DE19545520A1

DE19545520A1 - Geschwindigkeitsregelvorrichtung für eine Turbowechselstromgeneratorgruppe

Info

Publication number: DE19545520A1
Application number: DE1995145520
Authority: DE
Inventors: Henri Bourles; Marie-Pierre Houry; Frederic Colledani
Original assignee: Electricite de France SA
Current assignee: Electricite de France SA
Priority date: 1994-12-06
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1996-06-13
Also published as: FR2727809B1; FR2727809A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Geschwindigkeits regelungsvorrichtungen von Turbowechselstromgeneratorgruppen.

Ein Primärfrequenz/-leistungsregler für eine Turbowechsel stromgeneratorgruppe hat einerseits zum Ziel, an der Auf rechterhaltung des Gleichgewichts Produktion/Verbrauch mitzu wirken und andererseits einen guten Einschwingbetrieb des Wechselstromgenerators zu gewährleisten. In diesem Fall han delt es sich darum, zur Vermeidung der Gleichlaufverluste bei im Netz auftretenden Störungen (im Fall von Kurzschlüssen) beizutragen und die Überdrehzahl bei Übergängen in ein ge trenntes Netz oder bei Blockbildungen zu begrenzen.

Um diese beiden Ziele zu erreichen, weisen die klassischen Vorrichtungen zwei sich ergänzende Merkmale auf.

Einerseits ist das Ziel, zum Gleichgewicht Produktion/Ver brauch beizutragen, üblicherweise durch einen Proportional- Regler gewährleistet, dessen Eingang das Signal P_o-k·Δf ist, wobei P_o eine Einstellgröße der Leistung und Δf die Differenz zwischen der gemessenen Frequenz und der Nennfrequenz des Netzes (50 Hz) ist.

Da andererseits dieser Regler sehr begrenzte Leistungen auf weist, ist es fast immer in großen Einschwingvorgängen erfor derlich, ihn durch eine spezielle Vorrichtung zu ergänzen, die die schnelle Schließung der Ventile der Antriebsturbine des Wechselstromgenerators nach einer Blockbildung, einem Übergang in ein getrenntes Netz oder einem größeren Kurz schluß nahe der Zentrale gestattet. Diese Vorrichtung, die als Regler "bei großen Bewegungen" bezeichnet werden kann, wirkt auf das Überschwingen einer Geschwindigkeits-, Be schleunigungs- oder Ungleichgewichtsschwelle zwischen mecha nischer und elektrischer Leistung. Es ist in der Tat unerläß lich, die Geschwindigkeit des Wechselstromgenerators im zu lässigen Wirkbereich permanent beizubehalten. Da dieser sehr schmal ist, ist es notwendig, energisch zu reagieren, wenn eine größere Störung im Netz auftritt.

Es ist speziell eine Alles-oder-Nichts-Vorrichtung bekannt, die als Schwellenbeschleunigungsmesser bezeichnet wird und zur Sicherung des Einschwingbetriebs genutzt wird. Die Rolle des! Schwellenbeschleunigungsmessers besteht darin, die Dampfeinlaßventile schnell zu schließen und folglich das Mo tordrehmoment schnell zu verringern, wenn die Beschleunigung der Gruppe eine durch Voreilung festgesetzte Schwelle über schreitet, die entsprechend dem Typ der Gruppe variabel ist. Für die Gruppen des CP1 Lagers (palier) beispielsweise ist diese Schwelle für einen Wert von 35% der Nennbeschleunigung festgesetzt, während für die Gruppen mit einer Leistung von 1300 Megawatt die Schwelle 50% der Nennbeschleunigung be trägt.

Diese Vorgehensweise weist mehrere Unannehmlichkeiten auf, die sowohl das Verhalten bei kleinen Bewegungen als auch bei großen Bewegungen betreffen.

a) Verhalten bei kleinen Bewegungen

Die vom Wechselstromgenerator abgegebene elektrische Leistung wird üblicherweise nicht gemessen. Die klassischen Regler, die als Öffnungsregelungssysteme bezeichnet werden, erzeugen zunächst ein Signal P_o-k·Δf, das sie daraufhin direkt im Ein gang der Steuervorrichtung der Ventile mittels eines Moduls anlegen, welches eine Umkehrung der statischen Kennlinie Lei stung-Öffnung der Hochdruckventile durchführt. Das Nieder druckventil beteiligt sich nicht oder nur gering am Verhalten bei kleinen Bewegungen.

Diese Vorrichtung gestattet keine präzise Regelung des erhal tenen eingeschwungenen Zustands. Sie setzt tatsächlich vor aus, daß die statische Kennlinie der Ventile sehr gut bekannt ist und daß diese sich nicht mit der Zeit ändert. Der durch die Bewegung der Ventile hervorgerufene Verschleiß modifi ziert also diese Kennlinie, wodurch die Genauigkeit der durch diese Vorrichtung erhaltenen Regelung gemindert wird.

Desweiteren verfügt dieser Regler nur über einen Freiheits grad (Regelparameter), nämlich dem Parameter k (dessen Kehr wert üblicherweise als Ungleichförmigkeitsgrad bzw. bleibende Regelabweichung bezeichnet wird). Daher ist es nicht möglich, den eingeschwungenen Zustand und das Einschwingverhalten der Regelung unabhängig zu regeln. Insbesondere mit einem regulä ren Ungleichförmigkeitsgrad (k=25) erhält man einen Ein schwingzustand, der die Ventile sehr heftig beansprucht und daher einen viel größeren Verschleiß verursacht als noch ge rade zulässig ist.

