Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ВЫБОРА ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБОГЕНЕРАТОРА И СРЕДСТВ ЕЕ РЕАЛИЗАЦИИ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБИН
ЭНЕРГОБЛОКОВ И НАПРАВЛЕНИЕ ЕЕ РЕШЕНИЯ 13
1.1 Общая характеристика исследуемой проблемы 13
1.2 Свойства и возможности программно-вычислительных и программноаппаратных комплексов расчета режимов и процессов в ЭЭС 23
1.3 Концепция гибридного моделирования электроэнергетических систем .. 31
1.4 Выводы 34
ГЛАВА 2 СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТУРБИНЫ И ЕЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 35
2.1 Математическая модель турбины и ее системы регулирования,
ориентированная на реализацию УВ КРТ 35
2.2 Тестирование синтезированной математической модели 46
2.3 Используемый автоматический регулятор возбуждения 48
2.3 Выводы 50
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
КРАТКОВРЕМЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБИНЫ 51
3.1 Методика выбора оптимальных значений параметров УВ КРТ 51
3.2 Реализация модели ЭЭС в ВМК РВ ЭЭС 53
3.3 Определение исходных схемно-режимных состояний моделируемой ЭЭС 56
3.4 Выводы 58
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ
МЕТОДИКИ НАСТРОЙКИ УВ КРТ 60
4.1 Схемно-режимное состояние №1 - зимний максимум 60
4.2 Схемно-режимное состояние №2 71
4.3 Выводы 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 80
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ЧАСТЬ КОДА РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ В МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ 92
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СРАВНЕНИЕ РЕАЛИЗОВАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ В ПВК PSCAD И ВМК РВ ЭЭС 95
ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ КРАТКОВРЕМЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБИН
ЭНЕРГОБЛОКОВ И НАПРАВЛЕНИЕ ЕЕ РЕШЕНИЯ 13
1.1 Общая характеристика исследуемой проблемы 13
1.2 Свойства и возможности программно-вычислительных и программноаппаратных комплексов расчета режимов и процессов в ЭЭС 23
1.3 Концепция гибридного моделирования электроэнергетических систем .. 31
1.4 Выводы 34
ГЛАВА 2 СИНТЕЗ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТУРБИНЫ И ЕЕ СИСТЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ 35
2.1 Математическая модель турбины и ее системы регулирования,
ориентированная на реализацию УВ КРТ 35
2.2 Тестирование синтезированной математической модели 46
2.3 Используемый автоматический регулятор возбуждения 48
2.3 Выводы 50
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ПАРАМЕТРОВ УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
КРАТКОВРЕМЕННОЙ РАЗГРУЗКИ ТУРБИНЫ 51
3.1 Методика выбора оптимальных значений параметров УВ КРТ 51
3.2 Реализация модели ЭЭС в ВМК РВ ЭЭС 53
3.3 Определение исходных схемно-режимных состояний моделируемой ЭЭС 56
3.4 Выводы 58
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ
МЕТОДИКИ НАСТРОЙКИ УВ КРТ 60
4.1 Схемно-режимное состояние №1 - зимний максимум 60
4.2 Схемно-режимное состояние №2 71
4.3 Выводы 75
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 76
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 78
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 80
ПРИЛОЖЕНИЕ А. ЧАСТЬ КОДА РЕАЛИЗАЦИИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ В МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ 92
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. СРАВНЕНИЕ РЕАЛИЗОВАННОЙ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ
МОДЕЛИ В ПВК PSCAD И ВМК РВ ЭЭС 95
Проблема и ее актуальность. Непременное условие нормального электроснабжения потребителей заключается в синхронной параллельной работе генерирующего оборудования электростанций. Данное требование должно также обеспечиваться и при возникновении аварийных процессов различной степени тяжести, в том числе за счет использования противоаварийной автоматики (ПА). В случае, когда в результате аварийного возмущения возникает избыточная кинетическая энергия ротора агрегата, с целью ее компенсации на начальной стадии переходного процесса ПА реализует управляющие воздействия (УВ):
1. Отключение генератора (ОГ). Осуществление ОГ, применяемое для предотвращения нарушения статической устойчивости, динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, ликвидации асинхронного режима отдельных генераторов, ограничения повышения частоты и предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки линии электропередач и электросетевого оборудования, является технологически и экономически нежелательным. Применяется в основном на гидроэлектростанциях. Так как использование ОГ возможно лишь на величину генерируемой активной мощности генератора, это может привести к необходимости применения балансирующего отключения нагрузки. Отключение турбогенератора приводит к полному сбросу нагрузки и увеличению его частоты вращения. Нормально работающая автоматическая регулировка частоты и мощности (АРЧМ) турбины не должна допускать увеличения частоты вращения ротора турбины выше допустимой. В случае недостаточного воздействия АРЧМ срабатывает автомат безопасности и закрывает стопорный клапан, который полностью прерывает поступление пара в турбину. В данном случае имеет место повышение давления в паропроводах и других элементах, что в свою очередь может повлечь за собой соответствующую работу технологических защит агрегата, в том числе сброс пара в быстродействующую редукционно-охладительную установку [1].
