Помощь студентам в учебе
СИНТЕЗ СИСТЕМ АДАПТИВНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ НА ОСНОВЕ МЕТОДОВ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ
ГЕНЕРАТОРА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ 13
1.1 Условия синхронизации генератора с электрической сетью и способы их
выполнения 15
1.1.1 Традиционные условия синхронизации 15
1.1.2 Дополнительное условие синхронизации 20
1.1.3 Традиционные подходы к выполнению условий синхронизации 21
1.2 Алгоритмы работы современных устройств автоматической точной синхронизации 22
1.2.1 Типы устройств точной синхронизации 22
1.2.2 Микросхемный аналоговый автоматический синхронизатор СА-1 27
1.2.3 Цифровые автоматические синхронизаторы АС -М и СПРИНТ-М 32
1.2.4 Цифровой автоматический синхронизатор SYNCHROTACT 33
1.2.5 Направления совершенствования алгоритмов работы устройств
автоматической синхронизации 36
1.3 Способ управления процессом синхронизации с эталонной моделью 40
1.3.1 Состояние разработки синхронизатора с эталонной моделью 42
1.3.2 Задачи исследований в области синтеза устройства синхронизации
генератора с эталонной моделью 43
1.4 Выводы 44
ГЛАВА 2 АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ И СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 46
2.1 Алгоритмы построения программных траекторий движения (ПТД) 48
2.1.1 Алгоритм построения программной траектории равноускоренного
движения 48
2.1.2 Алгоритм построения программной траектории равномерно ускоренного
движения 51
2.1.3 Алгоритм построения ПТД при постоянном небалансе мощности 54
2.1.4 Алгоритм построения ПТД при линейно изменяющемся небалансе
мощности 57
2.1.5 Алгоритмы построения ПТД по времени синхронизации 59
2.2 Алгоритмы управления устройства синхронизации с эталонной моделью 61
2.2.1 Анализ последствий возникновения отклонений параметров
синхронизации от параметров ПТД 62
2.2.2 Синтез блока регулятора систем синхронизации с эталонной моделью .... 65
2.2.3 Определение параметров настройки регулятора 69
2.2.4 Алгоритмы терминального управления движением объектов по принципу
«гибких» траекторий 72
2.2.5 Перспективные направления развития задачи синтеза регулятора
устройства синхронизации с эталонной моделью 74
2.3 Выводы 77
ГЛАВА 3 К СИНТЕЗУ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 79
3.1 Современные подходы к измерению разностей частот и фаз напряжений 80
3.1.1 Реализация измерительного блока в микропроцессорном автоматическом
синхронизаторе АС-М 84
3.2 Возможности измерения синхронизируемых параметров режима при помощи
устройств векторных измерений PMU 87
3.3 Способ аналитического определения параметров вращательного движения
векторов напряжений на интервале измерения 92
3.4 Моделирование алгоритмов работы измерительного блока устройства
синхронизации в среде MATLAB Simulink 97
3.5 Выводы 102
ГЛАВА 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 104
4.1 Задачи и средства моделирования алгоритмов работы устройств
автоматической точной синхронизации 104
4.2 Моделирование алгоритмов работы устройств автоматической точной синхронизации в ПК Mustang 104
4.2.1 Моделирование алгоритмов работы современных устройств 104
4.2.2 Моделирование алгоритмов работы устройства синхронизации с
эталонной моделью в ПК Mustang 111
4.2.3 Результаты моделирования алгоритмов работы устройств автоматической
точной синхронизации в ПК Mustang 115
4.3 Моделирование алгоритмов работы устройства синхронизации с эталонной
моделью в среде MATLAB Simulink 116
4.3.1 Описание моделируемой схемы 116
4.3.2 Результаты моделирования алгоритмов работы устройства синхронизации
с эталонной моделью без учета модели турбины и ее регулятора 121
4.3.3 Результаты моделирования алгоритмов работы устройства синхронизации
с эталонной моделью с учетом модели турбины и ее регулятора 123
4.3.4 Апробация работы измерительного блока в процессе синхронизации
генератора 131
4.4 Выводы 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
Приложение А. Блок схема алгоритма построения ПТД равноускоренного
движения и пример расчета ПТД 152
Приложение Б. Блок схема алгоритма построения ПТД равномерно ускоренного движения и пример расчета ПТД 154
Приложение В. Вывод расчетных выражений для определения параметров ПТД при постоянном небалансе мощности и блок-схема алгоритма построения ПТД 156 Приложение Г. Вывод расчетных выражений для определения параметров ПТД при линейно изменяющемся небалансе мощности и блок-схема алгоритма построения ПТД 160
Приложение Д. Основные параметры моделируемого синхронного генератора в
ПК Mustang 165
Приложение Е. Параметры моделируемого синхронного генератора в среде
MATLAB Simulink 167
Приложение Ж. Параметры модели турбины в среде MATLAB Simulink 168
Приложение И. Акты внедрения результатов диссертационной работы 169
ГЛАВА 1 МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ
ГЕНЕРАТОРА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ 13
1.1 Условия синхронизации генератора с электрической сетью и способы их
выполнения 15
1.1.1 Традиционные условия синхронизации 15