Die Anmelderin benutzt ebenfalls eine Vorrichtung, die als Leistungsregelungssystem bezeichnet wird, welche eine Mes sung der elektrischen Leistung P_e nutzt, welche von der Grup pe abgegeben wird.

In dieser Vorrichtung wird ein Signal P_o-P_e-K·Δf im Eingang eines PI-Reglers (Proportional-Integralregler) eingesetzt. Diese Vorrichtung gestattet es, die erste Unannehmlichkeit des Öffnungsregelungssystems zu vermeiden. Ihre Arbeitskenn linien sind jedoch sehr schlecht: Bei einem Kurzschluß bei spielsweise erzeugt sie in den ersten Momenten ein Signal, das dazu neigt, die Ventile zu öffnen, wohingegen es nötig wäre, sie schnellstmöglich zu schließen.

Im getrennten Netz ist ihr Verhalten noch schlechter, da es zu einem stark schwingenden, ja sogar unstabilen Betriebszu stand führen kann.

Diese Unannehmlichkeiten führen dazu, daß dieser Regler nur im eingeschwungenen Zustand genutzt wird, und wenn er in Be trieb ist, ist er an eine Vorrichtung angeschlossen, die auf das Öffnungsregelungssystem umschaltet, sobald eine Störung entdeckt worden ist.

b) Verhalten bei großen Bewegungen

Die fast universell in der ganzen Welt benutzte Vorrichtung ähnelt dem Schwellenbeschleunigungsmesser. Es existieren Va rianten je nach Hersteller; das Grundprinzip ist jedoch immer daßelbe: Eine Vorrichtung schätzt die Beschleunigung der Gruppe; sobald sie als annormal geschätzt wird, betätigt man eine schnelle Schließung der Hoch- und Niederdruckventile der Turbine.

Dies gestattet es, die Gleichlaufverluste der Gruppe mit Überdrehzahl zu vermeiden, indem die Grenzzeiten der Elimi nierung von Kurzschlüssen leicht erhöht werden.

Die größeren Unannehmlichkeiten dieses Systems gelten seiner Widerstandsfähigkeit und speziell der Tatsache, daß es sich um eine Alles-oder-Nichts-Vorrichtung handelt, wodurch die Wahl der Schaltschwelle extrem schwierig wird. Falls die Be schleunigung der Gruppe die Schwelle unterschreitet, ist der Beschleunigungsmesser nicht wirksam. Bei einer Beschleuni gung, die die Schwelle leicht überschreitet, werden die Ven tile für eine bestimmte Zeit geschlossen. Dies stellt einen extrem einschneidenden Vorgang dar, wobei eine partielle Schließung der Ventile genügt hätte, um die Stabilität der Gruppe aufrechtzuhalten.

Die offensichtlichen Schwierigkeiten bestehen einerseits darin, daß ein sehr beträchtlicher Verschleiß der Ventile verursacht wird und andererseits, daß während einer bestimm ten Zeit die von der Gruppe produzierte Leistung verringert wird, was dem gesamten Gleichgewicht Produktion-Verbrauch schadet. Es ist daher notwendig, daß andere Gruppen im Netz dieses Ungleichgewicht kompensieren, so daß die somit verur sachte Störung die Ermüdung der Gruppen erhöht, die von vorn herein von der ersten Störung nicht betroffen waren. Eine weitere Unannehmlichkeit rührt von der Tatsache her, daß die durch die schnelle Schließung der Ventile erzeugte Störung einen Stoß hervorruft, der elektromechanische Schwingungen auf der Ebene des Wechselstromgenerators bewirkt. Diese auf die Drehzahl der Gruppe wirkenden Schwingungen führen in zahlreichen Fällen zu weiteren, ungewollten Beanspruchungen des Schwellenbeschleunigungsmessers. Dieser Prozeß erhöht noch das entstandene Leistungsdefizit und kann in bestimmten Netzstrukturen zu einem Zustand ungedämpfter Schwingungen, ja sogar zu Gleichlaufverlusten bei Unterdrehzahl führen.

Es ist festzustellen, daß die Schätzung der Beschleunigung der Gruppe üblicherweise durchgeführt wird, indem die Messung der Geschwindigkeit abgeleitet wird. Diese Vorgehensweise hat die Unannehmlichkeit, das Geräusch der Messung der Geschwin digkeit zu verstärken, die häufig sehr groß ist. Es ist daher notwendig, dieses Geräusch stark durch Filtern zu dämpfen, was häufig der Grund für eine nicht zu vernachlässigende Ver zögerung bei der Störungsermittlung ist.

Weiterhin ist ein als µ-rec Regler bezeichneter Regler be kannt (siehe D. Deloues "Advantages of the Microrec System" GEC. Alsthom Technical Review, 1990 n° 3), der etwas lei stungsfähiger als der Schwellenbeschleunigungsmesser ist. Es handelt sich um die Kombination eines sogenannten dynamischen Korrekturelements mit einem dynamischen Hochdruck-Nieder druck-Wechselwirkungselement. Das dynamische Korrekturelement ist ein Regler mit großen Bewegungen, der kontinuierlich ar beitet und nicht nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip. Er ge stattet es, die Verstärkung des Reglers vorübergehend zu er höhen, wenn eine Störung entdeckt worden ist, und somit mit der Maßnahme zu reagieren, die exakt dem Umfang der Störung angemessen ist. Die dynamische Wechselwirkung gestattet es daher, das Wirken der Hoch- und Niederdruckventile zu koordi nieren, indem das Niederdruckventil dazu gebracht wird, den Bewegungen des Hochdruckventils in den ersten Momenten der Störung zu folgen.

