автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и анализ эффективности управления электрическим торможением в энергосистеме Гвинеи

о! и 4

МОСКОВСКИЙ ордена 1ЕНИНА и ордена ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОМЩИ ЭЖРгатИЧЕС1ШЛ ИНСТИТУТ

БА ТЬЕРНО СЕЙДИ

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОРМОЖЕНИЕМ в' ЭНЕРГОСИСТЕМЕ ГВИНЕИ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции,

/электрическая часть/, сети, электроэнергетические системы и управление ими

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1992

Работа выполнена на кафедре "Электроэнергетические системы" Московского энергетического института.

Научный руководитель: доктор технических наук, доцент ЗЕЛЕНОХАТ Н.И.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор ШАКАРЯН Ю.Г., заместитель директора по науке

вншз,

кандидат технических наук, МОГИРЕВ В.В.Г начальник службы перспективного развития ЦПУ ЕЭС СССР.

Бегущая организацияБГПИ и НИИ "Энергосетьлроекг".

Защита диссертации состоится " 10 " апреля 1992 г. в аудитории Г-201 в 16 час. 00 шш. на заседании специализированного Совета К 053.16.17 Московского энергетического института.

Адрес института: 105835, ГСП, Москва, Е-250,

Красноказарменная ул., дом 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан " " 1932 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

специализированного Совета К 053. г>.17._,, —

кандидат технических наук, доцен1 БАРАБАНОВ Ю,

М !

•'•,: введение

¡ссартаций |

"*"*"■""" Актуальность темы. Современный этап развития электроэнергетики Гвинеи характеризуется созданием единой электроэнергетической системы страны, включающей в себя как крупные, так и небольшой мощности гидравлические и тепловые электростанции, удаленные друг от лрута на десятки и сотни километров. Общеизвестные преимущества, получаемые при создании электроэнергетических систем /ЭЭС^, выражающиеся ^ прежде всего в повышении надежности и экономичности энергоснабжения электропотребителей и обеспечении высокого качества электроэнергии,, могут оказаться нереализованными, если при формировании электроэнергетических систем не учитывать специфики их поведения при различного рода возмуиенкях, в частности при коротких замыканиях, и не принимать мер к обеспечению нормальной работы ЭЭС - и в первую очередь, по сохранению устойчивости параллельной работы входящих в ЭЭС электростанций.

Вполне обоснованная тенденция сооружать мощные электростанции вблизи источников энергии /гидроресурсов/, удаленных на большие расстояния, от центров электроптребления, имеет своим последствием рост протяженности электропередач и, как следствие, утяжеление условий сохранения; устойчивости работы электростанций в ЭЭС. Поэтому вопросы обеспечения и улучшения устойчивости работы таких ЭЭС, как ЭЭС Гвинеи, приобретают особо важное значение для многих, развивающихся стран мира. В решении' этих вопросов особо важную роль должны сыграть средства противоаварийяой автоматики и, прежде всего, устройства автоматического регулирования возбуждения /АЕВ/ синхронных генераторов.

Исследовании эффективности применения АЕВ различных видов для повышения статической и динамической устойчивости ЭЭС посвящены многочисленные исследования как в МЭИ, тан и в других организациях ряда стран. Получены положительные результаты.. И тем не менеед вопросам исследования эффективности применения электрического торможения в ЭЭС постоянно

обращаются исследователи, в чем нетрудно убедиться, познакомившись с публикациями последних лет. Это свидетельствует о незавершенности проведенных исследований и необходимости продолжения работ в указанном направлении, что и предопределило тему данной диссертационной работы, выполненной на кафедре "Электроэнергетические системы" МЭИ.

Цель панной работа. Целью данной работы является решение каяшкса задач, связанных с применением электрического торможения для обеспечения динамической устойчивости и улучшения качества переходных процессов в слояной ЭЭС, когда в качестве конкретного объекта рассматривается ЭЭС Гвинеи»

Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

1. Анализ условий развития ЭЭС Гвинеи на блилайшие года и в перспективе и выявление причин наруиения ее устойчивости при резких возмущениях режима.