1.1.2 Дополнительное условие синхронизации 20
1.1.3 Традиционные подходы к выполнению условий синхронизации 21
1.2 Алгоритмы работы современных устройств автоматической точной синхронизации 22
1.2.1 Типы устройств точной синхронизации 22
1.2.2 Микросхемный аналоговый автоматический синхронизатор СА-1 27
1.2.3 Цифровые автоматические синхронизаторы АС -М и СПРИНТ-М 32
1.2.4 Цифровой автоматический синхронизатор SYNCHROTACT 33
1.2.5 Направления совершенствования алгоритмов работы устройств
автоматической синхронизации 36
1.3 Способ управления процессом синхронизации с эталонной моделью 40
1.3.1 Состояние разработки синхронизатора с эталонной моделью 42
1.3.2 Задачи исследований в области синтеза устройства синхронизации
генератора с эталонной моделью 43
1.4 Выводы 44
ГЛАВА 2 АЛГОРИТМЫ РАБОТЫ И СТРУКТУРА УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЧЕСКОЙ ТОЧНОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 46
2.1 Алгоритмы построения программных траекторий движения (ПТД) 48
2.1.1 Алгоритм построения программной траектории равноускоренного
движения 48
2.1.2 Алгоритм построения программной траектории равномерно ускоренного
движения 51
2.1.3 Алгоритм построения ПТД при постоянном небалансе мощности 54
2.1.4 Алгоритм построения ПТД при линейно изменяющемся небалансе
мощности 57
2.1.5 Алгоритмы построения ПТД по времени синхронизации 59
2.2 Алгоритмы управления устройства синхронизации с эталонной моделью 61
2.2.1 Анализ последствий возникновения отклонений параметров
синхронизации от параметров ПТД 62
2.2.2 Синтез блока регулятора систем синхронизации с эталонной моделью .... 65
2.2.3 Определение параметров настройки регулятора 69
2.2.4 Алгоритмы терминального управления движением объектов по принципу
«гибких» траекторий 72
2.2.5 Перспективные направления развития задачи синтеза регулятора
устройства синхронизации с эталонной моделью 74
2.3 Выводы 77
ГЛАВА 3 К СИНТЕЗУ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО БЛОКА УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 79
3.1 Современные подходы к измерению разностей частот и фаз напряжений 80
3.1.1 Реализация измерительного блока в микропроцессорном автоматическом
синхронизаторе АС-М 84
3.2 Возможности измерения синхронизируемых параметров режима при помощи
устройств векторных измерений PMU 87
3.3 Способ аналитического определения параметров вращательного движения
векторов напряжений на интервале измерения 92
3.4 Моделирование алгоритмов работы измерительного блока устройства
синхронизации в среде MATLAB Simulink 97
3.5 Выводы 102
ГЛАВА 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА СИНХРОНИЗАЦИИ С ЭТАЛОННОЙ МОДЕЛЬЮ 104
4.1 Задачи и средства моделирования алгоритмов работы устройств
автоматической точной синхронизации 104
4.2 Моделирование алгоритмов работы устройств автоматической точной синхронизации в ПК Mustang 104
4.2.1 Моделирование алгоритмов работы современных устройств 104
4.2.2 Моделирование алгоритмов работы устройства синхронизации с
эталонной моделью в ПК Mustang 111
4.2.3 Результаты моделирования алгоритмов работы устройств автоматической
точной синхронизации в ПК Mustang 115
4.3 Моделирование алгоритмов работы устройства синхронизации с эталонной
моделью в среде MATLAB Simulink 116
4.3.1 Описание моделируемой схемы 116
4.3.2 Результаты моделирования алгоритмов работы устройства синхронизации
с эталонной моделью без учета модели турбины и ее регулятора 121
4.3.3 Результаты моделирования алгоритмов работы устройства синхронизации
с эталонной моделью с учетом модели турбины и ее регулятора 123
4.3.4 Апробация работы измерительного блока в процессе синхронизации
генератора 131
4.4 Выводы 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 139
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 140
Приложение А. Блок схема алгоритма построения ПТД равноускоренного
движения и пример расчета ПТД 152
Приложение Б. Блок схема алгоритма построения ПТД равномерно ускоренного движения и пример расчета ПТД 154
Приложение В. Вывод расчетных выражений для определения параметров ПТД при постоянном небалансе мощности и блок-схема алгоритма построения ПТД 156 Приложение Г. Вывод расчетных выражений для определения параметров ПТД при линейно изменяющемся небалансе мощности и блок-схема алгоритма построения ПТД 160
Приложение Д. Основные параметры моделируемого синхронного генератора в
ПК Mustang 165
Приложение Е. Параметры моделируемого синхронного генератора в среде
MATLAB Simulink 167
Приложение Ж. Параметры модели турбины в среде MATLAB Simulink 168
Приложение И. Акты внедрения результатов диссертационной работы 169
