автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и анализ эффективности управления средствами стабилизации режима электроэнергетической системы (Сирии) после больших возмущений

V\ о

2 9

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На ирамах рукописи

1>ЛРГУ'ГИ ХЛЛПД САМИХ

РАЧРАКОТКА АЛГОРИТМОВ И АНАЛ1П эфф( КТШШОСТП УПРАВ.) 11:11ИЯ СРЕДСТВАМИ СТАБИЛИЗАЦИИ режима

- >лг-:ктроэнкр1 етиче< -кой

СИСТЕМЫ (Сирии) ПОСЛЕ КОЛЫППХ wнмущеппП

('пециальность 05.14.02 Электрические станции

(электрическая часть), сеш. >лектро>нерге1 ические сна см м и управление ими

А В Т О P И Ф Н 1' А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - I Ч>9*> г.

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

Научный руководитель: доктор технических наук ,

профессор ЗЕЛЕНОХАТ Н. И.

Официальные оппоненту: доктор технических наук,

профессор ШАКАРЯН Ю. Г., заместитель директора по науке ВНИИЭ,

кандидат технических наук, МОГИРЕВ В. В., начальник службы перспективного развития ЦДУ ЕЭС РФ.

Ведущая организация: ВГПИ и НИИ "Энергосетьпроект".

о „$.. июня

Защита диссертации состоится 1995 г.

в аудитории Г-201 в 12 час. ЗО мин. на заседании Диссертационного

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 "/ Г" ji{ct ^ 1995 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ Диссертационного Совета К 053.16.17. кандидат технических наук, доцент БАРАБАНОВ Ю. А.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Характерной тенденцией в развитии электроэнергетических систем (ЭЭС) ряда стран, в частности Сирии, является увеличение мощности энергоблоков электростанций, сооружение новых и расширение уже эксплуатируемых электростанций, удаленных на десятки и сотни километров друг от друга. Последствием этого является рост протяженности линий электропередачи и обусловленное этим утяжеление условий сохранения устойчивости работы электростанций в ЭЭС, а также ухудшение качества переходных процессов после резких возмущений в системе Возникающие при этом длительные взаимные качания роторов генераторов неблагоприятным образом отражаются на работе электропотребителей, так как они сопровождаются колебаниями напряжения в узлах нагрузки ЭЭС

Необходимо разработать алгоритмы управления и определить средства управляемого воздействия на переходные процессы в ЭЭС для обеспечения их интенсивного затухания с тем, чтобы в ЭЭС мог стабилизироваться режим, т.е. ЭЭС перешла в устойчивое равновесное состояние Такая задача стабилизации режима возникает при эксплуатации ЭЭС многих стран.

Так в ЭЭС Великобритании в течение ряда лет возникали длительные (до 15 минут) низкочастотные электромеханические колебания, для устранения которых пришлось ограничивать переток мощности по межсистемной связи .

В энергосистемах Финляндии, Швеции, Норвегии и Дании после их объединения возникавшие электромеханические колебания пришлось устранять введением в эксплуатацию новых линии электропередачи и применением АРВ сильного действия.

Слабозатухающие и незатухающие электромеханические колебания наблюдались также и в других странах, в частности в Советском Союзе, США, Канаде, Австралии, Югославии, что свидетельствует о необходимости решения проблемы стабилизации режимов ЭЭС

Решение этой проблемы следует связывать с применением АРВ сильного действия и источников реактивной мощности (ИРМ), применяемых для поддержания заданного уровня напряжения в узлах нагрузки. На них можно

возложить дополнительную функцию по стабилизации режима в ЭЗС, т е по обеспечению наиболее интенсивного затухания возникающих в ней переходных процессов.

Было бы наивным полагать, что такая дополнительная Функция должна быть возложена на все ИРМ. имеющиеся в ЭЭС. Целесообразно это делать лишь в отдельных частных случаях в зависимости от особенностей конфшурации схемы ЭЭС, состава оборудования и ее режимных свойств, проведя предварительные исследования. Так, например, электрическое торможение синхронных генераторов для повышения динамической устойчивости ЭЭС применяется крайне редко, хотя исследованию его эффективности на протяжении многих десятков п<ч обращ.теи.и внимание ведущих специалистов воох с (ран.