Die Methodik, nach der dieser Regler entwickelt worden ist, ist jedoch nicht einleuchtend. Daher erscheint die Optimie rung seiner Regelung sehr schwierig. Andererseits hat es nicht den Anschein, daß dieser Regler über zufriedenstellende Fähigkeiten zur Wiedersynchronisierung verfügt, oder zu die sem Zweck jemals ein Schritt unternommen worden ist.

Eine weitere wichtige Eigenschaft eines Reglers ist in der Tat seine Fähigkeit, bei der Wiederfindung des Gleichlaufs einer Maschine beizutragen, die diesen während einer zu um fangreichen Störung verloren hat, denn eine außer Tritt ge fallene Maschine oder Zone liefert an das Netz keine Wattlei stung mehr und muß nach einigen Sekunden abgeschaltet werden. Wenn sie die Möglichkeit hat, sich in dieser Zeit wieder zu synchronisieren, brauchen die anderen Maschinen das Lei stungsdefizit nicht auszugleichen. Daher ist es wichtig, eine Maschine, die den Gleichlauf verloren hat, schnellstmöglich wieder in Betrieb zu setzen.

Ein guter Geschwindigkeitsregler soll daher ein korrektes Verhalten sowohl bei kleinen als auch großen Bewegungen ge währleisten. Diese beiden Ziele sind zu entgegengesetzt, um mittels eines einzigen funktionellen Moduls realisiert zu werden.

Die Erfindung zielt auf die Beseitigung der Unannehmlichkei ten der bekannten Regler, indem sie ausgehend von klaren me thodologischen Prinzipien eine Geschwindigkeitsregelungsvor richtung schafft, die die für jede Situation und in jedem Moment ihres Einsatzes geforderten Leistungen erbringt.

Sie hat daher eine Geschwindigkeitsregelungsvorrichtung für eine Turbogeneratorgruppe zum Gegenstand, dadurch gekenn zeichnet, daß sie einen ersten Regler für die kleinen Bewe gungen aufweist, der dazu bestimmt ist, eine Betriebslei stungsregelung zu gewährleisten, wobei dieser erste Regler optimiert ist, um die Stabilität des Wechselstromgenerators im Bereich seines eingeschwungenen Zustands unabhängig von der berücksichtigten Netzstruktur aufrechtzuerhalten, wobei ein zweiter Regler für die großen Bewegungen dazu bestimmt ist, den heftigsten Störungen, die auftreten können, wirksam entgegenzuwirken, und wobei eine Detektorvorrichtung für die Änderungen des Signals der elektrischen Leistung das Umschal ten des ersten und zweiten Reglers gewährleistet, um den Öff nungsgrads der Hoch- und Niederdruckventile der Antriebstur bine des Wechselstromgenerators mittels des ersten oder des zweiten Reglers zu steuern.

Die Erfindung läßt sich aus dem Studium der nachfolgenden Beschreibung besser verstehen, die in Bezug auf die beilie genden Zeichnungen beispielhaft erfolgt. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Linearisie rung des Niederdruckventils der Regelvorrichtung ge mäß der Erfindung,

Fig. 2 ein allgemeines Blockschaltbild einer Regelvorrich tung gemäß der vorliegenden Erfindung,

Fig. 3 ein Blockschaltbild des Reglers für kleine Bewegun gen, der Teil der Regelvorrichtung gemäß der Erfin dung ist,

Fig. 4 ein Blockschaltbild des Reglers für große Bewegungen, der in die Konstruktion der Regelvorrichtung gemäß der Erfindung eingeht, und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Umschaltvorrichtung, die in die Konstruktion der Regelvorrichtung gemäß der Er findung eingeht.

Aus den oben genannten Gründen ermöglichen es weder der Schwellenbeschleunigungsmesser noch die Verbesserungen, die dazu ausgeführt wurden, um zu dem Regler mit dynamischem Kor rekturelement kombiniert mit dem dynamischen Wechselwirkungs element (µ-rec) zu gelangen, vollständig den genannten Be dürfnissen zu entsprechen. Diese beiden Regler haben zufrie denstellende Leistungen bei einem korrekten Funktionieren des elektrischen Systems, und ihre Verwendung bei den üblichen Betriebsbedingungen ist relativ zufriedenstellend.

Die nachfolgend beschriebene Vorrichtung ermöglicht es in der Tat, höhere Leistungen, die sowohl im eingeschwungenen Zu stand als auch im gestörten Zustand deutlich werden, zu er halten.

Die Geschwindigkeitsregelung der Turbowechselstrom-Generator gruppen ist ein Thema, das ursprünglich in der Literatur, besonders im Ausland, ausführlich behandelt wurde. Die mei sten der jüngsten Artikel sind leider Universitätsstudien, deren praktische Anwendung außerhalb der angegebenen akademi schen Beispiele schwierig erscheint. Insbesondere werden die Leistungen der angegebenen Regler stets für eine sehr einge schränkte Anzahl von Beispielen in den Vordergrund gestellt. Falls es einfach ist, jedes der oben genannten Ziele zu er reichen, scheint keine der angegebenen Arbeiten der Gesamt heit der geforderten Bedingungen zu genügen. Die markantesten Ausführungsformen, die Gegenstand einer industriellen Anwen dung waren, sind in der Minderzahl.

