi.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Způsob regulace bloku turbína-generátor, s vícenásobným regulátorem, kterému jsou

35 přiváděny jako vstupní veličiny skutečné hodnoty generátorového výkonu a generátorového napětí, a který do akčního členu turbíny vysílá první akční veličinu a do akčního členu budiče druhou akční veličinu, přičemž akční veličiny se tvoří nejméně z jedné referenční hodnoty, vyznačující se tím, že první akční veličina (ST) pro akční člen (8) turbíny se složí z nejméně dvou dílčích akčních veličin (ST₂, ST₃), přičemž jedna z obou dílčích akčních veličin 40 (ST₃) se odvodí z referenční hodnoty (AU) pro tvoření druhé akční veličiny (SE) pro akční člen (18) budiče.
2. Způsob podle nároku 1, vyznačující se tím, že druhá akční veličina (SE) pro akční člen (18) budiče se složí z nejméně dvou dílčích akčních veličin (SE₂, SEJ, přičemž jedna

45 z obou dílčích akčních veličin (SEJ se odvodí z referenční hodnoty (ΔΡ) pro tvoření první akční veličiny (ST) pro akční člen (8) turbíny.
3. Způsob podle nároků 1 nebo 2, vyznačující se tím, že první a druhá akční veličina (ST, SE) se složí vždy ze tří dílčích akčních veličin (ST] až ST₃; SE] až SEJ, přičemž vždy jedna

50 dílčí akční veličina (ST], SEJ se odvodí z referenční hodnoty (An) vytvořené z odchylky skutečné hodnoty otáček (nj od žádaných otáček (ns) turbíny (2).
4. Způsob podle nároků 1 nebo 2, při vazbě bloku turbína-generátor se spojovací sítí, vyznačující se tím, že první a druhá akční veličina (ST, SE) se složí vždy ze tří dílčích

55 akčních veličin (ST] až ST₃; SE] až SEJ, přičemž vždy jedna dílčí akční veličina (STj, SE]) se

-4CZ 287717 B6 odvodí z referenční hodnoty (Af) vytvořené z odchylky generátorové frekvence (f) od síťové frekvence (f).
5. Způsob podle nároku 4, v y z n a č u j í c í se t í m, že referenční hodnoty (Af, ΔΡ), vytvořené z odchylky generátorové frekvence (f) od síťové frekvence (f₈) a z odchylky skutečného výkonu (Pi) od žádaného výkonu (P_s) generátoru (6), jsou vzájemně vázány.
6. Způsob podle jednoho z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že referenční hodnota (ΔΡ) pro tvoření první akční veličiny (ST) je odchylkou mezi skutečnou hodnotou a žádanou hodnotou generátorového výkonu (P).
7. Způsob podle jednoho z předcházejících nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že referenční hodnota (AU) pro tvoření druhé akční veličiny (SE) je odchylkou mezi skutečnou hodnotou a žádanou hodnotou generátorového napětí (U).
8. Regulační zařízení k provádění způsobu podle nároků 1 až 7, které obsahuje vícenásobný regulátor (20) pro regulaci bloku turbína-generátor, vyznačující se tím, že na vstupu vícenásobného regulátoru (20) jsou uspořádány tři porovnávací členy (40, 41, 42) pro vstupní veličiny, přičemž výstup prvního porovnávacího členu (40) je přes sčítací člen (50) připojen ke vstupu jak prvního přenosového členu (30), tak i ke vstupu druhého přenosového členu (31), výstup druhého porovnávacího členu (41) je připojen ke vstupu třetího přenosového členu (32) a čtvrtého přenosového členu (33), výstup třetího porovnávacího členu (42) je připojen ke vstupu pátého přenosového členu (34) a šestého přenosového členu (35), přičemž výstupy prvního přenosového členu (30), třetího přenosového členu (32) a pátého přenosového členu (34) jsou připojeny k vazebnímu členu (19), jehož výstup je přes zpožďovací člen (28) připojen k akčnímu členu (8) turbíny (2).
9. Regulační zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že výstupy druhého přenosového členu (31), čtvrtého přenosového členu (33) a šestého přenosového členu (35) jsou připojeny k dalšímu vazebnímu členu (21), jehož výstup je přes další zpožďovací člen (29) připojen na vstup akčního členu (18) budiče generátoru (6).
10. Regulační zařízení podle nároků 8 a 9, vyznačující se tím, že výstup prvního porovnávacího členu (40) je spojen s výstupem druhého porovnávacího členu (41) přes zpožďovací obvod (26) a výstup druhého porovnávacího členu (41) je spojen s výstupem prvního porovnávacího členu (40) přes další zpožďovací obvod (24).