2. Электрическое торможение (ЭТ). Осуществление данного вида УВ является технологически недостаточно обоснованным и экономически мало выгодным, т.к. для его нормальной работы необходимы специализированные высоковольтные резисторы большой мощности, работающие на генераторном напряжении, и соответствующие выключатели, с целью формирования необходимой системы варьирования количества «тормозной» мощности, которая тратится на нагрев резисторов. Кроме того, данная система имеет большие габариты, соответственно, необходимо предусмотреть и подготовить место для данного оборудования на территории станции.
3. Кратковременная разгрузка турбины энергоблока (КРТ), используемая для предотвращения нарушения динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, которое может использоваться совместно с длительной разгрузки турбины энергоблока (ДРТ) [2], с целью предотвращения нарушения статической устойчивости, ограничения повышения частоты, предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки линии электропередач и электросетевого оборудования. УВ КРТ является технологически и экономически наиболее выгодным средством компенсации избыточной кинетической энергии ротора агрегата и позволяет осуществить разгрузку турбоагрегата на необходимое значение. Однако неизбежное запаздывание в реализации сброса момента турбины по отношению к сбросу электрической мощности генератора во время короткого замыкания обуславливает необходимость увеличения импульса разгрузки. При этом, как и в случае применения ЭТ, может возникать опасность переторможения с нарушением устойчивости во втором или последующих циклах синхронных качаний. При наличии значительной местной нагрузки и избыточном импульсе может быть даже нарушение устойчивости (возникновение асинхронного хода) в сторону торможения.
Таким образом, кратковременная разгрузка требует весьма точной дозировки во избежание как недостаточного воздействия, так и его избытка. Однако высокая эффективность УВ КРТ возможно лишь при задании оптимальных значений параметров данного УВ, для определения которых необходимо наличие полной и достоверной информации о конкретном аварийном процессе. Данная информация необходима для определения значений параметров УВ КРТ относительно конкретного избытка кинетической энергии ротора агрегата [3-10]. При подобном формировании УВ КРТ становится возможным учесть особенности разгружаемой турбины, ее системы регулирования и влияние ЭЭС.
В настоящее время использование УВ КРТ ограничено количеством импульсных характеристик, которые предоставляет владелец генерирующего оборудования, и для каждого аварийного процесса, с целью ликвидации которого необходимо использовать УВ КРТ, из них подбирается такое УВ КРТ, при котором наблюдается наиболее благоприятный переходный процесс. Однако из-за количественного ограничения не во всех случаях удается добиться переходного процесса с минимальной амплитудой синхронных качаний. Для решения данной задачи предлагается для каждого аварийного процесса, в ходе которого необходимо использовать КРТ, определять значения параметров УВ КРТ с помощью моделирования данного процесса.
Для определения значений параметров УВ КРТ оказывается необходимым полное и достоверное воспроизведение единого спектра процессов в разгружаемом оборудовании с учетом влияния его систем регулирования и ЭЭС в целом.
