Помощь студентам в учебе
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ И СРЕДСТВ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Анализ проблем обеспечения устойчивости в современных электроэнергетических системах и существующих направлений в области развития подходов к настройке систем автоматического регулирования возбуждения 13
1.1. Анализ влияния внедрения новых объектов и устройств на устойчивость
электроэнергетических систем 15
1.2. Обоснование решения проблемы обеспечения надежности и устойчивости
современных электроэнергетических систем с помощью регулирования возбуждения синхронных генераторов электростанций 20
1.2.1. Структура автоматических регуляторов возбуждения отечественного и
зарубежного типов 21
1.2.2. Основные направления в области развития систем регулирования возбуждения
синхронных генераторов и подходов к их настройке 29
1.3. Обоснование настройки автоматических регуляторов возбуждения в качестве
эффективного мероприятия по обеспечению надежности и устойчивости современных электроэнергетических систем 34
1.3.1. Выявление факторов, препятствующих решению проблемы настройки автоматических регуляторов возбуждения в современных электроэнергетических системах в рамках применения существующих и перспективных методов и средств 35
1.3.2. Применение гибридного подхода к моделированию электроэнергетических систем для осуществления настройки автоматических регуляторов возбуждения,
адекватной реальным условиям функционирования 47
1.4. Выводы по главе 1 50
Глава 2. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем и средства ее реализации 52
2.1. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем 52
2.2. Формирование структуры и принципов построения всережимной детальной
трехфазной математической модели энергоблока 54
2.2.1. Гибридный сопроцессор синхронного генератора 64
2.2.2. Гибридный сопроцессор мультимассной модели вала 69
2.2.3. Гибридный сопроцессор системы возбуждения 72
2.2.4. Гибридные сопроцессоры нагрузки собственных нужд и силового блочного
трансформатора 78
2.2.5. Микропроцессорный узел специализированного гибридного процессора
энергоблока 79
2.2.6. Тестовые исследования разработанных средств гибридного моделирования
энергоблока 81
2.3. Выводы по главе 2 86
Глава 3. Методика настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов в условиях развития современных электроэнергетических систем 88
3.1. Формирование положений методики настройки автоматических регуляторов
возбуждения синхронных генераторов электрических станций 88
3.2. Выводы по главе 3 98
Глава 4. Экспериментальные исследования методики настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов 100
4.1. Результаты настройки автоматических регуляторов возбуждения на
линеаризованной модели электроэнергетической системы 102
4.2. Результаты анализа правильности и эффективности выбранных параметров настойки
автоматических регуляторов возбуждения на динамической модели электроэнергетической системы 104
4.2.1. Проверка эффективности параметров настройки АРВ в нормальной схеме при
изменении уровня генерации ВИЭ 105
4.2.2. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при изменении схемнорежимных условий работы ВИЭ 112
4.2.3. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при учете поддержания
непрерывности электроснабжения ВИЭ при низком напряжении 116
4.2.4. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ в
случае повышения напряжения 119
4.2.5. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ без
возмущения 120
4.2.6. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении степени компенсации
продольного сопротивления отходящих линий 121
4.2.7. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении загрузки и параметров
настройки СТАТКОМ 124
4.2.8. Проверка эффективности работы АРВ СГ совместно с ВИЭ-СТАТКОМ 127
4.2.9. Проверка эффективности работы АРВ СГ при изменении параметров настройки
САУ ВИЭ 129
4.2.10. Проверка эффективности работы АРВ СГ при добавлении канала стабилизации
в САУ ВИЭ 131
4.2.11. Обобщение результатов настройки АРВ СГ с применением ВМК РВ ЭЭС в
соответствии с предлагаемой методикой 133
4.3. Выводы по главе 4 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143
Приложение А. Документы, подтверждающие создание объектов интеллектуальной
собственности 162
Приложение Б. Структурная схема электрической машины 165
Приложение В. Структурная схема мультимассной модели вала 167
Приложение Г. Результаты тестирования гибридной модели энергоблока 169
Глава 1. Анализ проблем обеспечения устойчивости в современных электроэнергетических системах и существующих направлений в области развития подходов к настройке систем автоматического регулирования возбуждения 13
1.1. Анализ влияния внедрения новых объектов и устройств на устойчивость
электроэнергетических систем 15
1.2. Обоснование решения проблемы обеспечения надежности и устойчивости
современных электроэнергетических систем с помощью регулирования возбуждения синхронных генераторов электростанций 20
1.2.1. Структура автоматических регуляторов возбуждения отечественного и
зарубежного типов 21
1.2.2. Основные направления в области развития систем регулирования возбуждения
синхронных генераторов и подходов к их настройке 29
1.3. Обоснование настройки автоматических регуляторов возбуждения в качестве
эффективного мероприятия по обеспечению надежности и устойчивости современных электроэнергетических систем 34
1.3.1. Выявление факторов, препятствующих решению проблемы настройки автоматических регуляторов возбуждения в современных электроэнергетических системах в рамках применения существующих и перспективных методов и средств 35
1.3.2. Применение гибридного подхода к моделированию электроэнергетических систем для осуществления настройки автоматических регуляторов возбуждения,