Проблема и актуальность. Разработка и создание современных устройств автоматического управления режимами работы электроэнергетической системы в целом и отдельных ее элементов в частности представляет одно из основных направлений совершенствования электроэнергетической отрасли. Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р, к одному из направлений развития относится разработка и освоение эффективных автоматизированных систем, поддерживающих весь цикл создания совершенных технических средств, систем, алгоритмов и программ управления [1]. В проекте Энергетической стратегии России на период до 2035 года данная задача отнесена к стратегическим целям развития электроэнергетики и включает модернизацию, техническое переоснащение и автоматизацию отрасли, направленные на снижение износа основных фондов, повышение энергетической и экономической эффективности производства, транспорта, распределения и использования электроэнергии [2]. В качестве одной из подзадач указанной стратегии следует выделить задачу автоматизации управления режимами работы генерирующего оборудования и, в частности, задачу синтеза современных систем автоматического управления процессами точной синхронизации генератора с электрической сетью (ЭС). При этом точное выполнение условий синхронизации к моменту включения выключателя позволяет повысить качество сопровождающих переходных процессов и предотвратить излишний износ оборудования, вызванный такими последствиями несинхронного включения, как подгорание контактов выключателя, повреждение обмоток генератора и повышающего трансформатора, механические воздействия на вал энергоагрегата и др.
В настоящее время серийно выпускаемые и устанавливаемые на электростанциях устройства точной синхронизации генераторов в целом удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. В то же время алгоритмы функционирования этих устройств обладают рядом недостатков, основным из которых является отсутствие формализованной процедуры перевода параметров синхронизации к конечным значениям. Указанный недостаток приводит к непредсказуемости получаемых результатов и успешности синхронизации в целом. Декомпозиция процесса синхронизации, возникающая в результате выделения этапа подгонки частот и этапа ожидания момента совпадения фаз напряжений синхронизируемых объектов, приводит к относительно высокой длительности процесса, неопределенности действия устройства при возникновении возмущений, а также к необходимости смещения целевых условий синхронизации в направлении ухудшения качества. Последнее свойство вызвано необходимостью обеспечения некоторой ненулевой величины скольжения в момент подачи сигнала на включение выключателя с целью обеспечения вращения векторов напряжений синхронизируемых объектов в течение этапа ожидания момента совпадения фаз. Влияние возникающих в ходе процесса синхронизации возмущений, способных привести к отклонению параметров синхронизации, в общем случае неоднозначно и может приводить как к ускорению процесса, так и к существенному увеличению его длительности.
Наибольший негативный эффект указанных недостатков возможен при необходимости обеспечения скорейшего ввода в работу генерирующих мощностей. Такая необходимость возникает, например, при возникновении превышений максимально допустимых перетоков мощности в контролируемых сечениях, а также в послеаварийных режимах работы электроэнергетической системы (ЭЭС) для скорейшего восстановления электроснабжения отключенных потребителей. С позиции диспетчерского управления режимом работы ЭЭС, неопределенность длительности и успешности процесса синхронизации в данных режимах представляются недопустимой. Решение данной проблемы осуществляется путем применения способа самосинхронизации, либо расширением допустимых пределов точной синхронизации.
Очевидно, что увеличение длительности процесса синхронизации в этих случаях будет способствовать увеличению продолжительности существования нежелательных режимов работы ЭЭС и может привести к затягиванию процесса восстановления электроснабжения потребителей, длительность отключения которых должна быть минимальной [3].
Особое значение этот вопрос приобретает в послеаварийных режимах, когда происходит деление сети и выделение на изолированную работу дефицитной части ЭЭС. В условиях нестационарности режимных параметров этой части, включение дополнительных энергоагрегатов для покрытия дефицита мощности методом самосинхронизации (либо точной синхронизации с расширением допустимых пределов) в таких случаях будет приводить к возникновению дополнительных качаний и создавать опасность ухудшения режима, вплоть до потери синхронизма включаемым и соседними агрегатами.
Согласно [2] для достижения стратегических целей развития электроэнергетики предусматривается оптимизация структуры генерирующих мощностей, включающая увеличение доли маневренных энергоагрегатов. Важным показателем таких агрегатов является сравнительно быстрый запуск до состояния холостого хода, что удовлетворяет поставленной цели. Однако применение несовершенных алгоритмов синхронизации способно привести к увеличению длительности включения таких агрегатов в сеть и, как следствие, снижению их маневренности.
Актуальной также представляется задача совершенствования алгоритмов синхронизации для последующего синтеза устройств автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического ввода резерва (АВР) с управлением синхронизмом. Синтез последних представляется важным звеном в решении задачи внедрения собственных генерирующих мощностей на предприятиях .