Ввиду того, что натурные эксперименты в реальной ЭЭС, тем более аварийного характера, не допустимы, а физическое моделирование весьма сложно и обременено значительными ограничениями единственным способом воспроизведения процессов в разгружаемой турбине энергоблока и ЭЭС является преимущественно математическое моделирование. Между тем многие современные программно-вычислительные комплексы (ПВК) не всегда способны обеспечить (в зависимости от размеров моделируемой ЭЭС) необходимую полноту и достоверность воспроизведения процессов в ЭЭС в связи с применением следующих упрощений и ограничений: [11-17]:
- используется декомпозиция режимов и процессов с различными существенными упрощениями математических моделей;
- ограничивается дифференциальный порядок математических моделей оборудования;
- всегда неизвестной остается методическая ошибка численного интегрирования дифференциальных уравнений [18, 19].
Вследствие этого путем полного и достоверного воспроизведения единого непрерывного спектра нормальных, анормальных, аварийных и послеаварийных процессов в ЭЭС может быть комплексный подход - гибридное моделирование, в соответствии с которым, в научноисследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» (НИЛ МЭЭС) Томского политехнического университета разработаны концепция и средства ее реализации - Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС). Применение данного подхода позволяет моделировать ЭЭС без применения упрощения математических моделей всего основного и вспомогательного оборудования, а также открывает широкие возможности развития и модернизации ВМК РВ ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Различным вопросам, связанным с моделированием больших ЭЭС и влиянием аварийной регулировки турбин на переходные процессы в ЭЭС, посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов: Иофьев Б.И., Гуревич Ю.Е., Гусев А.С., Совалов С.А., Семенов В.А., Кощеев Л.А., Глускин И.З., Александров Г.Н., Аюев Б.И., Веников В.А., Воропай Н.И., Суслов К.В., Жуков А.В., Ковалев В.И., Панин А.В., Беляев А.Н., Портной М.Г., Рабинович Р.С., Kundur P., Patel R. и др. Однако проблема выбора значений параметров УВ КРТ по-прежнему остается актуальной.
Целью работы является повышение точности определения значений параметров УВ КРТ, позволяющих сократить длительность и амплитуду колебаний конкретного аварийного процесса.
Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ УВ, применяемых для ликвидации избыточной кинетической энергии ротора агрегатов с целью сохранения динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, обоснование сложности осуществления «гибкой» настройки с помощью существующего подхода к моделированию ЭЭС реальной размерности и к выбору УВ КРТ.
2. Модернизация ВМК РВ ЭЭС, необходимая для реализации настройки УВ КРТ, предусматривающая применение более детальной всережимной математической модели турбины и ее системы регулирования.
3. Разработка методики определения оптимальных значений
параметров УВ КРТ.
4. Выполнение комплекса экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность разработанных средств и методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ.
Предметом исследования являются переходные процессы в турбине, ее системе регулирования и ЭЭС в целом.
Объектом исследования является детальная модель турбины и ее системы регулирования.
Научная новизна работы:
1. Сформулированы положения методики выбора оптимальных значений параметров УВ КРТ по результатам математического моделирования процессов в турбине, ее системе регулирования и ЭЭС в целом, позволяющие формировать импульсные характеристики турбины, соответствующие конкретному аварийному процессу.
2. Основываясь на принципах гибридного подхода к моделированию, разработана структура программно-аппаратной системы для реализации математической модели турбины и ее системы регулирования, осуществляющая воспроизведение процессов с гарантированной инструментальной погрешностью, а также способная работать в комбинации с программно-аппаратным комплексом ВМК РВ ЭЭС.
Теоретическая значимость работы:
1. Выявлены и обоснованы основные причины существования проблемы выбора оптимальных значений УВ КРТ, заключающиеся в том, что предоставляемые производителем турбин импульсные характеристики не всегда позволяют получить переходный процесс с минимальным уровнем перерегулирования и амплитудой синхронных качаний при функционировании КРТ.