Die Studie von Y. Morioka, H. Tanaka, T. Kojima, T. Suzuki, S. Hanada "Application of Multivariable Optimal Controller to Real Power Systems", IEEE PES Winter Meeting, Februar 1994, präsentiert Ergebnisse, die in Bezug auf kleine Bewegungen interessant sind. Es wird jedoch nichts genaueres ausgeführt in Bezug auf das Verhalten der beschriebenen Vorrichtung bei großen Bewegungen sowie speziell in Bezug auf die Art und Weise, wie die gegensätzlichen Ziele erhalten werden, nämlich einen wirksamen Betrieb mit großen Bewegungen zu erhalten, ohne die Ventile bei kleinen Bewegungen zu stark zu beanspru chen.

NEI-Parsons seinerseits präsentiert in P.A.L. "Ham Digital Turbine Governor and AVR Systems", 10th Int. Conf. on Power Stations, Liege, Belgien, September 1989, einen Regler, der an Ventile mit ultraschneller Bewegung angeschlossen ist. Die erhaltenen Leistungen sind jedoch nicht besser als für den Regler mit dynamischem Korrekturelement, der mit dem dynami schen Wechselwirkungselement kombiniert ist, wohingegen vom theoretischen Standpunkt aus die Erhöhung der Geschwindigkeit der Ventile zu erhöhten Leistungen führen müßte. Man kann daher ableiten, daß die Steuerlogik dieser Ventile nicht op timal ist, um die im Netz vorhandenen Störungen bestens aus zuschließen.

Die Regelvorrichtung, die in Bezug auf Fig. 1 bis 5 beschrie ben wird, ermöglicht es, den oben genannten Zielen gerecht zu werden.

Es handelt sich in der Tat darum, eine Vorrichtung zu schaf fen, die die Position der Hoch- und Niederdruckventile der Antriebsturbine des Wechselstromgenerators ausgehend von ver fügbaren Messungen berechnet.

Die Gleichungen der Antriebsturbine des Wechselstromgenera tors sind folgende:

T_H₁ = - x₁ + u₁
T_S₂ = x₁ - x₂x₃
T₁₃ = - x₃ + u₂
T_B₄ = - x₄ + x₂x₃

wobei x₁ die Leistung bzw. der Durchsatz oder der Hochdruck HP, x₂ der Druck des Überhitzers, x₃ die Öffnung des Nieder druckventils und x₄ der Niederdruck BP ist. Es wird festge stellt, daß z die vom Überhitzer der Turbine (z=x₂x₃) abgege bene Leistung, aber keine zusätzliche Zustandsgröße ist. u₁ und u₂ sind die Steuerungen des Hochdruckventils bzw. des Niederdruckventils. T_H bezeichnet die äquivalente Zeitkon stante des Hochdruckgehäuses mit der Steuerkette der Ventile, T_S ist die Zeitkonstante des Wiederüberhitzers, T₁ ist die Zeitkonstante der Steuerkette der Niederdruckventile, und T_B repräsentiert die Zeitkonstante des Niederdruckgehäuses.

Dies stellt ein nichtlineares Modell dar, dessen Verhalten bei kleinen Bewegungen je nach Betriebspunkt des Wechsel stromgenerators variiert. Diese Variationen erschweren die Konzeption der Geschwindigkeitsregelung: Ein für einen gege benen Betriebspunkt optimierter Regler wird den anderen Be triebspunkten weniger gute Leistungen liefern.

Es ist leicht festzustellen, daß die einzige Nichtlinearität des Systems vom Niederdruckventil herrührt. Die Idee besteht also darin, eine linearisierende Vorrichtung zwischen den Geschwindigkeitsregler und dem Niederdruckventil zu schalten. Anstatt einfach den Ausgang des Reglers an der bzw. zur Steuerung des Niederdruckventils anzulegen, wird er im Ein gang der linearisierenden Vorrichtung angelegt. Letztgenannte berechnet daher die Steuerung des Niederdruckventils derart, daß die durch das Niederdruckventil bedingte Nichtlinearität nicht von außen erkennbar ist. Anders ausgedrückt, weist die Schaltung Turbine-linearisierender Regler ein lineares Ver halten auf (das daher nicht als Funktion des Betriebspunkts variiert). Dies geht aus Fig. 1 hervor.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Antriebsturbine 1 ei nes nicht dargestellten Wechselstromgenerators.

Der Ausgang der Turbine 1 ist einerseits an den Eingang eines Reglers LQ des linear-quadratischen Typs und andererseits an einen Steuereingang einer nichtlinearen Schleifenschaltung 3 angeschlossen.

Der Ausgang der Schaltung 3 ist an einen Steuereingang 5 des Niederdruckventils der Turbine 1 angeschlossen.

Der Regler 2 weist einen ersten Ausgang auf, der an einen Steuereingang 4 des Hochdruckventils der Turbine 1 ange schlossen ist, sowie einen zweiten Ausgang, der an einen an deren Eingang der nichtlinearen Schleifenschaltung 3 ange schlossen ist.

In Fig. 2 ist das allgemeine Blockschaltbild der erfindungs geinäßen Regelvorrichtung wiedergegeben.

Diese Vorrichtung weist einen Regler für kleine Bewegungen I und einen Regler für große Bewegungen II auf, deren Eingänge mittels klassischer Erfassungskarten an nicht dargestellte Meßfühler angeschlossen sind, nämlich Meßfühler für:

- den Druck des Hochdruckgehäuses
- den Druck des Überhitzers
- die Position des Niederdruckventils
- den Druck des Niederdruckgehäuses
- Δf, und
- die elektrische Leistung.