2. Выявление мест установки устройств электрического тормоления и способов его осуществления.

3. Разработка алгоритмов управления электрическим тор-мояением синхронных генераторов однократного и многократного действия, обеспечивающих сохранение динамической устойчивости и демпфирование качаний роторов генераторов.

4. Проведение исследований по обоснованию эффективности применения электрического тормокения в ЭЭС Гвинеи, управлений которым, осуществляется с использованием разработанных алгоритмов.

Методы и сродства выполнения исследований.

При разработке алгоритмов управления электрическим тор мокением и исследовании переходных электромеханических процессов в простых и сложных ЭЭС использовались аналитические методы, теории электромеханических систем, теории автоматического управления, методы анализа устойчивости и математического моделирования ЭЭС, численные методы расчета переходных процессов ЭЭС, методы информационного и структурного эк-вивалентврования.

Исследования проводились с применением ЭВМ.

К защите представляются:

1. Научное обоснование целесообразности применения электрического торможения в ЭЭС Гвинеи.

2. Алгоритмы управления однократным электрическим торможением, осуществляемым подключением в виде нагрузки либо последовательно в цепь статора генератора тормозных сопротивлений.

3. Алгоритмы управления многократным электрическим торможением в сложной ЭЭС, обеспечивающие демпфирование качаний роторов синхронных генераторов в послеаварийном режиме.

4. Результаты исследований эффективности применения электрического торможения различных видов для обеспечения динамической устойчивости и демпфирования взаимных качаний роторов синхронных генераторов в послеаварийных режимах в ЭЭС Гвинеи.

Научная новизна.

1. На основе энергетического подхода разработаны алгоритмы управления электрическим торможением синхронных генераторов в электроэнергетической системе.

2. Разработаны рекомендации по оценке эффективности и выбору параметров устройств продольного и поперечного электрического торможения.

3. Разработаны математические модели для исследования переходных процессов в ЭЭС с учетом действия электрического торможения.

4. Разработано программное- обеспечение для выполнения расчетов и исследования влияния электрического торможения на пинамическую устойчивость и качество переходного процесса в. ЭЭС.

Практическая декность.

Разработанные алгоритмы управления 'однократным и многократным электрическим торможением, позволяющие обеспе-шть сохранение динамической устойчивости сложной ЭЭС со сла-5 ими связями при изменении схемно-режимных условий ее работы яогут быть использованы в научно-исследовательских и проект-шх организациях, занимающихся проектированием и совершенст-

вованием развития ЭЭС. Разработанные математические модели позволяют оценить эффективность электрического торможения, применяемого к условиям работы конкретных ЭЭС, могут быть использованы при проведении исследований по обеспечению работоспособности других ЭЭС.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано две статьи в виде депонированных рукописей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы до-лояени и обсухдены на заседании кайедры "Электроэнергетические системы" МЭИ.

Объем работн. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, 3 приложений и библиографического списка, включающего 121 наименования. Основной текст содержит 146 страниц машинописного текста, иллюстрирован рисунками и таблицами на 52 страницах,-

С0ДЕР2АНИЕ РАБОТЫ

Во взедетаи обоснована актуальность темы диссеретацион-ной работы, в краткой форме излагается содержание проведенных в работе исследований.

В первой главе дается характеристика современного состояния ЭЭС Гвинеи и перспективы ее дальнейаего развития и на основе анализа ее режимов формулируется постановка задачи.

В ближайшие года ожидается существенное изменение структуры энергосистемы Гвинеи. В западной части страны вводится в строй новая гидроэлектростанция мощностью 748 МВт, которая будет связана с центральной частью энергосистемы с помощью линий электропередач 220 кВ.

В этой же части будет введена в строй гидроэлектростанция мощностью 300 МВт, которая будет объединена с' системой юго-востока также через линию электропередачи напряжением 220 кВ.

В последней будут сооружены три новые гидроэлектростанции, мощности которых составляют 84, 10,5 и 50 МВт соответст-

венно.

В результате этого установленная мощность энергосистемы Гвинеи увеличится в 16,5 раз. С учетом этих . изменений после эквивалентных преобразований схема ЭЭС Гвинеи может быть значительно упрощена, но все еще оставаться сложной энергосистемой, состоящей из трех подсистем /Рис.1/.