2. Разработана методика, позволяющая производить гибкую настройку параметров УВ КРТ, а именно: получать импульсные характеристики путем моделирования единого переходного процесса, включающего в себя аварийное возмущение, функционирование УВ КРТ и установление послеаварийного режима, что снимает все ограничения на вариацию значений параметров УВ КРТ и дает возможность для каждого аварийного случая использовать оптимальные значения настроечных параметров УВ КРТ.
Практическая значимость работы. Разработанные методика определения оптимальных значений параметров УВ КРТ и средства ее реализации позволяют осуществлять выбор значений параметров УВ КРТ применительно к конкретному энергоблоку и аварийным ситуациям в ЭЭС. В результате процесс разгрузки турбины энергоблока происходит с минимальным перерегулированием и меньшим динамическим воздействием на элементы системы регулирования турбины.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач выполнялось с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования. При проведении
экспериментальных исследований применялись положения теории автоматического регулирования и управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов, методы математического и физического моделирования. При модернизации ВМК РВ ЭЭС использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы схемотехнического анализа.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Основной причиной снижения эффективности применения УВ КРТ для сохранения динамической устойчивости генераторов, является ограниченное количество заранее снятых с работающего оборудования импульсных характеристик.
2. Программно-аппаратная моделирующая система, реализующая неявное непрерывное интегрирование дифференциальных уравнений аналоговым способом, обеспечивает воспроизведение процессов, происходящих в турбине при функционировании УВ КРТ, с гарантированной точностью, определяемой погрешностями компонентов данной системы.
3. Применение разработанной методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ позволяет минимизировать длительность переходного процесса и амплитуду колебаний, в частности, на рассмотренном в рамках диссертации примере удалось сократить длительность переходного процесса на 1,16 секунды, а также снизить амплитуду колебаний на 9 %.
Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.4.3 - Электроэнергетика:
Пункт 14 - «Разработка методов расчета и моделирования
установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем и сетей, включая технико-экономическое обоснование технических решений, разработка методов управления режимами их работы».
Пункт 16 - «Разработка методов анализа и синтеза систем
автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, способа непрерывного неявного методически точного интегрирования дифференциальных уравнений, классических положений и законов теоретической электротехники, математики, теории дифференциального и интегрального исчисления, а также теоретически обоснованных и всесторонне апробированных, в том числе независимыми исследованиями, математических моделей, соответствием имеющимся натурным данным.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Казань: СКФУ, 2018), 14th International Forum on Strategic Technology (г. Томск: НИ ТПУ, 2019); Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск: НИ ТПУ, 2019); XI Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Ставрополь: СКФУ, 2020), XXV Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова (г. Томск: НИ ТПУ, 2021), XII Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Нижний Новгород: НГТУ, 2022).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 12 работах, в том числе в 1 статье в рецензируемом издании из перечня ВАК РФ, 8 работах в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, 3 в материалах конференций, а также в 1 свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ [20].
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты анализа, выявления и обоснования проблемы настройки УВ КРТ, а также создание методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ и модернизация ВМК РВ ЭЭС, проведенные экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность данной методики и средств ее реализации, выполнены лично автором диссертации.
Реализация результатов работы. Актуальность результатов диссертационной работы подтверждена соответствующим актом их использования АО «Институт автоматизации энергетических систем». Кроме этого, внесены дополнения в образовательную программу «Национального исследовательского Томского политехнического университета» по направлению 13.04.02 - Электроэнергетика и электротехника.
Результаты диссертационной работы реализованы при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 19-38-90147 от 23.08.2019 г. «Исследование влияния динамических процессов в электроэнергетической системе с возобновляемыми источниками энергии на функционирование противоаварийной разгрузки турбин энергоблоков и разработка методики её адекватной настройки».
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 108 наименований, содержащих 105 страниц, 36 рисунков, 10 таблиц, а также двух приложений на 14 страницах.