адекватной реальным условиям функционирования 47
1.4. Выводы по главе 1 50
Глава 2. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем и средства ее реализации 52
2.1. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем 52
2.2. Формирование структуры и принципов построения всережимной детальной
трехфазной математической модели энергоблока 54
2.2.1. Гибридный сопроцессор синхронного генератора 64
2.2.2. Гибридный сопроцессор мультимассной модели вала 69
2.2.3. Гибридный сопроцессор системы возбуждения 72
2.2.4. Гибридные сопроцессоры нагрузки собственных нужд и силового блочного
трансформатора 78
2.2.5. Микропроцессорный узел специализированного гибридного процессора
энергоблока 79
2.2.6. Тестовые исследования разработанных средств гибридного моделирования
энергоблока 81
2.3. Выводы по главе 2 86
Глава 3. Методика настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов в условиях развития современных электроэнергетических систем 88
3.1. Формирование положений методики настройки автоматических регуляторов
возбуждения синхронных генераторов электрических станций 88
3.2. Выводы по главе 3 98
Глава 4. Экспериментальные исследования методики настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов 100
4.1. Результаты настройки автоматических регуляторов возбуждения на
линеаризованной модели электроэнергетической системы 102
4.2. Результаты анализа правильности и эффективности выбранных параметров настойки
автоматических регуляторов возбуждения на динамической модели электроэнергетической системы 104
4.2.1. Проверка эффективности параметров настройки АРВ в нормальной схеме при
изменении уровня генерации ВИЭ 105
4.2.2. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при изменении схемнорежимных условий работы ВИЭ 112
4.2.3. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при учете поддержания
непрерывности электроснабжения ВИЭ при низком напряжении 116
4.2.4. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ в
случае повышения напряжения 119
4.2.5. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ без
возмущения 120
4.2.6. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении степени компенсации
продольного сопротивления отходящих линий 121
4.2.7. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении загрузки и параметров
настройки СТАТКОМ 124
4.2.8. Проверка эффективности работы АРВ СГ совместно с ВИЭ-СТАТКОМ 127
4.2.9. Проверка эффективности работы АРВ СГ при изменении параметров настройки
САУ ВИЭ 129
4.2.10. Проверка эффективности работы АРВ СГ при добавлении канала стабилизации
в САУ ВИЭ 131
4.2.11. Обобщение результатов настройки АРВ СГ с применением ВМК РВ ЭЭС в
соответствии с предлагаемой методикой 133
4.3. Выводы по главе 4 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143
Приложение А. Документы, подтверждающие создание объектов интеллектуальной
собственности 162
Приложение Б. Структурная схема электрической машины 165
Приложение В. Структурная схема мультимассной модели вала 167
Приложение Г. Результаты тестирования гибридной модели энергоблока 169
Проблема и ее актуальность. Одной из важнейших задач в области электроэнергетики является обеспечение надежности и устойчивости функционирования современных электроэнергетических систем (ЭЭС) в условиях их постоянного развития и усложнения структуры, связанных как со строительством и вводом в эксплуатацию новых энергообъектов, электрических сетей и электроустановок, так и с переоснащением и модернизацией уже используемых в настоящее время объектов. Под новыми объектами в составе современных ЭЭС в диссертационной работе понимаются объекты генерации на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым преимущественно относятся ветроэнергетические (ВЭУ) и фотоэлектрические (ФЭУ) установки, а также различные технологии гибких систем передачи переменного тока (ГСШ1Т). Внедрение подобного рода устройств и установок помимо неоспоримых положительных аспектов вызывает и ряд негативных последствий, которые непосредственно связаны с проблемами режимного и противоаварийного управления ЭЭС. В частности, могут ухудшаться динамические свойства ЭЭС за счет снижения общей постоянной инерции и недостатка резервов мощности, увеличиваться скорость протекания процессов и максимальные отклонения параметров электрического режима в первый момент после возмущения и, как следствие, возрастать вероятность нарушения устойчивости параллельной работы электростанций или частей ЭЭС с последующим каскадным развитием аварийных процессов вплоть до разделения системы и отключения большого числа потребителей.
Одним из основных средств обеспечения устойчивости ЭЭС являются устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов (СГ), устанавливаемые на традиционных электрических станциях (тепловых, гидравлических и атомных), которые в том числе отвечают за все виды устойчивости (статическую апериодическую, статическую колебательную и динамическую) как отдельных агрегатов, так и всей ЭЭС в целом. Отмеченные изменения в ЭЭС определяют необходимость решения вопросов, связанных с эффективной настройкой систем управления возбуждением, адекватной реальным условиям их функционирования, для оптимального регулирования напряжения, повышения запасов статической и динамической устойчивости, обеспечения интенсивного демпфирования локальных, межсистемных и послеаварийных электромеханических колебаний, возникающих в ЭЭС. Важность решения этой задачи обусловлена тем, что, как показывает мировой опыт эксплуатации ЭЭС со значительной долей объектов ВИЭ, полномасштабный переход от централизованной к децентрализованной схеме электроснабжения и полноценный отказ от мощных традиционных источников энергии в настоящий момент не является возможным ввиду возникновения ряда проблем, частично обозначенных ранее.