Необходимо исследовать новые возможности, появляющиеся при применении ИРМ, а также АРВ для стабилизации режима сложной ЭЭС ^

Целью данной диссертационной работы является решение комплекса задач связанных с применением электрического торможения в видр подключаемых н узлах нагрузки статических источников реактивнои мощное ж и АРВ сильного действия на генераторах и разработкой алгоритмов управлении, обеспечивающих стабилизацию режима сложной ЭЭС после резкого возмущения с выполнением расчетов применительно к ЭЭС Сирии

Основными задачами, решаемыми в диссертационнои работе, являются следующие

1 Анализ условий развития ЭЭС Сирии в ближайшие годы с учетом перспективы и оценка качества переходных процессов в системе после резких возмущений ее режима

2 Разработка обобщенных показателей для оценки качества переходного процесса в сложной ЭЭС с учетом действия регулирующих устройств

3 Разработка алгоритмов управления электрическим торможением генераторов с помощью источников реактивной мощности, подключаемых в узлах нагрузки, и возбуждением генераторов, исходя из условия обеспечения стабилизации режима ЭЭС.

4. Проведение исследований для обоснования эффективности применения управляемых статических источников реактивной мощности и АР В сильного действия в ЭЭС Сирии при использовании разработанных алгоритмов управления.

Методы и средства выполнения исследований При разработке алгоритмов управления электрическим торможением в виде подключаемых в узлах нагрузки статических источников реактивной мощности, а также управления возбуждением генераторов, при проведении исследования переходных процессов в ЭЭС Сирии с оценкой их качества использовались аналитические методы теории электромеханических систем, теории автоматического управления. методы анализа устойчивости и качества переходных процессов в сложных ЭЭС, численные методы расчета переходных процессов, а также метод информационного эквивапентирования сложных электроэнергетических систем Исследования проводились с применением ЭВМ К защите представляются 1 Научное обоснование целесообразности применения электрического торможения в виде подключаемых источников реактивной мощности в узлах нагрузки и управления возбуждением генераторов для обеспечения стабилизации режима в ЭЭС после резкого возмущения

2. Обобщенные показатели качества переходного процесса для сложной регулируемой ЭЭС

3 Алгоритмы управления источником реактивном мощности в виде статического компенсатора, подключаемого в узел нагрузки, алгоритмы управления возбуждением генераторов, обеспечивающие стабилизацию режима ЭЭС

4 Результаты исследования эффективности применения источников реактивной мощности в узлах нагрузки и АРВ с разработанными алгоритмами для обеспечения стабилизации режима в сложной ЭЭС Сирии

Научная новизна.

1. На примере ЭЭС Сирии проведенными исследованиями выявлено, что в ЭЭС со сложнозамкнутой схемой электрических соединений с удаленными на значительные расстояния электростанциями после резких возмущений режима возможно возникновение слабозатухающих качаний роторов синхронных генераторов.

2. Разработаны алгоритмы управления электрическим торможением генераторов в сложной ЭЭС в виде подключаемы* источников реактивной мощности а ушах нагрузки, обеспечивающие стабилизацию режима ЭЭС.

3. Разработаны обобщенные показатели, позволяющие оценивать качество переходных процессов в условиях сложной ЭЭС

4. Разработаны математические модели для исследования влияния непрерывно действующего статического источника реактивной мощности на процесс стабилизации режима ЭЭС после резкою возмущения

5. Исследована эффективность разработанных мероприятий по стабилизации режима ЭЭС Сирии после резких возмущении

Практическая значимость Разработанные алгоригмы управления электрическим торможением в виде подключаемых в узпе нагрузки ИРМ и АРВ сильного действия на генераторах, позволяющие обеспечить стабилизацию режиме ЭЭС при изменении схемно-режимных условий ее работы, могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях, занимающихся проектированием и совершенствованием развития ЭЭС

Предложенные подходы к анализу качества переходного процесса с учетом действия регулирующих устройств в системе позволяет оценить эффективность применения различного рода средств воздействия на режим ЭЭС для обеспечения его стабилизации и могут быть использованы при проведении исследований применительно к любой другой ЭЭС

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована одна статья ( Colloquium of Cigre Study Committee 38, BRAZIL, September 1993 )

Апробация работы Материалы диссертационной работы обсуждались на заседании кафедры "Электроэнергетические системы" МЭИ, на заседании секции международной конференции CIGRE ( Бразилия )

Объем работы . Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 1S1 наименования. Основной текст содержит 122 страниц машинописного текста, который иллюстрирован рисунками и таблицами на 87 страницах

Содержание работы

Во вшит» обосновывается актуальность темы диссертационной работы, в краткой форме излагается содержание проведенных в ней исследований, харрактеризуются полученные результаты и их значимость для электроэнергетики В шраой главе дается характеристика состояния ЭЭС Сирии и рассматриваются перспективы ее развития; формируется постановка задачи для исследования.