1. Отключение генератора (ОГ). Осуществление ОГ, применяемое для предотвращения нарушения статической устойчивости, динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, ликвидации асинхронного режима отдельных генераторов, ограничения повышения частоты и предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки линии электропередач и электросетевого оборудования, является технологически и экономически нежелательным. Применяется в основном на гидроэлектростанциях. Так как использование ОГ возможно лишь на величину генерируемой активной мощности генератора, это может привести к необходимости применения балансирующего отключения нагрузки. Отключение турбогенератора приводит к полному сбросу нагрузки и увеличению его частоты вращения. Нормально работающая автоматическая регулировка частоты и мощности (АРЧМ) турбины не должна допускать увеличения частоты вращения ротора турбины выше допустимой. В случае недостаточного воздействия АРЧМ срабатывает автомат безопасности и закрывает стопорный клапан, который полностью прерывает поступление пара в турбину. В данном случае имеет место повышение давления в паропроводах и других элементах, что в свою очередь может повлечь за собой соответствующую работу технологических защит агрегата, в том числе сброс пара в быстродействующую редукционно-охладительную установку [1].
2. Электрическое торможение (ЭТ). Осуществление данного вида УВ является технологически недостаточно обоснованным и экономически мало выгодным, т.к. для его нормальной работы необходимы специализированные высоковольтные резисторы большой мощности, работающие на генераторном напряжении, и соответствующие выключатели, с целью формирования необходимой системы варьирования количества «тормозной» мощности, которая тратится на нагрев резисторов. Кроме того, данная система имеет большие габариты, соответственно, необходимо предусмотреть и подготовить место для данного оборудования на территории станции.
3. Кратковременная разгрузка турбины энергоблока (КРТ), используемая для предотвращения нарушения динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, которое может использоваться совместно с длительной разгрузки турбины энергоблока (ДРТ) [2], с целью предотвращения нарушения статической устойчивости, ограничения повышения частоты, предотвращения недопустимой по величине и длительности токовой нагрузки линии электропередач и электросетевого оборудования. УВ КРТ является технологически и экономически наиболее выгодным средством компенсации избыточной кинетической энергии ротора агрегата и позволяет осуществить разгрузку турбоагрегата на необходимое значение. Однако неизбежное запаздывание в реализации сброса момента турбины по отношению к сбросу электрической мощности генератора во время короткого замыкания обуславливает необходимость увеличения импульса разгрузки. При этом, как и в случае применения ЭТ, может возникать опасность переторможения с нарушением устойчивости во втором или последующих циклах синхронных качаний. При наличии значительной местной нагрузки и избыточном импульсе может быть даже нарушение устойчивости (возникновение асинхронного хода) в сторону торможения.
Таким образом, кратковременная разгрузка требует весьма точной дозировки во избежание как недостаточного воздействия, так и его избытка. Однако высокая эффективность УВ КРТ возможно лишь при задании оптимальных значений параметров данного УВ, для определения которых необходимо наличие полной и достоверной информации о конкретном аварийном процессе. Данная информация необходима для определения значений параметров УВ КРТ относительно конкретного избытка кинетической энергии ротора агрегата [3-10]. При подобном формировании УВ КРТ становится возможным учесть особенности разгружаемой турбины, ее системы регулирования и влияние ЭЭС.
В настоящее время использование УВ КРТ ограничено количеством импульсных характеристик, которые предоставляет владелец генерирующего оборудования, и для каждого аварийного процесса, с целью ликвидации которого необходимо использовать УВ КРТ, из них подбирается такое УВ КРТ, при котором наблюдается наиболее благоприятный переходный процесс. Однако из-за количественного ограничения не во всех случаях удается добиться переходного процесса с минимальной амплитудой синхронных качаний. Для решения данной задачи предлагается для каждого аварийного процесса, в ходе которого необходимо использовать КРТ, определять значения параметров УВ КРТ с помощью моделирования данного процесса.
Для определения значений параметров УВ КРТ оказывается необходимым полное и достоверное воспроизведение единого спектра процессов в разгружаемом оборудовании с учетом влияния его систем регулирования и ЭЭС в целом.