При этом существующие подходы к настройке устройств АРВ в случае рассмотрения как ЭЭС традиционной структуры, так и современных ЭЭС не всегда способны обеспечить требуемые качество регулирования и эффективность работы данной режимной автоматики в целом, что определяется, в частности, используемыми средствами для получения необходимой информации о режимах и процессах в ЭЭС различной конфигурации, которая в дальнейшем применяется для настройки каналов АРВ СГ. Данный факт подтверждается статистикой и анализом крупных системных аварий за последние десятилетия, связанных с работой различных систем управления и в том числе АРВ СГ. Настройка АРВ СГ даже для традиционных ЭЭС является нетривиальной задачей, что связано с уникальными свойствами и характеристиками данных систем, в которых процесс производства, трансформации, передачи, распределения и потребления электроэнергии представляет собой единый и непрерывный процесс, предопределяющим сложную структуру подобных энергообъединений и взаимосвязь всего вовлеченного в этот процесс оборудования. При этом существующие методики и используемые для настройки АРВ СГ средства не в полной мере позволяют учесть особенности функционирования ВИЭ и устройств ГСШ1Т. Таким образом, принимая во внимание современную тенденцию развития ЭЭС, связанную с внедрением новых объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т, существенно изменяющих динамику протекания процессов в энергосистеме, в особенности переходных, а также учитывая специфику их влияния на все виды устойчивости ЭЭС в целом, возникает актуальная задача определения новых, адекватных реальным условиям настроек АРВ различного типа, обеспечивающих их эффективное функционирование в различных схемно-режимных ситуациях для обеспечения надежности и сохранения устойчивости функционирования ЭЭС. В диссертационной работе для комплексного и всестороннего решения данной задачи предлагается использовать основанный на концепции гибридного моделирования Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС), который, в силу своих свойств и возможностей, позволяет обеспечить получение полной и достоверной информации о нормальных и анормальных квазиустановившихся и переходных процессах в ЭЭС любой необходимой конфигурации и структуры, используя достаточно полную и адекватную математическую модель реальной ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Принципам построения систем АРВ СГ, а также разработке методик по их настройке и другим различным аспектам в данной области посвящено множество работ как отечественных ученых и специалистов: Андреева М.В., Беляева А.Н., Ботвинника М.М., Булатова Ю.Н., Веникова В.А., Герасимова А.С., Глебова И.А., Горева А.А., Гурикова О.В., Есиповича А.Х., Зеленина А.С., Зеленохат
H. И., Игнатьева И.В., Илюшина П.В., Кабанова Д.А., Климовой Т.Г., Когана Ф.Л., Лебедева С.А., Литкенс И.В., Логинова А.Г., Паздерина А.В., Покровского М.И., Рагозина А.А., Смоловик С.В., Сорокина Д.В., Сосниной Е.Н., Строева В.А., Тащилина В.А., Штефка Й., Юрганова А.А. и др., так и зарубежных ученых: Abido M.A., Concordia C., Folly K.A., Guo Q., Hiyama T., Hope G.S., Hsu Y.Y., Kamwa I., Kundur P., Malik O.P., Mukherjee V., Ngamroo
I. , Panda S., Shayeghi H., Venayagamoorthy G.K., Vournas C.D., Wang H.F., Yokoyama R. и др. Однако, несмотря на это, в настоящее время остается довольно много дискуссионных вопросов, связанных с получением параметров настройки АРВ СГ электрических станций, наиболее адекватных реальным условиям их функционирования. В связи с этим идея работы, посвященная решению обозначенной проблемы настройки устройств АРВ СГ в условиях развития современных ЭЭС с применением методики и средств, в основе которых лежит комплексный гибридный подход к моделированию подобных ЭЭС, является актуальной для мировой электроэнергетики в целом.
Целью работы является совершенствование методики и разработка средств для анализа и выбора оптимальных настроек устройств АРВ СГ с точки зрения эффективного демпфирования колебаний параметров электрического режима, а также обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости современных ЭЭС в целом с применением информации о режимах и процессах, полученной с помощью средств гибридного моделирования ЭЭС.
Объектом исследования является СГ, работающий в составе ЭЭС с объектами ВИЭ и устройствами ГСШ1Т разного типа, состава и мощности при различных схемнорежимных условиях и возмущениях. Предметом исследования являются системы АРВ СГ, отвечающие за его функционирование как в нормальных, так и в переходных режимах.
Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ влияния внедрения современных объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т, подключаемых через силовые преобразователи к электрической сети, в существующие ЭЭС на динамику протекания переходных процессов, а также статическую колебательную и динамическую устойчивость ЭЭС в целом.
2. Анализ основных широко используемых в настоящее время методов и средств для настройки АРВ СГ электрических станций, а также перспективных направлений в данной области.
3. Выявление и обоснование факторов, препятствующих комплексному решению проблемы адекватной реальным условиям функционирования настройки устройств АРВ в современных ЭЭС в рамках применения существующих и перспективных методов и средств.
4. Разработка теоретически и практически обоснованной концепции осуществления настройки АРВ СГ с учетом современных тенденций развития и модернизации ЭЭС, а также структуры и принципов построения средств ее реализации.
5. Разработка методики эффективной настройки устройств АРВ СГ в современных ЭЭС с объектами ВИЭ и устройствами ГСИИТ.
6. Проведение комплекса экспериментальных исследований, подтверждающих свойства и возможности разработанных концепции, средств и методики настройки устройств АРВ СГ, которые обеспечивают успешное решение исследуемой проблемы, а также достижение цели диссертационной работы.
Научная новизна работы:
1. Усовершенствована методика настройки АРВ СГ электрических станций в современных ЭЭС за счет учета особенностей функционирования и режимов работы объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т при формировании перечня рассматриваемых схемнорежимных условий работы ЭЭС и возмущений, в том числе характерных для указанных установок: изменение уровня генерации, отношения короткого замыкания и степени продольной компенсации в сети, изменение в параметрах настройки и алгоритмах функционирования систем автоматического управления, а также принципов работы в случае существенных отклонений уровня напряжения.
2. Доказана эффективность применения совокупности из трех квадратичных интегральных показателей качества для количественной оценки эффективности выбранных параметров настройки АРВ СГ на основе результатов моделирования переходных процессов, которые позволяют совокупно анализировать изменение амплитуды колебаний и время их затухания при рассмотрении большого многообразия схемно-режимных условий работы современных ЭЭС с ВИЭ и ГСШ1Т. Определены на основе экспериментальных данных характерные диапазоны изменения интегральных показателей, по которым может быть сделан вывод об уровне эффективности настройки АРВ СГ с использованием полученных значений.
Теоретическую значимость работы определяют:
1) обоснованная необходимость настройки АРВ СГ электрических станций,
наиболее адекватной реальным условиям их функционирования при внедрении в современные ЭЭС различных объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСППТ, а также выявленные причины её труднореализуемости при применении существующих средств и методик;
2) предложенная концепция настройки АРВ СГ с применением программноаппаратных средств моделирования электромагнитных переходных процессов, позволяющих достоверно учесть влияние специфики и динамики функционирования современных установок, подключение которых к электрической сети осуществляется с использованием силовых преобразователей, на конечный результат настройки регуляторов возбуждения разного типа;
3) сформулированная в соответствии с рассмотренными аспектами влияния ВИЭ и ГСИИТ на режимы и процессы в ЭЭС, а также с предложенной концепцией методика, определяющая общую последовательность и содержание действий по проведению процедуры настройки АРВ СГ в условиях развития современных ЭЭС.