Важность совершенствования алгоритмов синхронизации обусловлена и приоритетными направлениями развития электроэнергетики, к которым, в частности, относятся развитие и внедрение автоматизированных подстанций, цифровых устройств автоматики и гибких силовых устройств управления. Применение этих средств предоставляет дополнительные возможности для эффективного управления процессами синхронизации, как отдельных генераторов, так и частей ЭЭС.
Значительный вклад в исследование процессов включения на параллельную работу генераторов с сетью, а также частей энергосистем внесли: А.А. Хачатуров, Л.Г. Мамиконянц, В.А. Веников, Сиротинский Е.Л., M.J. Thompson, J.C. Gomez, M.M. Morcos и др. Подробно рассмотрены принципы работы устройств синхронизации в работах Н.И. Овчаренко, А.Ф. Дьякова, М.А. Берковича, В.А. Гладышева, В.А. Семенова.
Степень разработанности темы. В настоящее время исследования в области разработки и совершенствования принципов работы устройств автоматической синхронизации в основном направлены на совершенствование и развитие существующих алгоритмов. Принципиально новый подход изложен в работах [4, 5], заключающийся в приложении методов автоматического
управления с эталонной моделью к задаче синтеза устройств синхронизации генератора с электрической сетью. Однако эти исследования не содержат проработку алгоритмов управления параметрами синхронизации по построенным программным траекториям движения (ПТД) роторов синхронизируемых генераторов, а в предложенных алгоритмах построения ПТД предусматривается трудновыполнимое двухполярное управление. Открытым остается также вопрос возможности использования существующих измерительных систем.
Изложенные аспекты актуальности совершенствования систем синхронизации объектов ЭЭС определяют цель данной работы.
Цель работы. Разработка способа адаптивной синхронизации генераторов с электрической сетью, позволяющего выполнять управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
Для достижения этой цели проработана, дополнена и развита, а также опробована на программных моделях предложенный в [4, 5] подход к синтезу устройств синхронизации с эталонной моделью. При этом решались следующие задачи:
1. Критический анализ эффективности алгоритмов современных средств автоматической синхронизации объектов ЭЭС и определение направлений диссертационной работы.
2. Обоснование способа адаптивной синхронизации генераторов с электрической сетью, позволяющего выполнять управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
3. Разработка алгоритмов функционирования отдельных блоков устройства синхронизации с эталонной моделью: блока построения эталонной модели, регулятора, измерительного блока.
4. Моделирование и апробация разработанных алгоритмов при автономной и совместной работе в программном комплексе Mustang и специализированной среде моделирования MATLAB Simulink.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач осуществлялось при помощи математического и программного моделирования электроэнергетических систем и сетей, вычислительных экспериментов, применения методов теории электрических машин, электромеханических переходных процессов, а также теории автоматического управления.
Научную новизну диссертации имеют следующие положения, выносимые на защиту:
1. Способ построения эталонной модели для систем синхронизации, обеспечивающиий перевод управляемых параметров к конечным значениям посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
2. Способ управления, позволяющий осуществлять движение параметров синхронизации по построенным для них траекториям эталонных моделей.
3. Алгоритмы функционирования блока измерения синхронизируемых параметров, позволяющие в пределах двух периодов промышленной частоты осуществлять измерение относительных углов, скоростей и ускорений векторов напряжений в узлах синхронизации объектов.
Научная новизна ряда выполненных значимых разработок подтверждена патентом РФ на изобретение № 2457597.
Практическая ценность. Реализация синтезированных систем автоматической точной синхронизации генератора с электрической сетью, основанных на принципах построения систем автоматического управления объектами с эталонной моделью, позволит:
• сократить время, требуемое для выполнения условий синхронизации, и, следовательно, минимизировать задержки во включении генерирующих мощностей в сеть;
• обеспечить работоспособность алгоритмов в условиях наличия возмущений, вызывающих отклонения параметров синхронизации от эталонной модели, и повысить качество сопровождающих переходных процессов;
• исключить методическую ошибку управления, характерную для существующих система синхронизации и вызванную необходимостью смещения целевых условий синхронизации в область понижения качества.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты представляют собой методическую основу для создания нового класса адаптивных систем автоматического управления динамическими переходами ЭЭС, связанных с необходимостью синхронного объединения их частей.
Личный вклад автора. Автором диссертации обоснована актуальность совершенствования современных систем автоматической точной синхронизации генераторов и частей ЭЭС; разработаны алгоритмы работы определяющих блоков систем управления процессами синхронизации с эталонной моделью; выполнена апробация разработанных алгоритмов посредством моделирования в специализированных программных комплексах.
В совместных публикациях вклад автора составляет более 50 %.