Ввиду того, что натурные эксперименты в реальной ЭЭС, тем более аварийного характера, не допустимы, а физическое моделирование весьма сложно и обременено значительными ограничениями единственным способом воспроизведения процессов в разгружаемой турбине энергоблока и ЭЭС является преимущественно математическое моделирование. Между тем многие современные программно-вычислительные комплексы (ПВК) не всегда способны обеспечить (в зависимости от размеров моделируемой ЭЭС) необходимую полноту и достоверность воспроизведения процессов в ЭЭС в связи с применением следующих упрощений и ограничений: [11-17]:
- используется декомпозиция режимов и процессов с различными существенными упрощениями математических моделей;
- ограничивается дифференциальный порядок математических моделей оборудования;
- всегда неизвестной остается методическая ошибка численного интегрирования дифференциальных уравнений [18, 19].
Вследствие этого путем полного и достоверного воспроизведения единого непрерывного спектра нормальных, анормальных, аварийных и послеаварийных процессов в ЭЭС может быть комплексный подход - гибридное моделирование, в соответствии с которым, в научноисследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» (НИЛ МЭЭС) Томского политехнического университета разработаны концепция и средства ее реализации - Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС). Применение данного подхода позволяет моделировать ЭЭС без применения упрощения математических моделей всего основного и вспомогательного оборудования, а также открывает широкие возможности развития и модернизации ВМК РВ ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Различным вопросам, связанным с моделированием больших ЭЭС и влиянием аварийной регулировки турбин на переходные процессы в ЭЭС, посвящено множество работ отечественных и зарубежных авторов: Иофьев Б.И., Гуревич Ю.Е., Гусев А.С., Совалов С.А., Семенов В.А., Кощеев Л.А., Глускин И.З., Александров Г.Н., Аюев Б.И., Веников В.А., Воропай Н.И., Суслов К.В., Жуков А.В., Ковалев В.И., Панин А.В., Беляев А.Н., Портной М.Г., Рабинович Р.С., Kundur P., Patel R. и др. Однако проблема выбора значений параметров УВ КРТ по-прежнему остается актуальной.
Целью работы является повышение точности определения значений параметров УВ КРТ, позволяющих сократить длительность и амплитуду колебаний конкретного аварийного процесса.
Для достижения данной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Анализ УВ, применяемых для ликвидации избыточной кинетической энергии ротора агрегатов с целью сохранения динамической устойчивости генерирующего оборудования электростанций, обоснование сложности осуществления «гибкой» настройки с помощью существующего подхода к моделированию ЭЭС реальной размерности и к выбору УВ КРТ.
2. Модернизация ВМК РВ ЭЭС, необходимая для реализации настройки УВ КРТ, предусматривающая применение более детальной всережимной математической модели турбины и ее системы регулирования.
3. Разработка методики определения оптимальных значений
параметров УВ КРТ.
4. Выполнение комплекса экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность разработанных средств и методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ.
Предметом исследования являются переходные процессы в турбине, ее системе регулирования и ЭЭС в целом.
Объектом исследования является детальная модель турбины и ее системы регулирования.
Научная новизна работы:
1. Сформулированы положения методики выбора оптимальных значений параметров УВ КРТ по результатам математического моделирования процессов в турбине, ее системе регулирования и ЭЭС в целом, позволяющие формировать импульсные характеристики турбины, соответствующие конкретному аварийному процессу.
2. Основываясь на принципах гибридного подхода к моделированию, разработана структура программно-аппаратной системы для реализации математической модели турбины и ее системы регулирования, осуществляющая воспроизведение процессов с гарантированной инструментальной погрешностью, а также способная работать в комбинации с программно-аппаратным комплексом ВМК РВ ЭЭС.
Теоретическая значимость работы:
1. Выявлены и обоснованы основные причины существования проблемы выбора оптимальных значений УВ КРТ, заключающиеся в том, что предоставляемые производителем турбин импульсные характеристики не всегда позволяют получить переходный процесс с минимальным уровнем перерегулирования и амплитудой синхронных качаний при функционировании КРТ.