Практическая значимость работы заключается в повышении надежности функционирования современных ЭЭС с ВИЭ и ГСИИТ за счет обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости, что определяется оптимальной и эффективной настройкой АРВ СГ электрических станций, которая осуществляется с учетом широкого многообразия схемно-режимных условий работы ЭЭС при различного рода возмущениях на ее детальной математической модели. Кроме того, благодаря разработанным средствам моделирования совместно с предложенной методикой и концепцией в целом становится возможным формирование определенных рекомендаций по повышению устойчивости современных ЭЭС за счет скоординированного использования возможностей управления ВИЭ или ГСИИТ и АРВ СГ. Результаты диссертационной работы используются в ФГАОУ ВО НИ ТИУ в образовательных и научных процессах при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», а также при реализации проектов РФФИ 20-38-90003 и РНФ 18-79-10006.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач выполнялось с использованием методов теоретического исследования, имитационного моделирования и экспериментального исследования. Ири проведении теоретических исследований применялись теория электрических машин, методы системного анализа, положения теории автоматического регулирования и управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов. Ири разработке необходимых программно-аппаратных средств моделирования энергоблока использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, положения теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, а также методы схемотехнического анализа и концепция построения средств гибридного моделирования. Численные эксперименты выполнены на математической модели ЭЭС, реализованной в ВМК РВ ЭЭС.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для эффективной настройки АРВ при рассмотрении современных ЭЭС необходимо воспроизведение в виде детальной модели, помимо электрической машины вместе с ее системами автоматического регулирования и управления, валопровода генератора с целью анализа резонансных процессов в широком диапазоне частот (десятки- сотни герц), вероятность возникновения которых значительно возрастает при использовании установок с силовыми преобразователями.
2. При анализе переходных процессов в современных ЭЭС, проводимом для оценки эффективности настройки АРВ СГ электрических станций, необходимо воспроизведение объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т в виде детализированных нелинейных моделей, учитывающих коммутационные процессы в силовых преобразователях и их быстродействующие системы автоматического управления вместе с динамикой цепи постоянного тока, для получения наиболее полной и достоверной информации по всему значимому спектру процессов (0-1000 Гц).
3. С целью повышения эффективности настройки АРВ СГ в современных ЭЭС должны учитываться особенности функционирования объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т при формировании перечня рассматриваемых режимов и возмущений, в том числе характерных для обозначенных установок. Таким образом применение предлагаемой методики настройки АРВ СГ позволяет достигнуть большей эффективности демпфирования послеаварийных колебаний, например, время затухания колебаний в среднем уменьшается на 32% в сравнении с параметрами настройки, выбранными в соответствии с существующей методикой.
4. Применение трех квадратичных интегральных показателей качества переходных процессов, учитывающих амплитуду колебаний любого из параметров электрического режима и время их затухания, позволяет оценить эффективность параметров настройки АРВ СГ и сделать более комплексный вывод о качестве выбранных параметров, чем при анализе только времени затухания как критерия оценки.
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается за счет применения апробированных положений теории надежности и устойчивости ЭЭС, использования известных положений фундаментальных и прикладных наук, корректного использования математического аппарата и соответствующих математических моделей со структурой, адекватной исследуемым процессам, соответствия результатов теоретического анализа и экспериментальных исследований, непротиворечивости результатов диссертационной работы выводам, которые получены другими авторами, а также обсуждения отдельных положений и результатов работы с отечественными и зарубежными специалистами в рамках конференций и других научных мероприятий.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационные исследования проводимые в рамках совершенствования методики и средств настройки автоматических регуляторов возбуждения выполнены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-38-90003 «Исследование влияния процессов в современных электроэнергетических системах на функционирование автоматических регуляторов возбуждения и разработка методики их адекватной настройки) (2020-2022 гг.). Созданные автором математические модели регуляторов возбуждения отечественного и зарубежного типов, а также гибридные средства моделирования энергоблока использовались при выполнении исследований в проекте Российского научного фонда № 18-79-10006, направленного на изучение проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией. Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий Российской Федерации «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на XII Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Нижний Новгород, 2022), XIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2022), XIV Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 2021), XXVI и XXV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2021 и 2022), Всероссийской научной конференции с международным участием и XII научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2020), XI Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Ставрополь, 2020), International Youth Scientific Conference on Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment (Томск, 2019), International Youth Scientific and Technical Conference Relay Protection and Automation (Москва, 2018), XX Всероссийской студенческой научно-практической конференции Нижневартовского государственного университета (Нижневартовск, 2018).
Публикации. Все основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 16 работах, в числе которых 6 статей в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ, 3 статьи в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, также получены 1 патент РФ на изобретение и 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора состоит в разработке концепции гибридного моделирования энергоблока, структуры и принципов построения средств для реализации данной модели, создании экспериментальных средств, формировании положений методики настройки, постановке и планировании экспериментов, проведении опытов, обработке полученных результатов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке защищаемых положений и выводов. Постановка решаемых задач, планирование экспериментов и подготовка публикаций проводились совместно с научным руководителем. Автор выражает благодарность коллективу научно-исследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» Инженерной школы энергетики ТПУ (http://mees.tpu.ru) за помощь в проведении экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 203 наименований, содержит 172 страницы, 20 таблиц, 57 рисунков, а также 4 приложения.