Достоверность научных результатов подтверждена выбором классических способов синтеза адаптивных автоматических систем управления, сопоставлением с результатами других аналогичных исследований и вычислительными экспериментами с использованием сертифицированных программных средств.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на международных, всероссийских и университетских конференциях, форумах и семинарах: I университетской конференции студентов Элитного технического образования
«Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 2010), II международной научно-практической конференции молодых учёных «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010), XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2011), XIII всероссийском студенческом научно-технического семинаре «Энергетика: эффективность, надёжность, безопасность» (Томск, 2011), международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, 2011), XIV международном студенческом научнотехническом семинаре «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2012), III международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012), IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013), I международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2013), V международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Томск, 2014).
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их применения, связанных с темой диссертационной работы, опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 патент РФ на изобретение, 2 статьи в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ и 11 публикаций в материалах научно - технических конференций, семинаров и форумов.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного диссертационного материала составляет 170 страниц и включает в себя: оглавление, введение, четыре главы, заключение, приложения и список литературы из 107 наименований. Материал диссертационной работы включает 56 рисунков и 9 таблиц
В настоящее время серийно выпускаемые и устанавливаемые на электростанциях устройства точной синхронизации генераторов в целом удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям. В то же время алгоритмы функционирования этих устройств обладают рядом недостатков, основным из которых является отсутствие формализованной процедуры перевода параметров синхронизации к конечным значениям. Указанный недостаток приводит к непредсказуемости получаемых результатов и успешности синхронизации в целом. Декомпозиция процесса синхронизации, возникающая в результате выделения этапа подгонки частот и этапа ожидания момента совпадения фаз напряжений синхронизируемых объектов, приводит к относительно высокой длительности процесса, неопределенности действия устройства при возникновении возмущений, а также к необходимости смещения целевых условий синхронизации в направлении ухудшения качества. Последнее свойство вызвано необходимостью обеспечения некоторой ненулевой величины скольжения в момент подачи сигнала на включение выключателя с целью обеспечения вращения векторов напряжений синхронизируемых объектов в течение этапа ожидания момента совпадения фаз. Влияние возникающих в ходе процесса синхронизации возмущений, способных привести к отклонению параметров синхронизации, в общем случае неоднозначно и может приводить как к ускорению процесса, так и к существенному увеличению его длительности.
Наибольший негативный эффект указанных недостатков возможен при необходимости обеспечения скорейшего ввода в работу генерирующих мощностей. Такая необходимость возникает, например, при возникновении превышений максимально допустимых перетоков мощности в контролируемых сечениях, а также в послеаварийных режимах работы электроэнергетической системы (ЭЭС) для скорейшего восстановления электроснабжения отключенных потребителей. С позиции диспетчерского управления режимом работы ЭЭС, неопределенность длительности и успешности процесса синхронизации в данных режимах представляются недопустимой. Решение данной проблемы осуществляется путем применения способа самосинхронизации, либо расширением допустимых пределов точной синхронизации.
Очевидно, что увеличение длительности процесса синхронизации в этих случаях будет способствовать увеличению продолжительности существования нежелательных режимов работы ЭЭС и может привести к затягиванию процесса восстановления электроснабжения потребителей, длительность отключения которых должна быть минимальной [3].
Особое значение этот вопрос приобретает в послеаварийных режимах, когда происходит деление сети и выделение на изолированную работу дефицитной части ЭЭС. В условиях нестационарности режимных параметров этой части, включение дополнительных энергоагрегатов для покрытия дефицита мощности методом самосинхронизации (либо точной синхронизации с расширением допустимых пределов) в таких случаях будет приводить к возникновению дополнительных качаний и создавать опасность ухудшения режима, вплоть до потери синхронизма включаемым и соседними агрегатами.
Согласно [2] для достижения стратегических целей развития электроэнергетики предусматривается оптимизация структуры генерирующих мощностей, включающая увеличение доли маневренных энергоагрегатов. Важным показателем таких агрегатов является сравнительно быстрый запуск до состояния холостого хода, что удовлетворяет поставленной цели. Однако применение несовершенных алгоритмов синхронизации способно привести к увеличению длительности включения таких агрегатов в сеть и, как следствие, снижению их маневренности.
Актуальной также представляется задача совершенствования алгоритмов синхронизации для последующего синтеза устройств автоматического повторного включения (АПВ) и автоматического ввода резерва (АВР) с управлением синхронизмом. Синтез последних представляется важным звеном в решении задачи внедрения собственных генерирующих мощностей на предприятиях .
Важность совершенствования алгоритмов синхронизации обусловлена и приоритетными направлениями развития электроэнергетики, к которым, в частности, относятся развитие и внедрение автоматизированных подстанций, цифровых устройств автоматики и гибких силовых устройств управления. Применение этих средств предоставляет дополнительные возможности для эффективного управления процессами синхронизации, как отдельных генераторов, так и частей ЭЭС.