2. Разработана методика, позволяющая производить гибкую настройку параметров УВ КРТ, а именно: получать импульсные характеристики путем моделирования единого переходного процесса, включающего в себя аварийное возмущение, функционирование УВ КРТ и установление послеаварийного режима, что снимает все ограничения на вариацию значений параметров УВ КРТ и дает возможность для каждого аварийного случая использовать оптимальные значения настроечных параметров УВ КРТ.
Практическая значимость работы. Разработанные методика определения оптимальных значений параметров УВ КРТ и средства ее реализации позволяют осуществлять выбор значений параметров УВ КРТ применительно к конкретному энергоблоку и аварийным ситуациям в ЭЭС. В результате процесс разгрузки турбины энергоблока происходит с минимальным перерегулированием и меньшим динамическим воздействием на элементы системы регулирования турбины.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертационной работе задач выполнялось с использованием теоретических и экспериментальных методов исследования. При проведении
экспериментальных исследований применялись положения теории автоматического регулирования и управления, теории электромеханических и электромагнитных переходных процессов, методы математического и физического моделирования. При модернизации ВМК РВ ЭЭС использовались методы математического моделирования ЭЭС, методы схемотехнического анализа.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Основной причиной снижения эффективности применения УВ КРТ для сохранения динамической устойчивости генераторов, является ограниченное количество заранее снятых с работающего оборудования импульсных характеристик.
2. Программно-аппаратная моделирующая система, реализующая неявное непрерывное интегрирование дифференциальных уравнений аналоговым способом, обеспечивает воспроизведение процессов, происходящих в турбине при функционировании УВ КРТ, с гарантированной точностью, определяемой погрешностями компонентов данной системы.
3. Применение разработанной методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ позволяет минимизировать длительность переходного процесса и амплитуду колебаний, в частности, на рассмотренном в рамках диссертации примере удалось сократить длительность переходного процесса на 1,16 секунды, а также снизить амплитуду колебаний на 9 %.
Диссертация соответствует следующим пунктам паспорта научной специальности 2.4.3 - Электроэнергетика:
Пункт 14 - «Разработка методов расчета и моделирования
установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем и сетей, включая технико-экономическое обоснование технических решений, разработка методов управления режимами их работы».
Пункт 16 - «Разработка методов анализа и синтеза систем
автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике».
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, способа непрерывного неявного методически точного интегрирования дифференциальных уравнений, классических положений и законов теоретической электротехники, математики, теории дифференциального и интегрального исчисления, а также теоретически обоснованных и всесторонне апробированных, в том числе независимыми исследованиями, математических моделей, соответствием имеющимся натурным данным.
Апробация результатов исследований. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на Международных и Всероссийских научно-технических конференциях: IX Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Казань: СКФУ, 2018), 14th International Forum on Strategic Technology (г. Томск: НИ ТПУ, 2019); Всероссийская научная конференция с международным участием «Теплофизические основы энергетических технологий» (г. Томск: НИ ТПУ, 2019); XI Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Ставрополь: СКФУ, 2020), XXV Международный научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова (г. Томск: НИ ТПУ, 2021), XII Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Нижний Новгород: НГТУ, 2022).
Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 12 работах, в том числе в 1 статье в рецензируемом издании из перечня ВАК РФ, 8 работах в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, 3 в материалах конференций, а также в 1 свидетельстве о государственной регистрации программы для ЭВМ [20].
Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты анализа, выявления и обоснования проблемы настройки УВ КРТ, а также создание методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ и модернизация ВМК РВ ЭЭС, проведенные экспериментальные исследования, подтверждающие эффективность данной методики и средств ее реализации, выполнены лично автором диссертации.
Реализация результатов работы. Актуальность результатов диссертационной работы подтверждена соответствующим актом их использования АО «Институт автоматизации энергетических систем». Кроме этого, внесены дополнения в образовательную программу «Национального исследовательского Томского политехнического университета» по направлению 13.04.02 - Электроэнергетика и электротехника.