Одним из основных средств обеспечения устойчивости ЭЭС являются устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов (СГ), устанавливаемые на традиционных электрических станциях (тепловых, гидравлических и атомных), которые в том числе отвечают за все виды устойчивости (статическую апериодическую, статическую колебательную и динамическую) как отдельных агрегатов, так и всей ЭЭС в целом. Отмеченные изменения в ЭЭС определяют необходимость решения вопросов, связанных с эффективной настройкой систем управления возбуждением, адекватной реальным условиям их функционирования, для оптимального регулирования напряжения, повышения запасов статической и динамической устойчивости, обеспечения интенсивного демпфирования локальных, межсистемных и послеаварийных электромеханических колебаний, возникающих в ЭЭС. Важность решения этой задачи обусловлена тем, что, как показывает мировой опыт эксплуатации ЭЭС со значительной долей объектов ВИЭ, полномасштабный переход от централизованной к децентрализованной схеме электроснабжения и полноценный отказ от мощных традиционных источников энергии в настоящий момент не является возможным ввиду возникновения ряда проблем, частично обозначенных ранее.
При этом существующие подходы к настройке устройств АРВ в случае рассмотрения как ЭЭС традиционной структуры, так и современных ЭЭС не всегда способны обеспечить требуемые качество регулирования и эффективность работы данной режимной автоматики в целом, что определяется, в частности, используемыми средствами для получения необходимой информации о режимах и процессах в ЭЭС различной конфигурации, которая в дальнейшем применяется для настройки каналов АРВ СГ. Данный факт подтверждается статистикой и анализом крупных системных аварий за последние десятилетия, связанных с работой различных систем управления и в том числе АРВ СГ. Настройка АРВ СГ даже для традиционных ЭЭС является нетривиальной задачей, что связано с уникальными свойствами и характеристиками данных систем, в которых процесс производства, трансформации, передачи, распределения и потребления электроэнергии представляет собой единый и непрерывный процесс, предопределяющим сложную структуру подобных энергообъединений и взаимосвязь всего вовлеченного в этот процесс оборудования. При этом существующие методики и используемые для настройки АРВ СГ средства не в полной мере позволяют учесть особенности функционирования ВИЭ и устройств ГСШ1Т. Таким образом, принимая во внимание современную тенденцию развития ЭЭС, связанную с внедрением новых объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т, существенно изменяющих динамику протекания процессов в энергосистеме, в особенности переходных, а также учитывая специфику их влияния на все виды устойчивости ЭЭС в целом, возникает актуальная задача определения новых, адекватных реальным условиям настроек АРВ различного типа, обеспечивающих их эффективное функционирование в различных схемно-режимных ситуациях для обеспечения надежности и сохранения устойчивости функционирования ЭЭС. В диссертационной работе для комплексного и всестороннего решения данной задачи предлагается использовать основанный на концепции гибридного моделирования Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС), который, в силу своих свойств и возможностей, позволяет обеспечить получение полной и достоверной информации о нормальных и анормальных квазиустановившихся и переходных процессах в ЭЭС любой необходимой конфигурации и структуры, используя достаточно полную и адекватную математическую модель реальной ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Принципам построения систем АРВ СГ, а также разработке методик по их настройке и другим различным аспектам в данной области посвящено множество работ как отечественных ученых и специалистов: Андреева М.В., Беляева А.Н., Ботвинника М.М., Булатова Ю.Н., Веникова В.А., Герасимова А.С., Глебова И.А., Горева А.А., Гурикова О.В., Есиповича А.Х., Зеленина А.С., Зеленохат
H. И., Игнатьева И.В., Илюшина П.В., Кабанова Д.А., Климовой Т.Г., Когана Ф.Л., Лебедева С.А., Литкенс И.В., Логинова А.Г., Паздерина А.В., Покровского М.И., Рагозина А.А., Смоловик С.В., Сорокина Д.В., Сосниной Е.Н., Строева В.А., Тащилина В.А., Штефка Й., Юрганова А.А. и др., так и зарубежных ученых: Abido M.A., Concordia C., Folly K.A., Guo Q., Hiyama T., Hope G.S., Hsu Y.Y., Kamwa I., Kundur P., Malik O.P., Mukherjee V., Ngamroo
I. , Panda S., Shayeghi H., Venayagamoorthy G.K., Vournas C.D., Wang H.F., Yokoyama R. и др. Однако, несмотря на это, в настоящее время остается довольно много дискуссионных вопросов, связанных с получением параметров настройки АРВ СГ электрических станций, наиболее адекватных реальным условиям их функционирования. В связи с этим идея работы, посвященная решению обозначенной проблемы настройки устройств АРВ СГ в условиях развития современных ЭЭС с применением методики и средств, в основе которых лежит комплексный гибридный подход к моделированию подобных ЭЭС, является актуальной для мировой электроэнергетики в целом.
Целью работы является совершенствование методики и разработка средств для анализа и выбора оптимальных настроек устройств АРВ СГ с точки зрения эффективного демпфирования колебаний параметров электрического режима, а также обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости современных ЭЭС в целом с применением информации о режимах и процессах, полученной с помощью средств гибридного моделирования ЭЭС.
Объектом исследования является СГ, работающий в составе ЭЭС с объектами ВИЭ и устройствами ГСШ1Т разного типа, состава и мощности при различных схемнорежимных условиях и возмущениях. Предметом исследования являются системы АРВ СГ, отвечающие за его функционирование как в нормальных, так и в переходных режимах.
Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ влияния внедрения современных объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т, подключаемых через силовые преобразователи к электрической сети, в существующие ЭЭС на динамику протекания переходных процессов, а также статическую колебательную и динамическую устойчивость ЭЭС в целом.
2. Анализ основных широко используемых в настоящее время методов и средств для настройки АРВ СГ электрических станций, а также перспективных направлений в данной области.
3. Выявление и обоснование факторов, препятствующих комплексному решению проблемы адекватной реальным условиям функционирования настройки устройств АРВ в современных ЭЭС в рамках применения существующих и перспективных методов и средств.
4. Разработка теоретически и практически обоснованной концепции осуществления настройки АРВ СГ с учетом современных тенденций развития и модернизации ЭЭС, а также структуры и принципов построения средств ее реализации.
5. Разработка методики эффективной настройки устройств АРВ СГ в современных ЭЭС с объектами ВИЭ и устройствами ГСИИТ.
