This paper examines the automatic voltage regulator (AVR) of the brushless excitation system for the T3V-1200–2AUZ turbogenerator in VVER-1200 NPP units. The algorithms, forcing modes, field suppression, static and dynamic stability are analyzed in detail. The structure of AVR channels including the PSS stabilizer is described. Based on the operational experience of Novovoronezh NPP-2, the requirements for response time, behavior under short circuits, tuning features of the PID controller for brushless systems, as well as diagnostic methods for rotating diodes are discussed. Recommendations for further improvement are provided.

Keywords: AVR, excitation regulation, forcing, field suppression, VVER-1200, turbogenerator, brushless excitation, static stability, PSS, diagnostics, PID controller.

Система автоматического регулирования возбуждения (АРВ) является ключевым элементом управления турбогенератором. От её характеристик зависят статическая и динамическая устойчивость энергоблока, качество выдаваемой электроэнергии и работоспособность в переходных режимах [2, 5]. Особое значение АРВ приобретает на атомных станциях, где требования к надежности и длительности непрерывной работы выше, чем на тепловых электростанциях.

Для энергоблоков ВВЭР-1200 с турбогенератором Т3В-1200–2АУЗ и бесщеточной системой возбуждения АРВ имеет ряд особенностей, обусловленных отсутствием прямого доступа к току ротора, наличием вращающихся диодных выпрямителей, большими постоянными времени и необходимостью работы в условиях длительных тепловых переходных процессов [1, 3, 6]. Цель настоящей статьи — детальный анализ структуры, режимов, настроек и методов диагностики АРВ применительно к указанному типу оборудования.

1. Структура системы регулирования возбуждения:

Система АРВ турбогенератора ВВЭР-1200 построена по двухканальному принципу с полным резервированием и включает следующие основные функциональные каналы [5, 6]:

– Канал регулирования напряжения — поддержание напряжения на выводах генератора с заданной статической точностью (обычно ±0,5 %), реализованное по ПИД-закону.

– Канал стабилизации (PSS — power system stabilizer) — демпфирование низкочастотных колебаний ротора в диапазоне 0,1–3 Гц за счёт введения дополнительного сигнала по отклонению частоты вращения или активной мощности.

– Канал ограничений — защита по току ротора (перевозбуждение), току статора (перегрузка), минимальному и максимальному напряжению возбуждения с независимыми выдержками времени.

– Канал форсировки — автоматическое увеличение напряжения возбуждения при глубоких снижениях напряжения в сети (на 5–10 % и более).

Управляющее воздействие от АРВ подаётся на систему подвозбуждения обращенного синхронного возбудителя (серия БВД), который питает вращающиеся диодные выпрямители, расположенные непосредственно на валу турбогенератора [3, 6].

2. Режимы работы АРВ:

2.1. Нормальный режим:

В установившемся режиме работы АРВ поддерживает напряжение статора с отклонением не более ±0,5–1,0 % от номинального значения [2, 5]. При работе синхронного генератора на атомной станции предъявляются повышенные требования к долговременной стабильности, так как часто наблюдаются длительные переходные процессы, связанные с тепловой инерцией реактора и ступенчатым изменением мощности (например, при маневрировании) [4].

2.2. Форсировка возбуждения:

При снижении напряжения на выводах генератора на 5–10 % ниже номинального АРВ переходит в режим форсировки. Уставка срабатывания форсировки обычно составляет 0,90–0,95 от номинального напряжения. Для бесщеточной системы возбуждения ВВЭР-1200 максимальное напряжение возбуждения (потолок форсировки) достигает 1,8–2,2 от номинального значения, а ток ротора — до 1,5–2,0 от номинала. Время нарастания напряжения до потолка форсировки составляет, как правило, не более 0,3–0,5 с, что несколько больше, чем у статических систем, но допустимо по условиям устойчивости [2]. Допустимая длительность форсировки ограничена 10–20 секундами во избежание перегрева обмотки ротора.

При трёхфазном коротком замыкании на шинах генераторного напряжения форсировка позволяет удержать генератор в синхронизме в течение 0,5–0,8 с до отключения повреждения, а при удалённых коротких замыканиях — до 1,5–2,0 с [5].

2.3. Гашение поля:

Гашение поля (снижение тока ротора до нуля) требуется при аварийных отключениях (срабатывание защит генератора) или плановом останове [2, 6]. В бесщеточной системе гашение выполняется путём перевода вращающегося выпрямителя в инверторный режим либо через отдельный контур разрядного сопротивления, расположенный на статоре возбудителя. По сравнению с традиционными системами (с контактными кольцами), время гашения поля в бесщеточных генераторах может быть выше на 0,2–0,5 с из-за отсутствия непосредственного доступа к обмотке ротора и необходимости рассеивания энергии в диодном мосту [3].

2.4. Поведение при коротких замыканиях и качаниях:

При внешних коротких замыканиях в энергосистеме АРВ обязано обеспечить поддержание тока ротора на максимальном уровне до момента отключения повреждения. При динамических качаниях (раскачиваниях ротора) вступает в действие канал PSS, который формирует дополнительный сигнал, модулирующий напряжение возбуждения в противофазе к качаниям. Опыт Нововоронежской АЭС-2 показывает, что правильно настроенный PSS снижает амплитуду качаний на 40–60 % [1, 4].