Результаты диссертационной работы реализованы при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований № 19-38-90147 от 23.08.2019 г. «Исследование влияния динамических процессов в электроэнергетической системе с возобновляемыми источниками энергии на функционирование противоаварийной разгрузки турбин энергоблоков и разработка методики её адекватной настройки».
Структура и объем диссертации.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 108 наименований, содержащих 105 страниц, 36 рисунков, 10 таблиц, а также двух приложений на 14 страницах.
В результате выполнения диссертационной работы получены теоретически обоснованные и экспериментально подтвержденные решения актуальных для электроэнергетики задач, связанных с УВ КРТ:
1. Выполнен анализ существующих средств ПА для сохранения устойчивости ЭЭС при возникновении аварийного избытка кинетической энергии ротора и выявлены преимущества УВ КРТ.
2. Рассмотрен численный подход к получению информации о режимах и процессах в ЭЭС, который позволил выявить и обосновать причины, затрудняющие осуществление настройки УВ КРТ, соответствующей реальным условиям, выполняемой с помощью доминирующих в настоящее время многочисленных цифровых ПВК расчета режимов и процессов в ЭЭС.
3. Для получения необходимой информации использован комплексный подход, в рамках которого была проведена модернизация ВМК РВ ЭЭС необходимая для реализации УВ КРТ, предусматривающая применение более детальной всережимной математической модели турбины и ее системы регулирования.
4. Для полного и достоверного воспроизведения процессов в разгружаемом оборудовании разработана математическая модель, включающая в себя паровую турбину и ее систему регулирования. Выполнен комплекс тестовых экспериментов с целью проверки синтезированной математической модели.
5. Разработана методика, позволяющая производить гибкую
настройку параметров УВ КРТ, а именно: получать импульсные
характеристики путем моделирования единого переходного процесса, включающего в себя аварийное возмущение, функционирование УВ КРТ и установление послеаварийного режима, что снимает все ограничения на вариацию значений параметров УВ КРТ и дает возможность для каждого аварийного случая использовать оптимальные значения настроечных параметров УВ КРТ.
6. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающих осуществимость и эффективность сформулированной методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ.
Совокупность полученных теоретических и экспериментальных результатов, а также их научная и практическая значимость свидетельствуют об успешном решении поставленных задач и достижении цели диссертационной работы
1. Выполнен анализ существующих средств ПА для сохранения устойчивости ЭЭС при возникновении аварийного избытка кинетической энергии ротора и выявлены преимущества УВ КРТ.
2. Рассмотрен численный подход к получению информации о режимах и процессах в ЭЭС, который позволил выявить и обосновать причины, затрудняющие осуществление настройки УВ КРТ, соответствующей реальным условиям, выполняемой с помощью доминирующих в настоящее время многочисленных цифровых ПВК расчета режимов и процессов в ЭЭС.
3. Для получения необходимой информации использован комплексный подход, в рамках которого была проведена модернизация ВМК РВ ЭЭС необходимая для реализации УВ КРТ, предусматривающая применение более детальной всережимной математической модели турбины и ее системы регулирования.
4. Для полного и достоверного воспроизведения процессов в разгружаемом оборудовании разработана математическая модель, включающая в себя паровую турбину и ее систему регулирования. Выполнен комплекс тестовых экспериментов с целью проверки синтезированной математической модели.
5. Разработана методика, позволяющая производить гибкую
настройку параметров УВ КРТ, а именно: получать импульсные
характеристики путем моделирования единого переходного процесса, включающего в себя аварийное возмущение, функционирование УВ КРТ и установление послеаварийного режима, что снимает все ограничения на вариацию значений параметров УВ КРТ и дает возможность для каждого аварийного случая использовать оптимальные значения настроечных параметров УВ КРТ.
6. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, подтверждающих осуществимость и эффективность сформулированной методики определения оптимальных значений параметров УВ КРТ.
Совокупность полученных теоретических и экспериментальных результатов, а также их научная и практическая значимость свидетельствуют об успешном решении поставленных задач и достижении цели диссертационной работы