6. Проведение комплекса экспериментальных исследований, подтверждающих свойства и возможности разработанных концепции, средств и методики настройки устройств АРВ СГ, которые обеспечивают успешное решение исследуемой проблемы, а также достижение цели диссертационной работы.
Научная новизна работы:
1. Усовершенствована методика настройки АРВ СГ электрических станций в современных ЭЭС за счет учета особенностей функционирования и режимов работы объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т при формировании перечня рассматриваемых схемнорежимных условий работы ЭЭС и возмущений, в том числе характерных для указанных установок: изменение уровня генерации, отношения короткого замыкания и степени продольной компенсации в сети, изменение в параметрах настройки и алгоритмах функционирования систем автоматического управления, а также принципов работы в случае существенных отклонений уровня напряжения.
2. Доказана эффективность применения совокупности из трех квадратичных интегральных показателей качества для количественной оценки эффективности выбранных параметров настройки АРВ СГ на основе результатов моделирования переходных процессов, которые позволяют совокупно анализировать изменение амплитуды колебаний и время их затухания при рассмотрении большого многообразия схемно-режимных условий работы современных ЭЭС с ВИЭ и ГСШ1Т. Определены на основе экспериментальных данных характерные диапазоны изменения интегральных показателей, по которым может быть сделан вывод об уровне эффективности настройки АРВ СГ с использованием полученных значений.
Теоретическую значимость работы определяют:
1) обоснованная необходимость настройки АРВ СГ электрических станций,
наиболее адекватной реальным условиям их функционирования при внедрении в современные ЭЭС различных объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСППТ, а также выявленные причины её труднореализуемости при применении существующих средств и методик;
2) предложенная концепция настройки АРВ СГ с применением программноаппаратных средств моделирования электромагнитных переходных процессов, позволяющих достоверно учесть влияние специфики и динамики функционирования современных установок, подключение которых к электрической сети осуществляется с использованием силовых преобразователей, на конечный результат настройки регуляторов возбуждения разного типа;
3) сформулированная в соответствии с рассмотренными аспектами влияния ВИЭ и ГСИИТ на режимы и процессы в ЭЭС, а также с предложенной концепцией методика, определяющая общую последовательность и содержание действий по проведению процедуры настройки АРВ СГ в условиях развития современных ЭЭС.
Практическая значимость работы заключается в повышении надежности функционирования современных ЭЭС с ВИЭ и ГСИИТ за счет обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости, что определяется оптимальной и эффективной настройкой АРВ СГ электрических станций, которая осуществляется с учетом широкого многообразия схемно-режимных условий работы ЭЭС при различного рода возмущениях на ее детальной математической модели. Кроме того, благодаря разработанным средствам моделирования совместно с предложенной методикой и концепцией в целом становится возможным формирование определенных рекомендаций по повышению устойчивости современных ЭЭС за счет скоординированного использования возможностей управления ВИЭ или ГСИИТ и АРВ СГ. Результаты диссертационной работы используются в ФГАОУ ВО НИ ТИУ в образовательных и научных процессах при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Электроэнергетика и электротехника», а также при реализации проектов РФФИ 20-38-90003 и РНФ 18-79-10006.
Методология и методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач выполнялось с использованием методов теоретического исследования, имитационного моделирования и экспериментального исследования. Ири проведении теоретических исследований применялись теория электрических машин, методы системного анализа, положения теории автоматического регулирования и управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов. Ири разработке необходимых программно-аппаратных средств моделирования энергоблока использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы анализа линейных и нелинейных электрических цепей, положения теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, а также методы схемотехнического анализа и концепция построения средств гибридного моделирования. Численные эксперименты выполнены на математической модели ЭЭС, реализованной в ВМК РВ ЭЭС.
Положения, выносимые на защиту:
1. Для эффективной настройки АРВ при рассмотрении современных ЭЭС необходимо воспроизведение в виде детальной модели, помимо электрической машины вместе с ее системами автоматического регулирования и управления, валопровода генератора с целью анализа резонансных процессов в широком диапазоне частот (десятки- сотни герц), вероятность возникновения которых значительно возрастает при использовании установок с силовыми преобразователями.
2. При анализе переходных процессов в современных ЭЭС, проводимом для оценки эффективности настройки АРВ СГ электрических станций, необходимо воспроизведение объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т в виде детализированных нелинейных моделей, учитывающих коммутационные процессы в силовых преобразователях и их быстродействующие системы автоматического управления вместе с динамикой цепи постоянного тока, для получения наиболее полной и достоверной информации по всему значимому спектру процессов (0-1000 Гц).
3. С целью повышения эффективности настройки АРВ СГ в современных ЭЭС должны учитываться особенности функционирования объектов ВИЭ и устройств ГСШ1Т при формировании перечня рассматриваемых режимов и возмущений, в том числе характерных для обозначенных установок. Таким образом применение предлагаемой методики настройки АРВ СГ позволяет достигнуть большей эффективности демпфирования послеаварийных колебаний, например, время затухания колебаний в среднем уменьшается на 32% в сравнении с параметрами настройки, выбранными в соответствии с существующей методикой.
4. Применение трех квадратичных интегральных показателей качества переходных процессов, учитывающих амплитуду колебаний любого из параметров электрического режима и время их затухания, позволяет оценить эффективность параметров настройки АРВ СГ и сделать более комплексный вывод о качестве выбранных параметров, чем при анализе только времени затухания как критерия оценки.
Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается за счет применения апробированных положений теории надежности и устойчивости ЭЭС, использования известных положений фундаментальных и прикладных наук, корректного использования математического аппарата и соответствующих математических моделей со структурой, адекватной исследуемым процессам, соответствия результатов теоретического анализа и экспериментальных исследований, непротиворечивости результатов диссертационной работы выводам, которые получены другими авторами, а также обсуждения отдельных положений и результатов работы с отечественными и зарубежными специалистами в рамках конференций и других научных мероприятий.
