Тема: АНАЛИЗ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СТАБИЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДОВ ИДЕНТИФИКАЦИИ
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
📋 Содержание
Глава 1. Характеристика различных устройств регулирования возбуждения 11
1.1 Отечественные регуляторы возбуждения 12
1.1.1 Модель автоматического регулятора возбуждения АРВ-СДП1 13
1.1.2 Методы настройки АРВ-СДП1 16
1.2 Зарубежные регуляторы возбуждения 19
1.2.1 Система возбуждения типа ST1C 21
1.2.2 Системный стабилизатор типа PSS1A 22
1.2.3 Традиционные методы настройки PSS 23
Глава 2. Идентификация эквивалентной модели энергосистемы .... 27
2.1 Описание методов теории идентификации и их применения .... 27
2.2 Постановка задачи теории идентификации 30
2.3 Многопараметрический подпространственный метод
идентификации по ошибке предсказания (MOESP) 33
2.4 Идентификация динамической модели с обратной связью 40
2.5 Построение идентифицированной модели энергосистемы 42
2.5.1 Построение эквивалентной модели на примере
одномашинной энергосистемы 44
Глава 3. Оценка качества настроек устройств регулирования возбуждения 49
3.1 Применение метода D-разбиения для анализа настроек 50
3.1.1 Классический метод D-разбиения 51
3.1.2 Построение областей демпфирования с помощью D-разбиения 52
3.1.3 Общий принцип оценки качества настроек устройств АРВ
с помощью D-разбиения 53
3.2 Оценка качества настроек устройства АРВ-СДП1 с помощью
.О-разбиения 55
3.2.1 Применение метода О-разбиения к АРВ-СДП1 55
3.2.2 Построение области устойчивости для АРВ-СДП1 на
примере одномашинной системы 59
3.2.3 Построение области устойчивости для АРВ-СДП1 на
примере многомашинной системы 62
3.3 Оценка качества настроек устройства РББ с помощью О-разбиения 65
3.3.1 Применение метода О-разбиения к устройству РББ 65
3.3.2 Построение области устойчивости для устройства РББ на
примере одномашинной системы 71
3.3.3 Построение области устойчивости для устройства РББ на
примере четырехмашинной системы 75
Глава 4. Определение настроек устройств автоматического регулирования возбуждения 81
4.1 Построение регулятора с помощью Нж анализа 81
4.1.1 Понятие Нж нормы 82
4.1.2 Стандартная проблема построения регулятора с помощью
Нх нормы 84
4.2 Определение настроек АРВ СДП1 с помощью Нх оптимизации . . 86
4.2.1 Определение настроек АРВ СДП1 на примере одномашинной системы 86
4.2.2 Определение настроек АРВ СДП1 на примере
многомашинной системы 90
4.3 Построение робастного регулятора с помощью ц-синтеза 94
4.3.1 Представление динамической модели 94
4.3.2 Понятие структурного сингулярного числа 96
4.3.3 Синтез оптимального регулятора на основе ц-синтеза. ... 99
4.4 Определение настроек устройства РББ с помощью ц синтеза . . . .101
4.4.1 Определение настроек устройства РББ на примере
одномашинной модели 102
4.4.2 Определение настроек устройства РББ на примере
многомашинной модели 110
4.5 Структура системы автоматического определения параметров устройств регулирования возбуждения 114
Заключение 117
Список сокращений и условных обозначений 119
Список литературы 120
Список рисунков 133
Список таблиц 136
Приложение А. Описание моделей энергосистем 137
А.1 Описание одномашинной модели 137
А.2 Описание многомашинной модели 138
📖 Введение
Система АРВ отвечает за обеспечение нормального уровня напряжения в точках Единой электроэнергетической системы (ЕЭС). Кроме того, действие системы АРВ обеспечивает устойчивость параллельной работы генераторов как в нормальных, так и в переходных режимах. В устройствах АРВ выделяют регулирующий канал управления, решающий задачу поддержания нормального уровня напряжения. Увеличение коэффициентов усиления в данном канале приводит к увеличению запасов по статической устойчивости, что повышает пропускную способность сети, но также усиливает колебательные свойства системы, приводя к увеличению времени затухания колебаний. Для возможности увеличения коэффициентов усиления в регулирующем канале в устройства АРВ добавляется стабилизирующий канал, ответственный за демпфирование электро-механических колебаний. В этой связи в полной мере проявляется необходимость правильного выбора параметров стабилизации устройств АРВ. Неверно выбранные настройки могут привести как к снижению пределов передаваемой мощности по связям, так и вовсе стать причиной нарушения устойчивости в силу самораскачивания.
