Совершенствование методов расчета статической устойчивости и алгоритмов регуляторов возбуждения

Развитие энергетики требует разработки и исследования эффективности средств повышения устойчивости энергосистем. Некоторое время в технически развитых странах развитие электрических сетей опережало рост генерирующих мощностей, энергосистемы были «жесткими» и устойчивая работа генераторов мощностью 200−300 МВт вполне обеспечивалась автоматическими регуляторами напряжения пропорционального типа с гибкой отрицательной обратной связью по производной напряжения. В России существовала обратная ситуация. Поэтому интенсивно разрабатывались и внедрялись автоматические регуляторы возбуждения со стабилизацией режима по производным режимных параметров, получившие название АРВ сильного действия (АРВ-СД).

В 70-х годах в западной Европе, США и Японии тоже возникла проблема устойчивости крупных генерирующих блоков. Подтвердилась правильность выбранного в России направления. Стабилизаторы по производным режимных параметров получили название системных стабилизаторов (Р88). Для мощных генераторов был разработан и внедрен ряд регуляторов, аналогичных АРВ-СД.

Персонал электростанций и диспетчерских служб должен выбрать настройки АРВ с учетом особенностей работы больших и сложных энергообъединений. Применяемые для этого программы требуют огромного объема информации о параметрах генераторов, систем регулирования, нагрузок и сети, но объем доступной и достоверной информации весьма ограничен. В результате полученные путем трудоемких расчетов данные могут оказаться недостаточно достоверными.

Разработанный в России метод эквиваленггирования внешней сети [17,45,46] предполагает принципиально другой подход к моделированию станции. Он базируется на замене всех внешних связей исследуемой станции эквивалентньгм реактивным сопротивлением Хвн, связывающим ее с неизменным по фазе и меняющимся по амплитуде в зависимости от схемно-режимной ситуации в энергосистеме вектором напряжения исв центре электрических качаний для данной станции.

Значение XSH определяется по экспериментальным данным о двух режимах станции, работающей в сложной схеме. Полученная эквивалентная схема машина-линия-шины автоматически учитывает параметры всех элементов энергосистемы. В результате более точно учитываются характеристики исследуемого генератора и его системы регулирования, снижается вычислительная погрешность и повышается достоверность результатов.

Для электростанций России Хвн^О.2−0.5 o.e. и, как правило, несколько выше, чем для станций Западной Европы. Это обстоятельство обусловило разный подход к выбору структуры PSS в России и за рубежом. При больших значениях.

Хвн более опасны колебания мощности по отходящим от станции линиям, поэтому в российских АРВ-СД используются сигналы первой и второй производных внешнего угла. В PSS чаще всего используются сигналы интеграла и отклонения ускоряющей мощности (первая и вторая производные полного угла), эффективно стабилизирующие колебания мощности генератора. В процессе совершенствования АРВ, увеличения его быстродействия и повышения конкурентноспособности проводилась работа по созданию регулятора на полупроводниковых элементах АРВ-СДП, предназначенного для замены регулятора АРВ-СД. На этом этапе в функциональном отношении полупроводниковый регулятор возбуждения не отличался от регулятора АРВ-СД, но многие его блоки существенно видоизменились.

Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа стал АРВ-СДП1 [44], которым с 1982 г. оснащаются все синхронные генераторы мощностью от 63 МВт и выше. Это-по существу компактный, высокотехнологичный, специализированный аналоговый измерительно-вычислительный комплекс, дополненный релейной аппаратурой, по своим характеристикам намного превосходящий предыдущие образцы. По сравнению с предшественниками он выполняет большее количество функций, структурно отличается частотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения, что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устойчивость регулирования и инвариантность настройки к изменению режима работы генератора и сети за счет динамического снижения коэффициента усиления по отклонению напряжения в области частот собственных колебаний.

Созданием и внедрением в эксплуатацию АРВ-СДП1 завершилась третья стадия развития регулирования возбуждения сильного действия. В настоящее время выпускаются четыре модификации для работа в составе однои двухгрупповых систем возбуждения генераторов обычного исполнения и обратимых агрегатов ГАЭС. Ими оснащаются все генераторы мощностью 63 МВт и выше, выпускаемые в СНГ. Поэтому целесообразно было принимать этот регулятор, как объект для расчетов этой диссертации.