Значительный вклад в исследование процессов включения на параллельную работу генераторов с сетью, а также частей энергосистем внесли: А.А. Хачатуров, Л.Г. Мамиконянц, В.А. Веников, Сиротинский Е.Л., M.J. Thompson, J.C. Gomez, M.M. Morcos и др. Подробно рассмотрены принципы работы устройств синхронизации в работах Н.И. Овчаренко, А.Ф. Дьякова, М.А. Берковича, В.А. Гладышева, В.А. Семенова.
Степень разработанности темы. В настоящее время исследования в области разработки и совершенствования принципов работы устройств автоматической синхронизации в основном направлены на совершенствование и развитие существующих алгоритмов. Принципиально новый подход изложен в работах [4, 5], заключающийся в приложении методов автоматического
управления с эталонной моделью к задаче синтеза устройств синхронизации генератора с электрической сетью. Однако эти исследования не содержат проработку алгоритмов управления параметрами синхронизации по построенным программным траекториям движения (ПТД) роторов синхронизируемых генераторов, а в предложенных алгоритмах построения ПТД предусматривается трудновыполнимое двухполярное управление. Открытым остается также вопрос возможности использования существующих измерительных систем.
Изложенные аспекты актуальности совершенствования систем синхронизации объектов ЭЭС определяют цель данной работы.
Цель работы. Разработка способа адаптивной синхронизации генераторов с электрической сетью, позволяющего выполнять управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
Для достижения этой цели проработана, дополнена и развита, а также опробована на программных моделях предложенный в [4, 5] подход к синтезу устройств синхронизации с эталонной моделью. При этом решались следующие задачи:
1. Критический анализ эффективности алгоритмов современных средств автоматической синхронизации объектов ЭЭС и определение направлений диссертационной работы.
2. Обоснование способа адаптивной синхронизации генераторов с электрической сетью, позволяющего выполнять управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
3. Разработка алгоритмов функционирования отдельных блоков устройства синхронизации с эталонной моделью: блока построения эталонной модели, регулятора, измерительного блока.
4. Моделирование и апробация разработанных алгоритмов при автономной и совместной работе в программном комплексе Mustang и специализированной среде моделирования MATLAB Simulink.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач осуществлялось при помощи математического и программного моделирования электроэнергетических систем и сетей, вычислительных экспериментов, применения методов теории электрических машин, электромеханических переходных процессов, а также теории автоматического управления.
Научную новизну диссертации имеют следующие положения, выносимые на защиту:
1. Способ построения эталонной модели для систем синхронизации, обеспечивающиий перевод управляемых параметров к конечным значениям посредством выдачи однополярных управляющих воздействий.
2. Способ управления, позволяющий осуществлять движение параметров синхронизации по построенным для них траекториям эталонных моделей.
3. Алгоритмы функционирования блока измерения синхронизируемых параметров, позволяющие в пределах двух периодов промышленной частоты осуществлять измерение относительных углов, скоростей и ускорений векторов напряжений в узлах синхронизации объектов.
Научная новизна ряда выполненных значимых разработок подтверждена патентом РФ на изобретение № 2457597.
Практическая ценность. Реализация синтезированных систем автоматической точной синхронизации генератора с электрической сетью, основанных на принципах построения систем автоматического управления объектами с эталонной моделью, позволит:
• сократить время, требуемое для выполнения условий синхронизации, и, следовательно, минимизировать задержки во включении генерирующих мощностей в сеть;
• обеспечить работоспособность алгоритмов в условиях наличия возмущений, вызывающих отклонения параметров синхронизации от эталонной модели, и повысить качество сопровождающих переходных процессов;
• исключить методическую ошибку управления, характерную для существующих система синхронизации и вызванную необходимостью смещения целевых условий синхронизации в область понижения качества.
Теоретическая значимость работы. Полученные результаты представляют собой методическую основу для создания нового класса адаптивных систем автоматического управления динамическими переходами ЭЭС, связанных с необходимостью синхронного объединения их частей.
Личный вклад автора. Автором диссертации обоснована актуальность совершенствования современных систем автоматической точной синхронизации генераторов и частей ЭЭС; разработаны алгоритмы работы определяющих блоков систем управления процессами синхронизации с эталонной моделью; выполнена апробация разработанных алгоритмов посредством моделирования в специализированных программных комплексах.
В совместных публикациях вклад автора составляет более 50 %.
Достоверность научных результатов подтверждена выбором классических способов синтеза адаптивных автоматических систем управления, сопоставлением с результатами других аналогичных исследований и вычислительными экспериментами с использованием сертифицированных программных средств.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на международных, всероссийских и университетских конференциях, форумах и семинарах: I университетской конференции студентов Элитного технического образования
«Ресурсоэффективным технологиям - энергию и энтузиазм молодых» (Томск, 2010), II международной научно-практической конференции молодых учёных «Ресурсоэффективные технологии для будущих поколений» (Томск, 2010), XVII международной научно-практической конференции студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии» (Томск, 2011), XIII всероссийском студенческом научно-технического семинаре «Энергетика: эффективность, надёжность, безопасность» (Томск, 2011), международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Томск, 2011), XIV международном студенческом научнотехническом семинаре «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2012), III международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012), IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013), I международном молодежном форуме «Интеллектуальные энергосистемы» (Томск, 2013), V международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Томск, 2014).