Во »ropoi глав« на основе энергетического подхода, разработанного на кафедре "Электроэнергетические системы* МЭИ, решается задача синтеза алгоритмов управления электрическим торможением генераторов с помощью подключаемых в узлах нагрузки источников реактивнои мощности в виде СТК и возбуждением генераторов для обеспечения стабилизации режима в ЭЭС после резкого возмущения, т е быстрого затухания качаний роторов генераторов в лослеаварийном режиме

В соответствии с энергетическим подходом, рассматривая сложную ЭЭС, состоящую из л синхронных 1>;нераю|)<!в, движение роторов которых описывается системой дифференциальных уравнении в виде:

dftli 2 п п

Tji-----= Pti-E.y.iSin а.. ■ Z Е. Е, уи sirt^, оь,)- ХРйи'Лп, (1)

dt t»i ,

получено выражение для полной энергии взаимного движения роторов синхронных генераторов:

где П - есть потенциальная энергия ЭЭС, a W', определяемая выражением .

<i=1.....п).

V = W'+ п,

(2)

1

п 2

Y. Tjifrti»

W

(3)

кинетическая энергия качании роторов всех генераторов ои» . шеы.нг. трдииор! и движения ЭЭС как целого ( центра инерции системы )

В (3) онэ есть относительная скорость ( <о,э = <•>, - со, ), причем

Т.1,(1., / v т., (4;

1 1

Исходя из условия, что в ЭЭС при управлении происходит убывание энергии V во времени ( сМсК < 0 ), после введения допущении и упрощении на основе (1) (4) получено неравенство в виде.

и' и )= X ЛР»л,( и, и ¡1 Су.

i |эт . ,в

где и и и управляющие воздействия гоотврт' м...ннп <• уг тгаис»*.-электрического торможения и в систем^ ыоаоу-кдинин 1ет.|.,моров (иь ~и'..

ив„),

ЛРЭЯ1(иЭТ,иВ) - составляющая электромашиной мощности синхронного генератора ], обусловленная действием электрического торможения и АРВ

Условие (5) позволяет получить алтритм дииршною управленич электрическим торможением (ИРМ) синхронных тенераторов ЭЭС.

Исходя из условия, что действие управляющих у<. фошлй должно бы о, адекватно по эффекту действию диссипативных сил по аналогии с С>) уравнение

для определения управляющих воздеисшии поп'/'ит нрти. ...... :. г

в функции параметров ре"*им;1 )'.)С.

г " I П 9

1; Кт,г.>,э X др.. ■( И и ), .. и .

где Ка.э • постоянные величины ( коэффициенты )

Определена стадия развития переходного процесса, управляемое воздействие на который в соответствии с формируемыми алгоритмами обеспечивает стабилизацию режима ЭЭС.

На основе метода информационного эквивалентирования. исходя из условия убывания кинетической энергии в сложной ЭЭС. сформированы и предложены для использования показатели качества переходного процесса, в частности показатель:

Пат л 2

г,„ = 1 I Т.мю.эск , (7)

I I

характеризующий интенсивность затухания качаний роторов синхронных генераторов ЭЭС (I мт - время затухания переходного процесса )

В работе на основе анализа соответствия вида кривои I „,( ( ) характеру затухания переходного процесса, обосновано введение понятия эквивалентной постоянной времени затухания переходного процесса а сложной ЭЭС ( Тэ ) С помощью обобщенных показателей шах I „,( 1 ) и Тэ дана количественная оценка качеству переходного процесса в сложной ЭЭС с учетом действия управляющих и регулирующих устройств

В третьей главе рассматривается эффективность электрического торможения в виде подключаемого ИРМ в узле нагрузки с точки чрения обеспечения стабилизации режима, решается задача формирования на основе (6) удобных для использования алгоритмов управления применительно к простой и сложной ЭЭС

Рассматривается упрощенная схема замещения простои ЭЭС (рис 2). когда н узел нагрузки К подключается СТК - изменяющееся в функции параметров режима емкостное сопротивление Хс в соответствии с полученным при 1)0=О на основе (6) выражением:

2Х<Хл(А+2г Ксо12)

Хс ' - ---- ------ (8)

в - V в2 - 4Км12г4(А+гг к«12)

где

-Ш.