Традиционно применяемые алгоритмы определения настроек устройств АРВ обладают известным набором проблем. Так, задача практического выбора изменяемых коэффициентов усиления и постоянных времени решается путем последовательной оптимизации по каждому из выбираемых параметров. При этом не удается достичь оптимального демпфирования колебаний. Кроме того, качество настройки устройства АРВ уменьшается с ростом числа настраиваемых величин. Другой существующей проблемой выбора настроек устройств АРВ является то, что поиск выполняется одновременно для целого ряда схемно-режимных ситуаций. Выбранные таким образом параметры могут быть достаточно далеки от оптимальных значений для текущей области режимов.
Проблема адаптации настроек АРВ под отдельные режимы работы связана с построением актуальной динамической модели, которая соответствовала бы текущему состоянию энергосистемы. В первую очередь это обусловлено техническими ограничениями по сбору и обработке информации. А также сложностью моделей, традиционно используемых для моделирования электромеханических переходных процессов в ЭЭС. Данные ограничения препятствовали развитию методов, основанных на адаптации параметров автоматических устройств, поскольку недостаток исходной информации может приводить к существенной погрешности в получаемых результатах. Стремление решить обозначенные проблемы привело к появлению системы мониторинга системных регуляторов (СМСР), которая находится в опытной эксплуатации. Назначение системы заключается в выявлении генераторов, являющихся источниками низкочастотных колебаний, по причине некорректной работы установленных устройств АРВ. Принцип действия данной системы основан на сравнении фаз колебаний реактивной мощности и изменения напряжения на зажимах генератора.
В середине 1960-х годов начала формироваться теория идентификации динамических систем, которая преследовала своей целью разработать такие методы, которые бы позволяли на основе данных эксперимента строить унифицированные эквивалентные динамические модели реальных систем. Первые такие алгоритмы основывались на статистических методах обработки данных или формулировались как оптимизационные задачи.
В середине 1980-х годов в связи с развитием методов линейной алгебры и появлением новых форм матричных разложений стали появляться подпространственные методы идентификации, которые позволяли определять параметры эквивалентной модели за счет применения матричных преобразований без необходимости решения задачи поиска минимума сложной функции многих переменных. На сегодняшний день существует большое число различных под-пространственных методов идентификации динамических систем. Приложение результатов теории идентификации в области электроэнергетики заключается в выявлении электромеханических колебаний на основе данных системы мониторинга переходных процессов (СМПР). Разрабатываются методы, позволяющие оценивать параметры схем замещения.
Работы по применению теории идентификации для определения параметров устройств автоматического регулирования возбуждения появились еще в начале 1990-х годов. Преимущество подхода заключается в том, что построенная таким образом эквивалентная модель, с точки зрения динамических свойств, позволяет оптимальным образом выбрать параметры устройства регулирования возбуждения применительно к актуальной области режимов. В результате открывается возможность адаптации параметров устройств АРВ под конкретные схемно-режимные ситуации. Это приводит к увеличению запасов по пропускной способности, улучшает качество демпфирования электромеханических колебаний, повышает устойчивость энергосистемы в целом.
Для построения эквивалентной модели энергосистемы в опубликованных работах использовался метод Прони, который изначально разрабатывался для выделения гармоник в периодическом сигнале. В результатом применения метода является представление сигнала в виде линейной комбинации экспонент с комплексными показателями. На основе данного представления строится передаточная функция системы. С момента появления работ было предложено значительное число специальных методов идентификации динамических систем, которые могут быть использованы не только для выбора настроек устройств регулирования возбуждения, но и их анализа.
Целью работы является разработка методов выбора и анализа настроек устройств автоматического регулирования возбуждения с точки зрения демпфирования электромеханических колебаний с помощью построения эквивалентных моделей энергосистемы на основе измерений.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих систем регулирования возбуждения генераторов и их математических моделей.