Die Einheit, die von den Reglern I und II und dem vom Stö rungsdetektor IV gesteuerten Umschalter III gebildet ist, kommt beispielsweise auf einem Mikrorechner des Typs PC zum Einsatz und steuert die Betätigungsgeräte der Hoch- und Nie derdruckventile.

Nachfolgend wird v₂ als Eingang der linearisierenden Vorrich tung bezeichnet.

Diese Vorrichtung gewährleistet sowohl einen gleichzeitig linearen Betrieb als auch einen Betrieb, der dem natürlichen Funktionieren der Turbine so nahe wie möglich kommt. Es ist leicht festzustellen, daß dies in der folgenden Funktion rea lisiert werden kann:

x₂₀·v₂ = (u₂-1)x₂ + T₁/T_S(x₁-z) (z/x₂-1) (1)

wobei x₂₀ den Auslegungspunkt des Reglers bezeichnet, der beispielsweise der nominale Betriebspunkt der Turbine sein kann: x₂₀ = 1.

Dieser Regler sichert der Turbine das folgende lineare Ver halten:

T_H₁ = - x₁ + u₁
T_S₂ = x₁ - z
T₁ = T₁/T_S(x₁ - z) + x₂ - z + v₂
T_B₄ = - x₄ + z

Nunmehr werden die Regler für kleine und große Bewegungen beschrieben, die u₁ und v₂ ausgehend von an der Turbine ver fügbaren Messungen berechnen.

Der Regler für kleine Bewegungen ist als Blockschaltbild in Fig. 3 wiedergegeben.

Dieser Regler weist einen ersten Integrator 7 auf, um die Größe auszuarbeiten:

was die Abwesenheit des statischen Fehlers im eingeschwunge nen Zustand gewährleistet.

Der Integrator 7 empfängt an seinen Eingängen das Ausgangssi gnal P_e eines nicht dargestellten Meßfühlers für die elektri sche Leistung sowie ein Signal Δf.

Um ein korrektes Einschwingverhalten zu erhalten, das durch eine ausreichend schnelle Ansprechzeit und frei von schwach gedämpften Schwingungen verwirklicht wird, ist es notwendig, für die Regelung die wichtigen Betriebsvariablen des Wechsel stromgenerators zu nutzen.

Neben den vorgenannten Signalen P_e und Δf müssen die Werte des Dampfdrucks in den verschiedenen nachfolgend mittels P₁ bezeichneten Gehäusen gemessen werden, wobei i das Gehäuse des Hochdruckventils, den Überhitzer und das Gehäuse des Nie derdruckventils repräsentiert.

Dies führt zu der Ausführung eines Reglers, der die Position der Hoch- und Niederdruckventile (u₁ und u₂) gemäß dem fol genden Gesetz steuert:

wodurch gewährleistet wird, daß das Niederdruckventil im ein geschwungenen Zustand offen bleibt.

Gleichung (3) ist in Fig. 3 mittels eines zweiten Integrators 8 verwirklicht.

Die Ausgänge ∈₁ und ∈₂ der Integratoren 7 und 8 sind an einer Schaltung 9 zur Erzeugung der Signale u₁ und v₂ angelegt, die an vier weiteren ihrer Eingänge jeweils ein Ausgangssignal eines mit einem Hochdruckgehäuse verbundenen Druckmeßfühlers, eines Druckmeßfühlers des Überhitzers, eines Positionsmeßfüh lers des Niederdruckventils und eines Druckmeßfühlers des Niederdruckgehäuses (nicht dargestellt) empfängt.

Die Schaltung 9 ist eine Schaltung, die die Ausführung einer linearen Funktion gestattet, was zu dem folgenden Regler führt:

[u₁v₂)^T = K(X),

wobei K eine Matrix ist, die zwei Zeilen und eben so viele Spalten wie gemessene Variablen aufweist.

K kann beispielsweise mittels einer Methode des linearen qua dratischen Typs (LQ) berechnet werden. Diese Methode ist im vorliegenden Fall besonders geeignet, da die verschiedenen, im System eingebrachten Variablen gewichtet werden: Die Ge wichtung von ∈₁ ermöglicht es, die Geschwindigkeit, mit der der Einstellwert erreicht wird, zu regeln; die Gewichtung von ω gestattet es, das Einschwingverhalten der Gruppe einzu stellen, und die Gewichtungen von u₁ und u₂ definieren die entsprechende Wirkungsweise der beiden Ventile bei der Reali sierung dieser beiden Ziele. u₂ wird sehr stark gewichtet, so daß seine Wirkung maximal begrenzt wird. Einzig das Hoch druckventil ist in kleinen Bewegungen wirklich nützlich.

Der Ausgang der Schaltung 9, der das Signal v₂ liefert, ist an eine Linearisierungsschaltung 10 zur Steuerung des Nieder druckventils angeschlossen, wodurch die Gleichung (1) ausge führt wird.

Der Regler für die großen Bewegungen wird in Bezug auf Fig. 4 beschrieben. Dieser Regler ist dem in Bezug auf Fig. 3 be schriebenen ähnlich, mit Ausnahme dessen, daß er ein Tiefpaß filter 11 aufweist, das an den Eingang des Integrators 7 an geschlossen ist, welcher mit dem Meßfühler für die elektri sche Leistung verbunden ist.