3. Автоматический регулятор возбуждения сильного действия (АРВ-СД):

Для турбогенераторов мощностью 1000–1200 МВт, в том числе для энергоблоков ВВЭР-1200, применяются регуляторы сильного действия, реализованные на современной микропроцессорной технике [5, 6]. Их основные функции включают:

– пропорционально-интегрально-дифференциальное (ПИД) регулирование напряжения с настраиваемыми коэффициентами Kp, Ki, Kd;

– ввод дополнительного сигнала по отклонению частоты вращения ротора или скольжению (для демпфирования качаний);

– автоматическую компенсацию падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлении статора;

– защиту от перевозбуждения и потери возбуждения с независимыми выдержками времени;

– регистрацию аварийных событий (осциллографирование) с частотой дискретизации до 1 кГц.

Типовые диапазоны настройки ПИД-регулятора для бесщеточной системы: пропорциональный коэффициент Kp обычно находится в диапазоне 5–20, интегральный Ki — 0,5–5 с⁻¹, дифференциальный Kd — 0,1–1 с.

По данным эксплуатации на первом энергоблоке Нововоронежской АЭС-2, применение цифрового АРВ-СД позволило расширить диапазон устойчивой работы генератора при бросках реактивной мощности до ±20 % от номинальной, а также снизить вероятность ложных срабатываний защит [1, 4].

4. Особенности настройки АРВ для бесщеточной системы

Наличие вращающихся диодных выпрямителей в системе возбуждения ВВЭР-1200 вносит дополнительное запаздывание в канал регулирования, связанное с конечной скоростью изменения тока в обмотке возбудителя и временем переключения диодов [3]. Для компенсации этого эффекта настройки ПИД-регулятора выбираются с учётом следующих факторов [5, 6]:

– постоянная времени возбудителя (обычно 0,1–0,2 с);

– постоянная времени обмотки возбуждения генератора (3–5 с);

– возможные флуктуации выпрямленного напряжения из-за несимметрии диодных плеч (до 5–10 % амплитуды);

– зона нечувствительности, вызванная падением напряжения на диодах (около 1–2 В на диод).

Опыт виброналадки [1] также показывает, что механические вибрации на опорных подшипниках № 10 и № 11 могут влиять на сигналы датчиков напряжения и тока (особенно при частоте вращения 3000 об/мин, то есть 50 Гц). Это требует установки дополнительных фильтров низких частот в измерительных цепях АРВ с частотой среза 10–20 Гц, а также применения датчиков с виброзащитой.

5. Защиты по возбуждению:

В составе АРВ турбогенератора ВВЭР-1200 реализованы следующие защиты и сигнализации [2, 6]:

– защита от перевозбуждения (тепловая модель I²t, время 1–60 с);

– защита от потери возбуждения (контроль реактивной мощности и сопротивления, 0,5–2 с);

– защита от асинхронного режима (0,1–0,3 с);

– контроль вращающихся диодов (несимметрия напряжения и пульсации тока, сигнализация 1–5 с).

6. Диагностика системы АРВ и перспективы развития:

Современные цифровые АРВ оснащаются системами самодиагностики, контролирующими измерительные трансформаторы, цепи синхронизации, температуру модулей и пульсации тока возбуждения.

Перспективные направления развития АРВ для ВВЭР-1200:

– адаптивные алгоритмы — автоматическая подстройка коэффициентов ПИД при изменении режима;

– нейросетевая диагностика вращающихся диодов — обнаружение обрывов и пробоев по гармоникам тока;

– прогнозирование ресурса — оценка остаточного ресурса изоляции обмоток;

– интеграция с системой управления энергоблоком (PSS второго поколения).

Заключение

Система автоматического регулирования возбуждения турбогенератора ВВЭР-1200 представляет собой цифровой АРВ сильного действия, адаптированный для работы с бесщеточным возбудителем и вращающимися диодными выпрямителями. Основные особенности включают компенсацию дополнительных запаздываний, введение стабилизирующих сигналов (PSS), развитую систему ограничений и защит, а также встроенную диагностику.

Опыт эксплуатации на Нововоронежской АЭС-2 подтверждает работоспособность и достаточное быстродействие принятых решений [1, 4]. При правильной настройке ПИД-регулятора (с учётом постоянных времени возбудителя и фильтрации вибрационных помех) АРВ обеспечивает устойчивую работу генератора во всех предусмотренных режимах, включая тяжёлые короткие замыкания и качания.

Дальнейшее совершенствование АРВ связано с внедрением адаптивных алгоритмов настройки, нейросетевых методов диагностики вращающихся диодов, предиктивной аналитики состояния изоляции обмоток и более тесной интеграцией с цифровыми системами управления энергоблоком в целом.

Литература:

1. Novikova, N.I., et al. «On vibration control of turbo generators K-1200–6.8/50+Т3В-1200–2АУЗ installed in the first and second units of Novovoronezh Nuclear Power Plant». Proceedings of Higher Educational Institutions. Mechanical Engineering, 2022.
2. Kolomiets, N. V. Electrical Part of Power Plants and Substations. (in Russian).
3. ORRO Product Catalog — Exciter for Turbogenerators. Available at: [manufacturer's website].
4. Shiryaev, D.A., Zimin, A.I. *Electrical Equipment of Power Units with VVER-1200 Reactors*. Novovoronezh: Devyatoe Oblako, 2021. 255 p. (in Russian).
5. IEEE Standard 421.5–2016. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies.
6. Excitation, Regulation and Protection Systems for Turbogenerators. (in Russian).