2. Выполнить обзор традиционно используемых методов определения настроек устройств автоматического регулирования возбуждения с точки зрения демпфирования электромеханических колебаний.
3. Определить условия применения методов идентификации для получения эквивалентной модели энергосистемы на основе доступных в ходе эксперимента данных.
4. Разработать метод использования алгоритма D-разбиения для анализа действующих настроек регуляторов возбуждения с различными структурными схемами.
5. Разработать алгоритмы выбора параметров регуляторов возбуждения с различными структурными схемами для улучшения демпфирования электромеханических колебаний.
Объектами исследования являются системы регулирования возбуждения синхронных генераторов в составе энергосистем, представленные математическими моделями, описывающие электромеханические переходные процессы.
Научная новизна:
1. Предложен способ построения эквивалентной модели энергосистемы, которая может использоваться для анализа и выбора настроек устройств регулирования возбуждения на основе подпространственного метода идентификации МОЕБР
2. Предложена модификация классического метода .О-разбиения для построения областей устойчивости, позволяющих выполнить оценку качества актуальных настроек устройств регулирования возбуждения различной структуры на основе измерений.
3. Предложены алгоритмы выбора настроек различных типов устройств регулирования возбуждения на основе измерений.
Теоретическая значимость заключается в описании способа применения методов идентификации для построения эквивалентной модели энергосистемы, которая может быть использована для анализа системы регулирования возбуждения с точки зрения качества демпфирования электромеханических колебаний.
Практическая значимость заключается в повышении надежности и устойчивости ЭЭС за счет улучшения демпфирования электромеханических колебаний путем адаптации параметров устройств регулирования возбуждения к актуальной области режимов. Адаптация параметров выполняется при помощи эквивалентных динамических моделей, для по строения которых применяются данные от существующих систем сбора информации.
Mетодология и методы исследования. Поставленные задачи решались с применением методов численного моделирования. Для решения теоретических задач использовались методы теории идентификации, теории оптимального управления, методы решения некорректно поставленных задач. Численные эксперименты проводились с использованием программной среды Ма11аЬ/Б1ши1шк®. Были использованы как компоненты стандартных библиотек, так и разработанные автором программы.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ построения эквивалентной динамической модели энергосистемы на основе измерений, которая отражает динамические свойства актуальной области режимов и позволяет проводить анализ и выбор параметров различных устройств регулирования возбуждения генератора с целью улучшения демпфирования электромеханических колебаний.
2. Метод анализа настроек различных устройств регулирования возбуждения генератора, основанный на методе D-разбиения с применением модели, построенной на основе данных эксперимента, с точки зрения качества демпфирования электромеханических колебаний.
3. Методы выбора параметров устройств регулирования возбуждения генератора, позволяющих адаптировать эти параметры к актуальной области режимов.
Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов теоретического анализа и вычислительных экспериментов, обсуждением положений и результатов работы с зарубежными и российскими специалистами в ходе стажировки, конференций и других научных мероприятий. Результаты не противоречат выводам, полученными другими авторами.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, г Екатеринбург в период с 2014 по 2017 года, часть работы обсуждалась в течение научной стажировки в Техническом Университете Варны (08.08 - 14.09.2014, г. Варна, Болгария), отдельные фрагменты были представлены на семинаре в Институте проблем управления имени Трапезникова РАН, а также на 14 конференциях:
- Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» — Новочеркасск-2013, Томск-2014, Иваново-2015, Казань-2016, Самара-2017.
- Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2013.
- International Scientific Symposium «Electrical Power Engineering», Varna, Bulgaria, 2014.
- IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, Europe, Istanbul, Turkey, 2014.
- 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC)IEEE, Rome, Italy, 2015.
- 5-я международная научно-техническая конференция «Современные на-правления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», 01-05 июня 2015, г Сочи.
- IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), Leuven, Belgium, 2016.
- IEEE International Conference on the Science of Electrical Engineering (ICSEE), Eilat, Israel, 2016.
- Международная научно-техническая конференция и выставка «Релейная защита и автоматика энергосистем 2017», 25-28 апреля 2017, г Санкт- Петербург.