Dieser Regler, der nach einer Störung zum Einsatz kommt, muß eine energische Wirkungsweise haben, um die Gleichlaufver lustrisiken maximal zu vermeiden. In funktioneller Hinsicht ist seine Struktur der des Reglers für kleine Bewegungen sehr ähnlich, zwei grundlegende Unterschiede erklären jedoch sein verschiedenes Verhalten.

Einerseits hat die Verstärkungsmatrix K der Gleichung (4) leicht höhere Werte als für kleine Bewegungen. Dies gestattet es, größere Ventilbewegungen für eine ähnliche Variation der gemessenen Größen (z. B. Drehzahl) zu erhalten. Dies ver leiht dem Regler ein größeres Durchlaßband und ermöglicht es, die Gleichgewichte, die infolge der Störung beseitigt worden waren, schnellstmöglich wiederherzustellen. Diese Verstär kungsmatrix kann wie zuvor mittels der linear-quadratischen Methode LQ berechnet werden, indem die ω und ε₁ entsprechen den Gewichtungen erhöht werden. Die Gewichtungsmatrix von den Steuerungen gestattet es außerdem, die jeweilige Beteiligung des Hoch- und Niederdruckventils an der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zu wählen. In diesem Fall wählt man eine Pa rallelführung der beiden Ventile, um maximal deren Effizienz auszunutzen.

Andererseits wird das Signal ε₁ - und dies ist einer der Punkte, der einen grundlegenden Unterschied im Verhältnis zu den bekannten Reglern darstellt - nicht mehr übereinstimmend mit der Gleichung (2) berechnet. Es verifiziert die Glei chung:

wobei P_ef der durch das Tiefpaßfilter 11 gefilterte Wert Pe ist. Man kann beispielsweise einen Butterworth Filter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 1 Hz wählen.

Diese Vorgehensweise ermöglicht die Verbesserung des Verhal tens des Reglers aus folgendem Grund. Das Verhalten bei nied rigen Frequenzen wird nicht modifiziert und ε₁ gestattet es, stets denselben eingeschwungenen Zustand zu erhalten. Bei einer Störung hingegen, wenn P_e schnell variiert, bewegt sich P_ef nicht in den ersten Momenten. Aus diesem Grund stellt ∈₁ das Integral der Variationen der Frequenz dar, was mit ande ren Worten heißt, daß man die Winkelvariationen der betrach teten Gruppe im Verhältnis zum Rest des Netzes in Betracht zieht. Man erhält praktisch folgenden Effekt: Wenn die Über drehzahl abgebaut ist, sieht man, ob die Gruppe gegenüber dem Rest des Netzes einen Vorlauf hat. Falls ja, werden die Ven tile für eine bestimmte Zeit geschlossen gehalten, um die Gruppe langsamer werden zu lassen und diesen Vorlauf aus zu gleichen.

Es ist zu bemerken, daß diese längere Schließung der Ventile für die Wiedersynchronisation fördernd ist. Wenn die Gruppe den Gleichlauf verloren hat, ist ihre Geschwindigkeit höher als die Bezugsgeschwindigkeit. Der relative Winkel steigt daher schnell, was sich in einer Variation von ε₁ ausdrückt. Die entsprechenden Verstärkungen in der Matrix K gestatten es daher, die Ventile länger geschlossen zu halten, was wohlge merkt eine fördernde Auswirkung auf die Wiedersynchronisation hat. Simulationen haben die Wirksamkeit dieser Vorrichtung bestätigt.

Die Umschaltvorrichtung zwischen den Reglern für kleine Bewe gungen und dem Regler für große Bewegungen wird nunmehr in Bezug auf Fig. 5 beschrieben.

Sobald eine Störung eintritt, ist es unerläßlich, schnell zu reagieren. Deshalb geht es darum, die Störung schnellstmög lich zu entdecken, um die geeignete Maßnahme zu ergreifen.

Die in Frankreich angewandten Störungserfassungstechniken basieren alle auf demselben Prinzip. Der Ausgangspunkt be steht darin, daß vermieden werden muß, daß die Gruppe eine zu große Geschwindigkeit erreicht (es wird daran erinnert, daß ein Schutz existiert, der die Gruppe ausklinkt, sobald die Drehzahl eine z. B. auf 53 Hz festgelegte Schwelle über schreitet) . Vorwegnehmend leitet man die Messung der Ge schwindigkeit elektronisch ab, um die Beschleunigung zu schätzen, und man vergleicht diese Beschleunigung mit einer Schwelle. Sobald die Schwelle überschritten ist, schaltet man auf den Regler für große Bewegungen um.

Die Unannehmlichkeiten dieser Methode sind auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Messung der Geschwindigkeit abgelei tet wird. Da diese Messung sehr geräuschbelastet ist (insbesondere durch die Torsionsschwingungen des Wellen strangs), ist die Schätzung dieses Differentialquotienten wenig zuverlässig und verursacht häufig ungewolltes Ausklin ken. Um dieses Ausklinken einzuschränken, ist man gezwungen, den Differentialquotienten zu filtern, was eine Verzögerung mit sich bringt, die schädlich ist für das Eintreten in Schnellbetrieb des Reglers für große Bewegungen.

Um diesen Schwierigkeiten beizukommen, hat die Anmelderin erwogen, auf die Ursachen der Variation der Geschwindigkeit zurückzukommen. Nach der Gleichung der sich drehenden Massen ist die Beschleunigung der Gruppe durch die Differenz zwi schen dem von der Turbine abgegebenen Motordrehmoment und dem an das Netz abgegebenen mechanischen Moment bedingt. Anstatt die Messung der Geschwindigkeit abzuleiten, ist es daher na türlich, die Messung der elektrischen Leistung zu nutzen und deren Variationen zu betrachten. Da man keine Ableitung vor genommen hat, ist dieses Signal gering geräuschbelastet. Es ist daher unnütz, es zu energisch zu filtern, so daß man da her die Herbeiführung einer Verzögerung vermeidet, die für die guten Leistungen der Einheit schädlich wäre.