Расчет области статической устойчивости энергосистем (ЭС) является одной из важных проблем энергетики. Для ее решения обычно используются анализ характера решений систем дифференциальных уравнений, частотные методы. D-разбиение, определение комплексных амплитуд переменных, непосредственный расчет корней характеристического уравнения и различные модификации этих методов. Все они доступны только очень квалифицированным исследователям, требуют специальной математической подготовки и весьма трудоёмки. Кроме этого, при изменении режима ЭС, расчеты нужно повторять. Было бы удобно избежать этого и иметь перед глазами наглядную картину границ устойчивой работы агрегатов в конкретной ситуации. Решению этой задачи посвящены второй главы этой работа. Для построения областей устойчивости удобно пользоваться диаграммами P-Q или Ia-Ir. При этом координата 1а-1г удобнее, так как в этом случаев диаграммы меньше зависят от изменения напряжения на зажимах машины [43]. До сих пор подобная задача была решена только для турбогенератора. Учет явнополтосности может существенно изменить вид полученных в [17] выражений. В настоящей работе ставится задача разработки общего экспресс-метода оценки статической устойчивости синхронных машин, как неявнополюсных, так и явно полюсных, и оценки влияния конструкции и параметров генераторов на области устойчивой работы.

В последние годы за рубежом, наряду с развитием самонастраивающихся регуляторов, автоматически оптимизирующих свои настройки при изменении условий работы и характеристик объекта регулирования [47,50], ведутся интенсивные исследования в области применения новых типов адаптивных АРВ, в том числе цифровых регуляторов на основе нечеткой логики (от англ. Fuzzy Logic), алгоритм функционирования которых основан на наборе правил, выведенных из законов регулирования возбуждения, а их обработка ведется методами теории нечетких множеств [30,31,32,51,52,55]. За последние пять лет создано первое поколение регуляторов на основе нечеткой логики (HJI), характеризующихся относительно небольшими базами знаний (от 5 до 50 простых логических «Если-То» правил), реализованных в виде программных модулей и включающих наиболее простые операции с нечеткими множествами, а в силу этого несколько уступающих по своим характеристикам традиционным регуляторам. Развитие регуляторов второго поколения нацелено на использование больших баз знаний с иными правилами, чем простые логические переходаприменение гибридной технологии, базирующейся на тесной интеграции методов НЛ и обычного управленияаппаратную поддержку сложных операторов (микропроцессоры со встроенными элементами НЛ), а также сочетание НЛ с возможностями иных адаптивных методов, таких как нейронные сети и генетические алгоритмы [53,54,49]. К таким разработкам принадлежит рассматриваемый в диссертационной работе перспективный нечёткий регулятор АРВ-ФСДП1). Синтез автоматического регулятора возбуждения посвящена третей главы.

В соответствии со сказанным, основными целями диссертационной работы являлись совершенствование систем автоматического регулирования возбуждения (САРВ), разработка достаточно простого и в то же время надежного метода оценки статической устойчивости синхронного генератора, работающего в сложной энергосистеме, выявление недостатков и преимуществ влияния параметров систем автоматического регулирования возбуждения (САРВ) на области статической устойчивости турбо и гидрогенераторов, развитие (САРВ), путем применения новых регуляторов возбуждения, нечеткого типа, доказательство преимущества нечетких регуляторов при работе в САРВ.

В первой главе диссертации дан обзор процесса развития систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Отражены основные этапы развития автоматических регуляторов возбуждения: — от регуляторов пропорционального действия (АРВ-ПД), до современных цифровых регуляторов воз-буждения (АРВ-СДЦ), и сравнения их с западными регуляторами, разработка обобщенной структурной схемы САРВ, позволяющей исследовать устойчивость работы в энергосистеме генераторов любых типов.

Во второй главе разработка экспресс-метод исследования и определения границ статической устойчивости в координатах режимных параметров электропередачи Р~С> или 1а-1г. Этот метод также позволяет оперативно оценивать влияние параметров и типа генератора, внешней сети, типа и настройки АРВ на статическую устойчивость. Метод доведен до разработки соответствующих алгоритмов и программ. Для его применения от персонала не требуется знания теории устойчивости и специальных разделов математики.

В третьей главе приведены элементы теории нечётких множеств и ее применение для создания адаптивного регулятора возбуждения на основе нечеткой логики (НЛ).

1.1 Современные автоматические регуляторы возбуждения.

3.5.4. Выводы:

— Нечеткая логика позволяет синтезировать АРВ на базе SISO алгоритмов, обеспечивающий высокое качество регулирования при низких требованиях к аппаратуре.

— Применение НР расширит область устойчивости при параллельной работе генераторов в любых режимах.

— ФСДП1 на много более эффективен чем аналоговый регулятора. Он дает возможность стабилизировать режимы даже в значительно большей диаграммы рабочих режимов. Особенно важно, что это, в основном, относится к режимом потребления реактивной мощности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. У совершенствована методика математического моделирования системы регулирования возбуждения синхронного генератора, оснащенного автоматическими регуляторами возбуждения любых типов.