Одна из них включает в себя три электростанции /И, Г2, ГЗ/, другая /центральная/ - одну электростанцию/Г4/,третья /юго-восточная/ - три электростанции /Г5, Г6 ти Г?/.

На основе анализа кривых, отражающих изменение абсолютных углов сдвига роторов всех генераторов системы в зависимости от времени при КЗ в различных точках ЭЭС Гвинеи утанов-лено, что при исследовании электромеханических переходных процессов целесообразно информационно представлять движение всех генераторов ЭЭС /П.+Г7/ в виде движения одного эквивалентного генератора, как целого, и рассматривать качания ротора каждого генератора относительно ротора этого информационно представляемого эквивалентного генератора, используя характеристики . Причем для каждого генератора

угол $"¿3 определяется по формуле:

,

^ = »1 ~ „ ' Ш

Т Г ■ / >

где ¿=1*7.

Анализом поведения исследуемой энергосистемы /рис.1/ при наиболее тяжелых возмущениях в виде трехфазного КЗ в точках К1*К10 показано, что возможно нарушение динамической устойчивости энергосистемы с выпадением из синхронизма генератора Г4 при КЗ длительностью 0,2 с в точке Кб, и генератора Г6 при КЗ в точке К9, а также появление длительных качаний роторов генераторов при КЗ в этих и других точках схемы замещения ЭЭС Гвинеи.

На основе проведенного анализа сделан вывод о целесообразности применения электрического торможения для сохранения: динамической устойчивости ЭЭС и демпфирования качаний роторов синхронных генераторов.

- в -

Во второй главе рассматривается эффективность однократного электрического торможения для сохранения динамической устойчивости энергосистем и решается задача определения параметров устройства электрического торможения, дается упрощенная математическая модель простой ЭЭС, в которой синхронный генератор через линию электропередачи работает на шины бесконечной мощности и на этом генераторе применено электрическое торможение однократного действия.

Рассмотрены два вида гчектрического торможения: продольное и поперечное. В первом случае, активное тормозное сопротивление включается последовательно в цепь статора удаленного генератора на время КЗ, а во втором - покшочаег-ся в виде нагрузки параллельно к пинам электростанции. Причем поперечное электрическое торможение может осуществляться подключением комплексного /активно-емкостного/ тормозного сопротивления, что, как доказано расчетами, позволяет повысить эффективность электрического торможения.

С помощью электрического торможения однократного действия можно обеспечить сохранение динамической устойчивости ЭЭС лишь В первом цикле качаний ротора удаленного генератора. Для рассматриваемой схемы ЭЭС с использованием метода плоца-дей разработан математический аппарат, позволяющий определить требуемые величины тормозных сопротивлений и исследовать эффективность электрического торможения.

Применительно к случаю, когда осуществляется продольное электрическое торможение, с использованием метода площадей определе£2топтимальное значение активного тормозного сопротивления = X, включаемого на время КЗ в цепь статора /X - индуктивное сопротивление статора генератора и трансформатора/. Однако по условиям практической реализации требуется включать наименьшее допустимое по величине тормозное сопротивление Ияи'п > дая определения величины которого разработана методика / но при этом сопротивлении мощность тормозного устройства больше, чем при

Применительно к поперечному электрическому торможению определены граничные значения и В^ диапазона допустимых значений тормозного сопротивления Р^,, определяемые по формуле

-И/ + \л/г-4/>/Г

лм

где (£сраГ <) су. -X.) 4 V ^ ^ +уь).

* (сог^г - ¿оз&г) >

Обозначения соответствуют общепринятым. При включении тормозного сопротивления Ет, величина . которого лежит внутри диапазона Р ^ 4 4 Б^. обеспечивается сохранение динамической устойчивости ЭЭС в первом цикле качаний ротора удаленного генератора. При этом максимальный угол выбега ротора Ртах . не достигает критического °

Проанализировано влияние величины тормозного сопротивления Рт. в случае применения продольного и поперечного электрического торможения на изменение угловой характеристики мощности. Сделан вывод о целесообразности включать не постоянное по величине тормозное сопротивление в случае осуществления многократного электрического торможения, а изменяющееся - для сохранения динамической устойчивости в первом цикле качаний ротора генератора одно значение Др, а для демпфирования качаний ротора в последующих циклах - другое.