Sobald eine Störung entdeckt worden ist, schaltet man folg lich auf den Regler für große Bewegungen um (Fig. 4). Um ei nen heftigen Stoß auf die Ventile zu vermeiden, fügt man eine sogenannte Anti-Stoß-Vorrichtung hinzu, die dafür sorgt, daß der Ausgang des Reglers, der nicht in Betrieb ist, dem Aus gang des anderen Reglers folgt. Bei der Umschaltung erfolgt daher das Wechseln zwischen den beiden Reglern ohne Ausset zen.

Die Umschaltung in den entgegengesetzten Sinn erfolgt, indem die Geschwindigkeits- und Leistungsmessungen des Wechsel stromgenerators überwacht werden. Sobald man den Gleichge wichtszustand wieder erreicht hat (dies dauert gewöhnlich einige Sekunden bis einige Dutzend Sekunden), kann man erneut auf den Regler für kleine Bewegungen wechseln, um die Ventile wirtschaftlich zu nutzen.

Die in Fig. 5 dargestellte Umschaltvorrichtung weist eine Schaltung 12 zum Messen der elektrischen Leistung auf, die von der Gruppe abgegeben wird und deren Ausgang an eine Schwellenschaltung 13 angeschlossen ist, der den Übergang vom Regler für kleine Bewegungen (Fig. 3) zum Regler für große Bewegungen (Fig. 4) oder umgekehrt gemäß dem oben beschriebe nen Prozeß steuert.

Die eben beschriebene Vorrichtung gestattet sowohl im einge schwungenen Zustand als auch im gestörten Zustand den Erhalt von Leistungen, die alles bekannte übertreffen.

Sie realisiert korrekt die Leistungsregelung und gewährlei stet somit ein perfektes Nachführen des Einstellwerts im ein geschwungenen Zustand, und dies sogar bei Auslegungsunsicher heiten der Ventile der Turbine.

Diese Leistungsregelung funktioniert korrekt, unabhängig von der Topologie des betrachteten Netzes, d. h. sowohl im Ver bundnetz als auch im isolierten Netz.

Der Übergang vom Regler für kleine Bewegungen zum Regler für große Bewegungen erfolgt schnell und ist mit geringen Risiken ungewollten Ausklinkens bzw. Ausrastens gewährleistet.

Weiterhin sind die unnützen Ausrastvorgänge viel weniger stö rend als bei dem Schwellenbeschleunigungsmesser, da die Wir kungsweise des Reglers für große Bewegungen nicht nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip vonstatten geht. Es gibt daher im Netz keine größeren Störungen oder zeitweilige Produktionsde fizite.

Der Regler für große Bewegungen hat eine energische, aber perfekt dosierte Wirkungsweise. Er garantiert größere Grenz zeiten der Kurzschlußeliminierung als die üblicherweise fest gestellten, wobei er die durch die Störung bedingten elektro mechanischen Schwingungen schneller dämpft als der Schwellen beschleunigungsmesser.

Die globale Syntheseannäherung des Reglers gestattet eine große Flexibilität in der Ausführung von Reglern für ver schiedene Turbinenmodelle. Es ist leicht, das Verhalten der Regler für kleine und große Bewegungen mit Hilfe verschiedener Gewichtungsmatrizen der linear-quadratischen Vorrichtung LQ zu optimieren. Man kann beispielsweise das Durchlaßband der Regler regeln, um die beste Kompromißlösung zwischen den Lei stungen der Regelung und der Abnutzung der Ventile zu finden, und um auch die jeweilige Amplitude der Bewegungen der Hoch- und Niederdruckventile zu bestimmen. Bei kleinen Bewegungen beispielsweise wünscht man, daß das Niederdruckventil sich wenig bewegt, wohingegen bei großen Bewegungen eine Parallel führung der beiden Ventile bevorzugt wird.

Die guten Wiedersynchronisierkapazitäten des Reglers gestat ten es, sich vor den schwersten Zwischenfällen zu schützen, was eine gute Sicherheit im Netz selbst in den am stärksten gestörten Netzstrukturen gewährleistet.

Schließlich sichert die Linearisierung des Niederdruckventils für alle Betriebszustände ein optimales Verhalten der Rege lung.

Claims

1. Geschwindigkeitsregelvorrichtung für eine Turbowechsel stromgeneratorgruppe, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen ersten Regler (I) für kleine Bewegungen aufweist, der dazu bestimmt ist, eine Regelung der Be triebsleistung zu gewährleisten, wobei dieser erste Reg ler (I) optimiert ist, um die Stabilität des Wechsel stromgenerators im Bereich seines eingeschwungenen Zu stands aufrechtzuerhalten, unabhängig von der Struktur des betrachteten Netzes, einen zweiter Regler (II) für die großen Bewegungen dazu bestimmt ist, wirksam den hef tigsten Störungen, die entstehen können, entgegenzuwir ken, und eine Detektorvorrichtung (IV) für die Variatio nen des Signals der elektrischen Leistung, die die Um schaltung des ersten und des zweiten Reglers (I, II) ge währleistet, um den Öffnungsgrad der Hoch- und Nieder druckventile der Antriebsturbine des Turbowechselstromge nerators mittels des ersten Reglers (I) oder des zweiten Reglers (II) zu steuern.

2. Regelvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Regler (I) für kleine Bewegungen einen er sten Integrator (7) aufweist, der an seinen Eingängen ein Signal P_e der vom Wechselstromgenerator abgegebenen elek trischen Leistung sowie ein Signal Δf der Differenz zwi schen der gemessenen Frequenz und der Nennfrequenz des Netzes empfängt, sowie einen zweiten Integrator, dessen Eingang an eine Linearisierungsschaltung (10) der Steue rung des Niederdruckventils der Antriebsturbine des Wech selstromgenerators angeschlossen ist, wobei die Ausgänge des ersten und zweiten Integrators an eine Schaltung (9) zur Anwendung einer linearen Funktion [u₁v₂]^T = K(X) ange schlossen sind, in der u₁ das Steuersignal des Hoch druckventils ist, v₂ das Ausgangssignal der Schaltung (9) ist, die das Niederdruckventil steuert, K eine Matrix ist mit zwei Zeilen und soviel Spalten wie gemessene Varia blen, wobei besagte Schaltung (9) außerdem Eingänge hat, an denen Drucksignale des Hochdruckgehäuses, des Nieder druckgehäuses, des Überhitzers der Turbine sowie Posi tionssignale des Niederdruckventils angelegt sind, und daß der Ausgang der Schaltung (9) zur Anwendung besagter linearer Funktion außerdem mit dem Eingang der Lineari sierungsschaltung (10) verbunden ist.

3. Regelvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Regler (II) für große Bewegungen einen er sten Integrator (7) aufweist, der an seinen Eingängen ein durch den Wechselstromgenerator abgegebenes Signal der elektrischen Leistung Pe und ein Differenzsignal Δf zwi schen der gemessenen Frequenz und der Nennfrequenz des Netzes empfängt, ein zweiter Integrator, dessen Eingang an eine Linearisierungsschaltung (10) der Steuerung des Niederdruckventils der Antriebsturbine des Wechselstrom generators angeschlossen ist, wobei die Ausgänge des er sten und zweiten Integrators an eine Schaltung (9) zur Anwendung einer linearen Funktion [u₁v₂]^T = K(X) angeschlossen sind, in der u₁ das Steuersi gnal des Hochdruckventils ist, v₂ das Ausgangssignal der Schaltung (9) ist, die das Niederdruckventil steuert, K eine Matrix ist mit zwei Zeilen und soviel Spalten wie es gemessene Variablen gibt, wobei besagte Schaltung (9) außerdem Eingänge hat, an denen Drucksignale des Hoch druckgehäuses, des Niederdruckgehäuses, des Überhitzers der Turbine und Positionssignale des Niederdruckventils angelegt sind, und
daß der Ausgang der Schaltung (9) zur Anwendung besagter linearer Funktion außerdem mit dem Eingang der Lineari sierungsschaltung (10) verbunden ist, wobei besagter zweiter Regler (II) für große Bewegungen außerdem ein Tiefpaßfilter (11) aufweist, das an den Eingang des er sten Integrators (7) angeschlossen ist, der das Signal Pe der elektrischen Leistung empfängt.

4. Regelvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß für den ersten Regler (I) für kleine Bewegungen der erste Integrator (7) dazu bestimmt ist, eine Größe zu erzeugen, in der P_o eine Ein stellgröße der Leistung, P_e die von der Gruppe abgegebene elektrische Leistung ist, Δf die Differenz zwischen der gemessenen Frequenz und der Nennfrequenz des Netzes ist, und
daß der zweite Integrator (8) dazu bestimmt ist, eine Größe ε₂ zu erzeugen, die die Gleichung erfüllt, in der u₂ das Steuersignal des Niederdruckventils der Turbine ist.

5. Regelvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß für den zweiten Regler (II) für die großen Bewegungen der erste Integrator (7) dazu bestimmt ist, eine Größe ε₁ zu erzeugen, die die Gleichung erfüllt, in der P_o eine Ein stellgröße der Leistung ist, P_ef der Wert der elektri schen Leistung P_e ist, die von der Gruppe abgegeben wird, die durch das Tiefpaßfilter (11) gefiltert wird.

6. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearisierungsschaltung (10) der Steuerung des Niederdruckventils die Gleichung anwendet: x₂₀ v₂ = (u₂ - 1) x 2 + T₁/T_S (x₁-z) (z/x₂ - 1) ,in der X₂₀ den Auslegungspunkt für den Regler bezeichnet, der beispielsweise der nominale Betriebspunkt der Turbine x₂₀=1 sein kann, v₂ das Eingangssignal der Linearisie rungsschaltung ist, u₂ das Steuersignal des Niederdruck ventils ist, x₂ der Druck des Überhitzers ist, T₁ die Zeitkonstante der Steuerkette der Niederdruckventile ist, T_S die Zeitkonstante des Überhitzers ist, x₁ die Leistung oder der Hochdruck ist und z die Ausgangsleistung des Überhitzers ist.

7. Regelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorvorrichtung für die Variationen der elek trischen Leistung eine Schaltung (12) zum Messen der !elektrischen Leistung aufweist, die von der Gruppe abge geben wird und deren Ausgang an eine Schwellenschaltung (13) angeschlossen ist, die die Steuerung der Hoch- und Niederdruckventile der Turbine durch den ersten Regler für kleine Bewegungen (I) oder den zweiten Regler für große Bewegungen (II) bestimmt.