- IEEE PowerTech, Manchester, United Kingdom, 2017.
Личный вклад. Автором выполнено теоретическое исследование поставленных задач и проведены численные эксперименты, выполнена программная реализация разработанных методов и алгоритмов. Концептуальные аспекты и результаты работы обсуждались с научным руководителем.
Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 16 печатных изданиях, 6 из которых изданы в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. Полный объём диссертации составляет 139 страниц, включая 52 рисунка и 6 таблиц. Список литературы содержит 120 на-именований.
✅ Заключение
1. На основе анализа литературы выделены особенности существующего подхода к определению параметров автоматических устройств регулирования возбуждения. Главный недостаток заключается в последовательном анализе нескольких экспертно выбранных режимов работы энергосистемы, а итоговый выбор настроек обусловлен подбором значений, которые бы обеспечивали удовлетворительное качество управления во всех рассмотренных режимах.
2. Выполнен концептуальный обзор теории идентификации. Предложен способ применения методов идентификации для построения эквивалентных динамических моделей энергосистемы с целью анализа системы регулирования возбуждения.
3. Предложена адаптация классического метода .О-разбиения, заключающегося в построении областей устойчивости и демпфирования, для различных систем регулирования возбуждения, АРВ-СДП1 и устройства РББ.
4. Показано, что получаемые на основе идентифицированной модели области устойчивости и демпфирования вполне точно соответствуют аналогичным областям, построенным для линеаризованной в точке текущего установившегося режима системы. Показано, что построенные таким образом области устойчивости соответствуют актуальной области режимов.
5. Предложен алгоритм определения параметров стабилизирующего канала устройства АРВ-СДП1 с помощью подходов теории //-х оптимизации. Применение данного метода на основе идентифицированной модели энергосистемы позволяет проводить адаптацию настроек стабилизирующего канала АРВ-СДП1 к текущей схемно-режимной ситуации.
6. Предложен алгоритм определения параметров устройства РББ, основанный на построении робастного регулятора с помощью ц-синтеза. Определение параметров устройства РББ выполняется в результате приближения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик реального устройства к характеристикам синтезированного регулятора.
7. Описанные в работе методы построения областей устойчивости и выбора параметров различных устройств АРВ-СДП1 могут стать основой для централизованного устройства автоматического определения настроек устройств регулирования возбуждения.
Перспективы дальнейших исследований заключаются в анализе устойчивости описанных в работе подходов относительно различных погрешностей измерений. Представляет интерес исследование способов обобщения предложенных подходов для реализации координированного выбора параметров нескольких устройств регулирования возбуждения. Отдельное прикладное значение представляет совершенствование процедуры идентификации эквивалентной динамической модели энергосистемы. Необходимо исследовать возможность идентификации модели без необходимости приложения искусственного возмущающего сигнала. Решение обозначенных вопросов способно привести к появлению централизованного алгоритма, который бы осуществлял координированную адаптацию параметров регулятора возбуждения для актуальной области режимов.
В заключение автор выражает благодарность и большую признательность научному руководителю Паздерину Андрею Владимировичу за поддержку, помощь, научное руководство. Автор выражает признательность Чусовитину Павлу Валерьевичу за научное консультирование и помощь в определении направления исследования на начальном этапе работы над диссертацией. Автор благодарен своим коллегам аспирантам Шабалину Григорию Сергеевичу, Банных Павлу Юрьевичу и Дехтяру Сергею Александровичу за ценные вопросы, замечания и обсуждения, оказавшие влияние на характер изложения материала. Автор благодарен Идрисову Ринату Рафисовичу за совместную работу над магистерской диссертацией, которая стала важным вкладом в настоящую работу.
Автор выражает благодарность Кумкову Сергею Сергеевичу за консультации по математическим аспектам рассматриваемых теорий и руководство магистерской диссертацией.
Автор выражает отдельную признательность своей семьей, жене Екатерине за выполнение функций корректора и детям Евгению и Георгию за всестороннюю поддержку и мотивацию в подготовке диссертации. Автор благодарит авторов шаблона *Ки881ап-Рйб-ЕаТеХ-В18зег1а1юп-Тешр1а1е* за помощь в оформлении диссертации.