Обоснована необходимость рассмотрения дискретного управления многократным электрическим торможением, когда включается и отключается заданное по величине тормозное сопротивление, и непрерывного, когда включенное тормозное сопротивление в первом и последующих циклах качаний ротора генератора непрерывно изменяется с тем, чтобы обеспечить наиболее

интенсивное демпфирование качаний ротора.

Применительно к однократному электрическому торможению проверен анализ влияния схемно-режимных условий ЭЭС и параметров устройства электрического тормохения на динамическую устойчивость ЭЭС.

Рассчетачи показано, что эффективность электрического торможения во тогой зависит от правильно выбранных алгоритмов управления и от быстродействия выключателей /коммутационной аппаратуры в устройствах электрического тормояеняя/, поэтому актуальной задачей яьляется разработка достаточно эффективных алгоритмов управления, особенно применительно к условиям сложной ЭЭС, и усовершенствование вакуумных выключателей.

В третьей главе на основе энергетического подхода, разработанного на кафедре "Электроэнергетические системы" МЭИ, решается задача синтеза алгоритмов управления дискретным и непрерывным многократным электрическим торможением синхронных генераторов в ЭЭС произвольной сложности, исходя при этом из условия обеспечения затухания качаний роторов генераторов в поелеаварийном переходном режиме.

В соответствии с энергетическим подходом, рассматривая сложную ЭЭС, состоящую из п. синхронных генераторов, движение роторов которых описывается системой дифференциальный уравнений / с = 1, ... , /% А

п

получено соотношение:

/7 П

где а Рдл . [и - составляющая электромагнитной кохно-сти, обусловленная действием электрического тормомения;

V г У (/¡г) - управляйте а воздействие; . _ - утловая скорость относительного дви-

яения ротора генератора -I относительно движения всей ЗЭС как целого.

Исходя из выполнения условия ¿3) пржеяптелъно к каждому конкретному случаю£ например, установлено устройство электрического торможения на одном рассматриваемом генераторе С ) т определяется в аналитической форма закон дискретного изменения величины тормозного сопротивления Я з функции параметров режима, т.е. алгоритм управления электрическим торможением.

. В случае непрерывного изменения величины тормозного сопротивления 1?т теоретически обоснована необходимость исходить при синтезе алгоритма управления электрическим торможением из выполнения условия:

С

Используя условие Сз) определен алгоритм дискретного управления поперечным электрическим торможением в простейшей ЭЭС и записан в виде:

¿Г г г и = /$го1 а иГ, (£ЯтаХя -- ^ +

где Ярд - величина подключаемого к схеме ЭЭС активного тормозного сопротивления; Хд^ и Х^ - сопротивления статорной цепи и электропередачи соответственно до. и после точки подключения устройства электрического торможения в схеме замещения простейшей ЭЭС. ^

В соответствии с (5) управляющее воздействие И принимает значения I? или 5Т = схз г что означает включение или отключение сопротивления 1?то. В случае применения электрического торможения непрерывного действия, исходя из условия (4 ) , определен алгоритм непрерывного изменения тормозного сопротивления I? .

Еа основе (3) синтезирован алгоритм дискретного управления поперечным электрическим торможением для случая, когда сложная ЭЭС представляется двухмашинной схемой замещения.

В развитие энергетического подхода к синтезу алгоритмов управления многократным электрическим торможением теоретически доказано, что для обеспечения затухания взаимных качаний роторов синхронных генераторов в слоотой ЭЭС создаваемые, действием устройств электрического торможения дополнительные электромагнитные моменты доляны быть адекватны демпферным моментам, что выполнимо при изменении их в функции скоростей взаимных качаний роторов. Найдено аналитическое выражение для дополнительных демпферных моментов.