2.Разработан достаточно простой и в то же время надежный экспресс метода оценки статической устойчивости синхронного генератора, работающего в сложной энергосистеме, который позволяет исследовать апериодическую и колебательную устойчивость синхронных машин любого типа.

3. Выражения для границ апериодической и колебательной устойчивости гидрогенератора намного сложнее соответствующих выражений для турбогенератора. Однако сами границы устойчивости гидрогенератора практически совпадают с границами турбогенератора с синхронным сопротивлением.

ХсП’г = ХсГГг = Хдгг.

4. Показано, что расчет границ апериодической и колебательной устойчивости гидрогенераторов с достаточной степенью достоверности можно существенно облегчить, если выполнять его по формулам для турбогенератора, при.

ХсПг ~ Хчтг = Хягг. При этом необходимо коэффициент усиления Кои е.в.х.х. е. п. используемый в расчетах, определять как Кои е.в.н. е. л.

Ед&bdquoи учитывать дополнительное ограничение Еч > 0. также доказано, что область апериодической устойчивости турбо и гидрогенераторов в режимах перевозбуждения (1г > 0) практически совпадают. В режимах потребления области апериодической устойчивости гидрогенераторов больше. Объясняется это тем, что они определяются по одинаковым математическим выражениям, обратно пропорциональным величине Хч. В то же время известно, что всегда X чтг > X чгг •.

5. Границы апериодической устойчивости по мере убывания Кои от со до нуля снижаются до окружности относительно небольшого радиуса, а границы колебательной устойчивости при этом расширяются от окружности ещё меньшого радиуса до бесконечности.

6. При К0и< К0и|Е ^ границы колебательной устойчивости слева отрываются" от точки.

— иг хч область расширяется до бесконечности при.

Кои -> оо и появляется опасность нарушения апериодической устойчивости раньше, чем нарушается колебательная. Поэтому при исследовании статической устойчивости машин с регуляторами возбуждения пропорционального типа необходимо принимать во внимание границы как колебательной, так и апериодической устойчивости. Однако при этом существенно отличается их расположение на диаграмме рабочих режимов. У турбогенератора с улученными параметрами (а значит и у гидрогенератора) области расположены значительно левее, чем у мощного турбогенератора с ухудшенными параметрами.

Обусловлено это тем, что все они начинаются в точке иг.

-, о хч.

1 Хф1 .

В результате при ПД — регулировании возбуждения с реальными коэффициентами усиления | к < к | < кеа < °о | гидро-генераторы в режимах малой и отрицательной мощности работают более устойчиво, чем турбогенераторы. о.

7. Характерным значением коэффициента усиления по напряжению является КОи=К0и|Е^ 5 выражения для определения которого приведены в диссертации. При К ()и>К0и границы апериодической устойчивости в режимах потребления реактивной мощности являются прямыми, касательными к границам колебательной устойчивости, они всегда проходят через точку с координатами.

— иг.

-, о хч лежат левее последних. Правые границы апериодиче.

МО / скои устойчивости (в режимах выдачи реактивнои мощности в этих случаях всегда лежат правее границ колебательной устойчивости. Отсюда следует важный вывод о том, что при реальных обычно задаваемых во всех существующих АРВ значениях коэффициента усиления по напряжению К011>К0и достаточно исследовать только колебательную статическую устойчивость. Если она обеспечена, можно быть уверенным в том, что апериодическая устойчивость не будет нарушена.

8.теоретически подтвержден ранее полученный экспериментально вывод о том, что введение апериодического звена с передаточной функцией —I—, в.

1 + р ¦ т канал производной тока ротора су щественно расширяет области устойчивости «по частоте». Сигнал производной тока ротора расширяет область устойчивости в режимах недовозбуждения, а в режимах выдачи реактивной мощности его эффективность падает.

9. Прямые расчеты переходных процессов с помощью пакета «МОДЕЛЬ», максимально учитывающего динамические характеристически САР возбуждения, подтвердили корректность допущений, принятых при разработке экспресс-метода его достаточную точность.

10. Разработан макет регулятора возбуждения СДП1 на основе нечекой логике (ФСДП1).

11. Показано, что ФСДП1 намного более эффективен чем аналоговый регулятора. Он дает возможность стабилизировать режимы даже в значительно большей диаграммы рабочих режимов. Особенно важно, что это, в основном, относится к режимом потребления реактивной мощности. В настоящее время макет проходит испытания на физической модели энергосистем НИИЭлектромаша. Первый этап испытаний подтвердил его высокую эффективность и целесообразность разработки опытнопромышленного образца.