Связь работы с научными программами и грантами. Диссертационные исследования проводимые в рамках совершенствования методики и средств настройки автоматических регуляторов возбуждения выполнены при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-38-90003 «Исследование влияния процессов в современных электроэнергетических системах на функционирование автоматических регуляторов возбуждения и разработка методики их адекватной настройки) (2020-2022 гг.). Созданные автором математические модели регуляторов возбуждения отечественного и зарубежного типов, а также гибридные средства моделирования энергоблока использовались при выполнении исследований в проекте Российского научного фонда № 18-79-10006, направленного на изучение проблемы достоверности расчетов режимов и процессов в электроэнергетических системах с активно-адаптивными сетями и распределенной генерацией. Тематика исследований соответствует приоритетному направлению развития науки в Российской Федерации (указ Президента РФ № 899 от 7 июля 2011 г.): «Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика», а также находится в сфере критических технологий Российской Федерации «Технологии предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера».
Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на XII Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Нижний Новгород, 2022), XIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2022), XIV Всероссийской научно-технической конференции «Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем» (Чебоксары, 2021), XXVI и XXV Международном научном симпозиуме студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2021 и 2022), Всероссийской научной конференции с международным участием и XII научной молодежной школы «Возобновляемые источники энергии» (Москва, 2020), XI Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Ставрополь, 2020), International Youth Scientific Conference on Heat and Mass Transfer in the Thermal Control System of Technical and Technological Energy Equipment (Томск, 2019), International Youth Scientific and Technical Conference Relay Protection and Automation (Москва, 2018), XX Всероссийской студенческой научно-практической конференции Нижневартовского государственного университета (Нижневартовск, 2018).
Публикации. Все основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 16 работах, в числе которых 6 статей в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ, 3 статьи в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, также получены 1 патент РФ на изобретение и 2 свидетельства о регистрации программы для ЭВМ.
Личный вклад автора состоит в разработке концепции гибридного моделирования энергоблока, структуры и принципов построения средств для реализации данной модели, создании экспериментальных средств, формировании положений методики настройки, постановке и планировании экспериментов, проведении опытов, обработке полученных результатов, анализе и обобщении полученных результатов, формулировке защищаемых положений и выводов. Постановка решаемых задач, планирование экспериментов и подготовка публикаций проводились совместно с научным руководителем. Автор выражает благодарность коллективу научно-исследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» Инженерной школы энергетики ТПУ (http://mees.tpu.ru) за помощь в проведении экспериментов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 203 наименований, содержит 172 страницы, 20 таблиц, 57 рисунков, а также 4 приложения.
Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:
1. Проведен анализ влияния внедрения в существующие ЭЭС современных объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСШ1Т различного типа, в том числе подключаемых к электрической сети с помощью силовых преобразователей, на динамику протекания переходных процессов и устойчивость современных ЭЭС в целом.
2. В качестве решения проблемы обеспечения надежности и устойчивости современных ЭЭС в диссертационной работе проанализирована возможность применения АРВ СГ электрических станций, поскольку данная режимная автоматика отвечает за функционирование как СГ, так и всей ЭЭС в целом в нормальных и переходных режимах, а также обладает необходимым потенциалом и свойствами как для повышения эффективности демпфирования колебаний, так и для обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости.
3. Выполнен анализ существующих направлений в области развития систем регулирования возбуждения СГ, а также совершенствования подходов к их настройке, на основании которого выявлены и обоснованы сложности применения устройств АРВ с нелинейной структурой, добавления новых каналов стабилизации или сигналов регулирования, а также факторы, препятствующие комплексному решению проблемы настройки устройств АРВ в современных ЭЭС, адекватной реальным условиям их функционирования, в рамках применения существующих и перспективных методов и средств.
4. Для комплексного решения проблематики настройки АРВ СГ в современных ЭЭС с ВИЭ и ГСППТ в диссертационной работе предложено использовать средства для математического моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, необходимые для осуществления адекватной настройки АРВ и позволяющие осуществлять воспроизведение ЭЭС реальных размерностей без их значительного эквивалентирования с учетом детальных моделей различных устройств и объектов в их составе. В качестве основы таких средств выступает ВМК РВ ЭЭС, разработанный с применением концепции гибридного моделирования, объединяющей в себе аналоговый, цифровой и физический подходы к моделированию ЭЭС, что позволяет исключить декомпозицию режимов и процессов, упрощение математических моделей элементов и совокупной модели ЭЭС в целом, ограничение интервала воспроизведения процессов, а также проблему сходимости итерационного процесса.
5. Разработана теоретически и практически обоснованная концепция осуществления настройки АРВ СГ с учетом современных тенденций развития и модернизации ЭЭС на основе применения средств моделирования электромагнитных переходных процессов, в частности ВМК РВ ЭЭС, на этапе проверки предварительно выбранных параметров настройки АРВ на динамической модели ЭЭС. Сформированные положения концепции позволяют комплексно оценить влияние интеграции различного рода объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСИИТ на эффективность функционирования АРВ СГ, а также провести необходимые мероприятия по корректировке и оптимизации параметров настройки устройств АРВ для обеспечения качественного управления режимами, необходимой эффективности демпфирования колебаний и уровня устойчивости ЭЭС в целом. Подобные свойства концепции обеспечиваются за счет возможности получения наиболее полной и достоверной информации о режимах и процессах в современных ЭЭС, которая затем используется для определения параметров настройки устройств АРВ СГ и оценки их эффективности.
6. Разработаны с применением положений гибридного моделирования необходимые программно-аппаратные средства реализации СГП энергоблока, совместимого с ВМК РВ ЭЭС, который позволяет при настройке АРВ СГ детально учитывать модели электрической машины с учетом возможности задания мультимассности вала, системы возбуждения, современных устройств АРВ любого типа и исполнения, первичного двигателя и его систем автоматического регулирования, нагрузки собственных нужд и силового блочного трансформатора. Подобная совокупная модель обеспечивает при осуществлении математического моделирования условия подключения синхронного генератора к ЭЭС, максимально приближенные к реальным, что позволяет наиболее полно и достоверно воспроизводить процессы как в рамках энергоблока, так и во внешней ЭЭС, в которой используется подобная детальная и достаточно подробная модель.