В четвептой глада проводятся исследования эффективности управления однократным и многократным электрическим торможением применительно к простой и сложной ЭЭС, когда формирование управляющих сигналов на включение и отключение тормозных сопротивлений осуществлялось в соответствии с алгоритмом, формируемым на основе (3 ) /дискретное управление/, либо осуществлялось непрерывное изменение величины тормозного сопротив-^ния в функции параметров режима ЭЭС /непрерывное управление/ в соответствии с алгоритмом, формируемым на основе С4 )„

Эти исследования имели своей целью выявить, в какой мере более эффективно непрорывное изменение величины тормозного сопротивления.

Ддя анализа качества переходных процессов в ЭЭС в зависимости от сложности расчетно*: схемы замещения использовались различные методы; метод площадей и численные методы расчета переходных процессов, ориентатэоБашше на применение ЭВМ с различной степенью полноты учета действия регуляторов турЗин и АРВ. 3 основе разработанной программы расчета и оценки качества переходных процессов используется проверенная в различных условиях программа '"1УСТАНГ".

В условиях простейгсей ЭЭС с продольным электрическим торможением, изменяющаяся величина которого определялась в каждый рассматриваемый момент времени решением квадратичного уравнения:

-Хлссг)4-£г(висов8-£I(

Результаты выполненных расчетов на ЭВМ 1В;.:-РС/АТ-286 с использованием программы, написанной на языке "СП", в виде характеристик представлены на рис.2. Их анализ показывает, что система устойчива и обеспечивается интенсивное демпфирование качаний ротора.

Определяемач по (6) величина тормозного сопротивления Нт изменяется непрерывно с определенной цикличностью, согласующейся с колебаниями отклонения утловой скорости и угла $ во времени.

для управления электрическим тормохением с изменением величины тормозного сопротивления требуется специального изготовления коммутационная аппаратура, передача информации в течение переходного процесса об изменении утла сдвига к утловой скорости врашенкя роторов генераторов ЭЭС. Поэтому следует ограничиться подмененном электрического торможения с дискретным алгоритмом управления и сам алгоритм управления упростить.

Так, например, управление по относительной скорости в условиях простой ЭЭС, когда отключение тормозного сопротивления осуществляется дискретно:

- при л и? л Г ВКЛЮЧАЮТСЯ 1 . •

- при 4 и? = О отключается ¿?г , ] ^ ^

обеспечивает интенсивное демпфирование качаний ротора в послеаварийнсм режиме, что подтверждено расчетами.

. Величину уставки л • как показано проведенными

исследованиями, необходимо выбирать, исходя из условия обеспечения многократности, в этом случае достигается интенсивное демпфирование качаний ротора генератора /требуется уменьшать величину / и условия предотвращения появления ав-

токолебательного процесса из-за перетормо:?.ения в момент включения тормозного сопротивления вследствие большого наброса мощности на генератор /надо увеличивать аиЗусг /• Требуемое значение уставки ли^сг определяется выполнением сопоставительных многовариантных расчетов.

Исследована эффективность однократного электрического торможения, применяемого на генераторе Г4 /рис.1/, который при трехфазном КЗ в точке Кб выпадал из синхронизма. Рассче-тами обоснована целесообразность применения поперечного активно-емкостного электрического торможения. Определено оптимальное соотношение между величинами активного и емкостного сопротивления, исходя из условия предельного уменьшения мощности БСК. Подтверждено, что с помощью поперечного электрического торможения однократного действия обеспечивается сохранение динамической устойчивости ЭЭС Гвинеи.

Исследована эффективность однократного продольного' электрического торможения, осуществляемого включением на время КЗ в цепь статора генератора 15 активного тормозного сопротивлениями показано /рис.3/, что благодаря электрическому торможению на генераторе Г5 обеспечивается сохранение динамической устойчивости ЭЭС и повышение ее запаса /без электрического торможения генератор Г6 выпадал из синхронизма/.