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их применения, связанных с темой диссертационной работы, опубликовано 14 научных работ, в том числе 1 патент РФ на изобретение, 2 статьи в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ и 11 публикаций в материалах научно - технических конференций, семинаров и форумов.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного диссертационного материала составляет 170 страниц и включает в себя: оглавление, введение, четыре главы, заключение, приложения и список литературы из 107 наименований. Материал диссертационной работы включает 56 рисунков и 9 таблиц
В данной диссертационной работе обоснована новая концепция построения адаптивных систем синхронизации генераторов с электрической сетью, основанная на применении методов автоматического управления движением объектов с эталонной моделью. Роль эталонной модели при этом отводится программной траектории движения, обеспечивающей целенаправленный перевод параметров синхронизации из начального состояния в заданную точку фазовых координат.
Основные результаты работы могут быть представлены в виде следующих положений:
1. Проведенное исследование актуального состояния средств автоматической синхронизации генераторов с электроэнергетической сетью показало несовершенство их алгоритмов работы. Основным недостатком при этом следует считать отсутствие формализованной процедуры перевода параметров синхронизации к конечным значениям. Следствием указанного недостатка является декомпозиция процесса синхронизации на два этапа: подгонки частоты вращения и ожидания момента совпадение фазовых углов векторов напряжений синхронизируемых объектов. Такая декомпозиция приводит к наличию методической ошибки управления, вызванной необходимостью обеспечения вращательного движения указанных векторов друг относительно друга (а, следовательно, неравенства их угловых скоростей) на втором этапе. Кроме того, работа в два этапа приводит к повышению длительности, неоднозначности и неопределенности результатов процесса синхронизации, что особенно актуально в условиях наличия внешних возмущений, приводящих к отклонению параметров синхронизации. Последнее означает низкую адаптивность применяемых алгоритмов к возмущениям и разнообразию схемно-режимных состояний.
2. Введено дополнительное условие точной синхронизации, заключающееся в необходимости, для эталонной модели, обеспечения нулевой величины относительного ускорения векторов напряжения синхронизируемых объектов к моменту включения генератора в сеть. Что касается реального движения, то это условие может выполняться с некоторым допуском. Выполнение указанного условия позволит повысить качество переходных процессов, сопровождающих включение.
3. Разработан способ автоматической точной синхронизации генераторов с электрической сетью, основанный на принципах построения систем автоматического управления с эталонной моделью и позволяющий выполнять целенаправленное управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий. Способ позволяет осуществлять управление с нулевой методической ошибкой. Это свойство выражается в формирования целевых условий синхронизации как условий достижения нулевой энергии относительного движения векторов напряжений синхронизируемых объектов, что предполагает обеспечение нулевых величин относительного ускорения, относительной скорости и относительного угла к моменту включения объединяющего выключателя.
4. Предложены четыре алгоритма построения программных траекторий движения для параметров синхронизации, удовлетворяющих сформулированным требованиям синхронизации. Указанные траектории позволяют выполнять целенаправленный перевод параметров синхронизации в заданную точку фазовых координат при управлении «с ходу» при помощи однополярных управляющих воздействий.
5. Предложены варианты реализации регулятора устройства автоматической синхронизации с эталонной моделью, заключающиеся в применении принципов управления «гибких» и «жестких» траекторий. Применение указанных принципов позволяет обеспечивать движение параметров синхронизации в некоторой окрестности от построенной программной траектории движения при использовании безынерционных и инерционных исполнительных устройств регулирования в условиях наличия внешних возмущений, возникающих в ходе процесса управления.
6. Выполнен анализ состояния развития существующих измерительных систем и предложен способ аналитического определения параметров вращательного движения векторов напряжений синхронизируемых объектов, учитывающий непрерывный и неравномерный характер их изменения и заключающийся в аппроксимации, на интервале измерения, функции ускорения линейной зависимостью, характерной для равномерно ускоренного движения.
7. Проведена апробация предложенных алгоритмов работы основных блоков системы синхронизации путем их моделирования в программном комплексе Mustang и среде моделирования MATLAB Simulink. По результатам апробации может быть сделан вывод о том, что применение изложенного подхода к синтезу систем синхронизации позволяет решить следующие задачи:
- сократить время, требуемое для выполнения условий синхронизации, и, следовательно, минимизировать задержки во включении генерирующих мощностей в сеть;
- исключить методическую ошибку управления, характерную для существующих систем синхронизации и вызванную необходимостью смещения целевых условий синхронизации в область понижения качества ;
- обеспечить работоспособность систем синхронизации в условиях наличия возмущений, вызывающих отклонения параметров синхронизации от эталонной модели, и повысить качество сопровождающих переходных процессов.