7. Сформированы положения методики настройки устройств АРВ СГ, учитывающие особенности функционирования новых объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСППТ при формировании математической модели ЭЭС, на которой осуществляется настройка устройств АРВ, а также перечня рассматриваемых конкретных режимов и возмущений, которые необходимы как для выбора правильной и оптимальной настройки регуляторов возбуждения, так и для адекватной проверки ее эффективности. В рамках методики также обосновано применение дополнительных критериев оценки эффективности выбранных параметров настройки АРВ СГ, что заключается в расчете совокупности интегральных показателей качества переходных процессов.
8. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающий эффективность разработанной методики настройки АРВ СГ электрических станций при внедрении объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГС1111Т в современные ЭЭС, а также доказывающий необходимость использования дополнительных критериев оценки качества выбранных параметров настройки АРВ для формирования однозначного вывода об их правильности и эффективности в различных схемно-режимных условиях работы ЭЭС в целом.
1. Проведен анализ влияния внедрения в существующие ЭЭС современных объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСШ1Т различного типа, в том числе подключаемых к электрической сети с помощью силовых преобразователей, на динамику протекания переходных процессов и устойчивость современных ЭЭС в целом.
2. В качестве решения проблемы обеспечения надежности и устойчивости современных ЭЭС в диссертационной работе проанализирована возможность применения АРВ СГ электрических станций, поскольку данная режимная автоматика отвечает за функционирование как СГ, так и всей ЭЭС в целом в нормальных и переходных режимах, а также обладает необходимым потенциалом и свойствами как для повышения эффективности демпфирования колебаний, так и для обеспечения высоких запасов колебательной и динамической устойчивости.
3. Выполнен анализ существующих направлений в области развития систем регулирования возбуждения СГ, а также совершенствования подходов к их настройке, на основании которого выявлены и обоснованы сложности применения устройств АРВ с нелинейной структурой, добавления новых каналов стабилизации или сигналов регулирования, а также факторы, препятствующие комплексному решению проблемы настройки устройств АРВ в современных ЭЭС, адекватной реальным условиям их функционирования, в рамках применения существующих и перспективных методов и средств.
4. Для комплексного решения проблематики настройки АРВ СГ в современных ЭЭС с ВИЭ и ГСППТ в диссертационной работе предложено использовать средства для математического моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС, необходимые для осуществления адекватной настройки АРВ и позволяющие осуществлять воспроизведение ЭЭС реальных размерностей без их значительного эквивалентирования с учетом детальных моделей различных устройств и объектов в их составе. В качестве основы таких средств выступает ВМК РВ ЭЭС, разработанный с применением концепции гибридного моделирования, объединяющей в себе аналоговый, цифровой и физический подходы к моделированию ЭЭС, что позволяет исключить декомпозицию режимов и процессов, упрощение математических моделей элементов и совокупной модели ЭЭС в целом, ограничение интервала воспроизведения процессов, а также проблему сходимости итерационного процесса.
5. Разработана теоретически и практически обоснованная концепция осуществления настройки АРВ СГ с учетом современных тенденций развития и модернизации ЭЭС на основе применения средств моделирования электромагнитных переходных процессов, в частности ВМК РВ ЭЭС, на этапе проверки предварительно выбранных параметров настройки АРВ на динамической модели ЭЭС. Сформированные положения концепции позволяют комплексно оценить влияние интеграции различного рода объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСИИТ на эффективность функционирования АРВ СГ, а также провести необходимые мероприятия по корректировке и оптимизации параметров настройки устройств АРВ для обеспечения качественного управления режимами, необходимой эффективности демпфирования колебаний и уровня устойчивости ЭЭС в целом. Подобные свойства концепции обеспечиваются за счет возможности получения наиболее полной и достоверной информации о режимах и процессах в современных ЭЭС, которая затем используется для определения параметров настройки устройств АРВ СГ и оценки их эффективности.
6. Разработаны с применением положений гибридного моделирования необходимые программно-аппаратные средства реализации СГП энергоблока, совместимого с ВМК РВ ЭЭС, который позволяет при настройке АРВ СГ детально учитывать модели электрической машины с учетом возможности задания мультимассности вала, системы возбуждения, современных устройств АРВ любого типа и исполнения, первичного двигателя и его систем автоматического регулирования, нагрузки собственных нужд и силового блочного трансформатора. Подобная совокупная модель обеспечивает при осуществлении математического моделирования условия подключения синхронного генератора к ЭЭС, максимально приближенные к реальным, что позволяет наиболее полно и достоверно воспроизводить процессы как в рамках энергоблока, так и во внешней ЭЭС, в которой используется подобная детальная и достаточно подробная модель.
7. Сформированы положения методики настройки устройств АРВ СГ, учитывающие особенности функционирования новых объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГСППТ при формировании математической модели ЭЭС, на которой осуществляется настройка устройств АРВ, а также перечня рассматриваемых конкретных режимов и возмущений, которые необходимы как для выбора правильной и оптимальной настройки регуляторов возбуждения, так и для адекватной проверки ее эффективности. В рамках методики также обосновано применение дополнительных критериев оценки эффективности выбранных параметров настройки АРВ СГ, что заключается в расчете совокупности интегральных показателей качества переходных процессов.
8. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающий эффективность разработанной методики настройки АРВ СГ электрических станций при внедрении объектов генерации на базе ВИЭ и устройств ГС1111Т в современные ЭЭС, а также доказывающий необходимость использования дополнительных критериев оценки качества выбранных параметров настройки АРВ для формирования однозначного вывода об их правильности и эффективности в различных схемно-режимных условиях работы ЭЭС в целом.