Для обеспечения демпфирования качаний роторов генераторов в ЭЭС Гвинеи /рис.1/ применен упрощенный алгоритм (Ч ) управления многократным поперечным электрическим торможением с тем лишь отличием, что вместо отклонения угловой скорости аиХ использовалась относительная скорость у

Величины активного тормозного сопротивления и емкостного принимались постоянными - такими же /В^ = 157 Ом;

ГЭС-5

ЗЗОкВ

Ь- ИОкв

И0к8

ГЭС-3

Рис. I. Электрическая схема ЭЭС Гвинеи

Рис. 2. Характеристики переходного процесса при непрерывном регулировании " электрическим торможением

Рис. 3

. 3. Зависимость á¿3K$(tínpn ПрЭТ на Г5

Рас. 4. 'Зависимость прн многократном

электрическом торможении на Г4

Хс = 574 Ои/, что л в случае однократного электрического торможения. .

На рис.4 представлены характеристики переходкого процесса, подтверждающие эффективность многократного электрического тормокения в ЭЭС Гвинеи, причем утке после второго цикла электрического торшпенля достигнуто интенсивное демпфирование качании ротороз всех генераторов ЭЭС.

Расчеты переходных процессов в сгонной ЗЗС выполнялись с помощью ЗЗМ типа ЕС с использование?); nporpa.vr.-j, написанной на языке "СОРТРАН".

ЗАКЛЮЧЕН 3

Основные результаты оаботк сводятся к сдедут-гдег.гу.

1. Проведегс-пгми исследованиями обоснована и подтверждена расчета-.::: возможность и целесообразность применения электрического тор;,:о.-:еяия в ЭЭС Гвинеи в процессе ее развития, определены места установки устройств электрического торможения.

2. Обоснована нсобходкм.ость у. па ссноео экергетичсско-го подхода разработаны атгориткы управления однократным п многократны:.', электрическим торглохенлеа, осудестзляе;.:;д1 с целью обеспечить сохранение динамическо;; устойчивости ЭЗС

V. де>т*крорания зознхка~тах в ней качали:-: рогоров синхронных генераторов в послеазари;:ных: переходных процессах.

3. Теоретически доказано, что для ооэслечония затухания качании роторов синхронных генераторов, создаваемые действием устройств электрического тор.мо.тенкя дополнительные моменты на синхронных генераторах необходимо задавать адекватными демпфер'кгл моментам, т.е. пропорциональным;! скорости перемещения ротора рассглатрззасмого генератора относительно движения как целого ЭЭС, определяемого на основе информационного зквквалентирования.

4. Разработаны математические модели ЭЭС с устройствами электрического торможения и исследованы при анализе их эффективности в случае выполнения в виде продольного /после-

дозателько в цепь статора включается активное тормозное сопротивление/ и поперечного /параллельно к шинам генератора подклэтается тормозное сопротивление/ электрического тор-конения.

5. Выполнетгкш расчетами на 33.1 подтверждена эффективность разработанных алгоритмов управления электрическим тормояекиеы, как однократного, так и многократкого действия, при управлении им в соответствии с разработанными алгоритмами управления; показано, что с помощью электрического тормонения обеспечивается сохранение динамической устойчивости ЭЭС при наиболее опасных возмущениях в виде трехфазных коротких замыканхй, а rajc^e интенсивное демпфирование качаний роторов в послеазарийком переходном реыиме, причем многократность включения торможения должна быть ограничена, чтобы не возник автоколебательный режим в ЭЭС,

Основные положения диссертационной работы отражены в следующих публикациях: .

1. Зеленохат H.H., СейдаБ.Т., Мягмарсурэн Д. Анализ эффективности электрического торможения в энергосистеме// f.'ocK. энерг. ин-т. М.: 1992. Дел. в Информэнерго, 12.02.92, Д/3326-Эн92, 16 с.

2. .Зеленохат Н.И., Сейди В.Т., Мягмарсурэн Д. О применении электрического торможения для улучшения устойчивости' электроэнергетических систем.// Моск. энерг, ен-т. М.: 1992» Деп. в Информэнерго. 12.02.92, Д.3327-Эн92, 13.

Подписано» к печати Л— ^' _ _

1Ьч. л ¿Л¿Г Тира * Sc'W З^каз Пссплатно.

Типогрэфич МЭИ, Красноказарменная, 13.