К перспективным направлениям дальнейших исследований могут быть отнесены работы по уточнению используемых моделей генераторов и сети при формировании эталонных моделей, а также рассмотрение вопросов применимости для целей синхронизации нейронных сетей и систем, функционирующих на принципах нечеткой логики.
Результаты диссертационного исследования следует также рассматривать в качестве методической основы для создания нового класса адаптивных систем автоматического управления динамическими переходами электроэнергетических систем, связанных с необходимостью синхронного объединения их частей.
Основные результаты работы могут быть представлены в виде следующих положений:
1. Проведенное исследование актуального состояния средств автоматической синхронизации генераторов с электроэнергетической сетью показало несовершенство их алгоритмов работы. Основным недостатком при этом следует считать отсутствие формализованной процедуры перевода параметров синхронизации к конечным значениям. Следствием указанного недостатка является декомпозиция процесса синхронизации на два этапа: подгонки частоты вращения и ожидания момента совпадение фазовых углов векторов напряжений синхронизируемых объектов. Такая декомпозиция приводит к наличию методической ошибки управления, вызванной необходимостью обеспечения вращательного движения указанных векторов друг относительно друга (а, следовательно, неравенства их угловых скоростей) на втором этапе. Кроме того, работа в два этапа приводит к повышению длительности, неоднозначности и неопределенности результатов процесса синхронизации, что особенно актуально в условиях наличия внешних возмущений, приводящих к отклонению параметров синхронизации. Последнее означает низкую адаптивность применяемых алгоритмов к возмущениям и разнообразию схемно-режимных состояний.
2. Введено дополнительное условие точной синхронизации, заключающееся в необходимости, для эталонной модели, обеспечения нулевой величины относительного ускорения векторов напряжения синхронизируемых объектов к моменту включения генератора в сеть. Что касается реального движения, то это условие может выполняться с некоторым допуском. Выполнение указанного условия позволит повысить качество переходных процессов, сопровождающих включение.
3. Разработан способ автоматической точной синхронизации генераторов с электрической сетью, основанный на принципах построения систем автоматического управления с эталонной моделью и позволяющий выполнять целенаправленное управление посредством выдачи однополярных управляющих воздействий. Способ позволяет осуществлять управление с нулевой методической ошибкой. Это свойство выражается в формирования целевых условий синхронизации как условий достижения нулевой энергии относительного движения векторов напряжений синхронизируемых объектов, что предполагает обеспечение нулевых величин относительного ускорения, относительной скорости и относительного угла к моменту включения объединяющего выключателя.
4. Предложены четыре алгоритма построения программных траекторий движения для параметров синхронизации, удовлетворяющих сформулированным требованиям синхронизации. Указанные траектории позволяют выполнять целенаправленный перевод параметров синхронизации в заданную точку фазовых координат при управлении «с ходу» при помощи однополярных управляющих воздействий.
5. Предложены варианты реализации регулятора устройства автоматической синхронизации с эталонной моделью, заключающиеся в применении принципов управления «гибких» и «жестких» траекторий. Применение указанных принципов позволяет обеспечивать движение параметров синхронизации в некоторой окрестности от построенной программной траектории движения при использовании безынерционных и инерционных исполнительных устройств регулирования в условиях наличия внешних возмущений, возникающих в ходе процесса управления.
6. Выполнен анализ состояния развития существующих измерительных систем и предложен способ аналитического определения параметров вращательного движения векторов напряжений синхронизируемых объектов, учитывающий непрерывный и неравномерный характер их изменения и заключающийся в аппроксимации, на интервале измерения, функции ускорения линейной зависимостью, характерной для равномерно ускоренного движения.
7. Проведена апробация предложенных алгоритмов работы основных блоков системы синхронизации путем их моделирования в программном комплексе Mustang и среде моделирования MATLAB Simulink. По результатам апробации может быть сделан вывод о том, что применение изложенного подхода к синтезу систем синхронизации позволяет решить следующие задачи:
- сократить время, требуемое для выполнения условий синхронизации, и, следовательно, минимизировать задержки во включении генерирующих мощностей в сеть;
- исключить методическую ошибку управления, характерную для существующих систем синхронизации и вызванную необходимостью смещения целевых условий синхронизации в область понижения качества ;
- обеспечить работоспособность систем синхронизации в условиях наличия возмущений, вызывающих отклонения параметров синхронизации от эталонной модели, и повысить качество сопровождающих переходных процессов.
К перспективным направлениям дальнейших исследований могут быть отнесены работы по уточнению используемых моделей генераторов и сети при формировании эталонных моделей, а также рассмотрение вопросов применимости для целей синхронизации нейронных сетей и систем, функционирующих на принципах нечеткой логики.
Результаты диссертационного исследования следует также рассматривать в качестве методической основы для создания нового класса адаптивных систем автоматического управления динамическими переходами электроэнергетических систем, связанных с необходимостью синхронного объединения их частей.