В = 2Х,г(А+22 Ксо1г) - Е,и 7} втб«;

А = Е 1гХгг/ Ян + Е,и Х,г 81п812 + (Е^ X, Х.совб«) / Ин;

г2 =х1г2 + (х,хг/ ян)г;

Х)г= Х1 + Хв+ X) X»/ Хн

На рис.3 показаны изменения угловой характеристики активной мощности генераторе Р(6) в переходном процессе при управлении электрическим торможением в соответствии с (8) и графики изменения угла сдвига ротора (8) в функции времени, причем кривая 1 - построена при Ьт = 1 /Хс = 0, а кривая 2 - при Ьс. определяемом по формуле (8) с учетом ограничения I Хс I ' Хс3*1".

Анализ графиков рис 3 показывает, что при управлении электрическим .торможением (СТК) в соответствии с (8) обеспечивается интенсивное демпфирование качаний ротора генератора.

Для определения в аналитической форме зависимости сопротивления Хс от параметров режима в сложной ЭЭС предложен подход, основанный на вычислении собственных и взаимных проводимостей с выделением той их части, которая в явной форме зависит от величины Хс , чтобы затем иметь возможность определить составляющую ЛРЭЛ1(11эт) в выражении (5) Однако из-за громоздскости получаемых выражений предпочтение отдано численным методам.

Эффективность сформированного алгоритма управления электрическим торможением а виде подключаемого в узлах нагрузки управляемого ИРМ (СТК) подтверждена расчетами на ЭВМ применительно к сложной трехмашинной ЭЭС и шестимашинной ЭЭС Сирии (рис.1).

Исследования, проведенные на примере трехмашинной ЭЭС, позволили более полно выявить влияние различных факторов на стабилизацию режима ЭЭС. таких, как выбор места приложения возмущающего воздействия (К З ), величины порога

fl^ls:

J. I

I I

3-r.

\

Рис. 1 Схема ЭЭС Сирии

и

XI

Х2 V,

Рис. 2 Схема ммсогяия прост ой ЭЭС

1*т

-1ё

J0ц

р

Характеристики переходного процесса при управлении СТК: 1 - бе! управления ИРМ; 2 - с управлением ИРМ;

срабатывания и вывода ИРМ из работы в режиме стабилизации Показано, чгав случае преждевременного вывода ИРМ из работы в режиме стабилизации в ЭЭС могут иметь место слабозатухающие качания роторов, а при отсутствии ограничения по длительности работы ИРМ в таком режиме - к возникновению автохолебаний, хотя и с небольшими амплитудами.

Поэтому предложен и проверен на эффективность критерий целесообразного вывода ИРМ из режима стабилизации, записываемый в виде

I Т^ + Т)- ип !< г.. (9)

где с - задаваемая величина ( уставка ), т - некоторый заданный интервал времени

При управлении в соответствии с алгоритмом (6) с учетом (Э) обеспечивается достаточно интенсивное затухание качаний роторов в ЭЭС

Выполненными исследованиями на примере шестимашиннои ЭЭС Сирии показано, что наблюдаются слабозатухающие качания роторов синхронных генераторов при управлении ИРМ по закону ( по отклонению напряжения )

Хс = ХСо-КиХ(изАдк-ик), (Ю)

где 11к , 1)зад.к - текущее и заданное значения напряжения в узле подключения ИРМ; Ких - коэффициент усиления.

При проведении расчетов в сложной ЭЭС учитывалось действие регуляторов турбин (АРТ) и АРВ пропорционального действия на всех агрегатах ЭЭС

Рассматривались возмущения в различных точках схемы замещения ЭЭС Сирии при введение в действие ИРМ в каком-либо из узлов 11 13, 18. 21 с использованием разработанных алгоритмов управления электрическим торможением.

Выполненными расчетами на ЭВМ показано, что при введенном в действие алгоритме стабилизации ( 6 ) на ИРМ в узле 13 в случае приложения возмущения ( трехфазное К З. длительностью 0.2 с ) в узле 31 обеспечивается интенсивное демпфирование качаний роторов генераторов и устраняются колебания

напряжения в узлах нагрузки. Соответствующие характеристики переходного процесса : углы сдвига роторов э(|), интегральная кривая ТЩ), а также график изменения величины сопротивления ИРМ в узле 13 представлены на рис. 4.

Исследовано влияние выбора места подключения ИРМ для управления стабилизацией режима ЭЭС. Эффективность управления стабилизацией режима ЭЭС с помощью ИРМ зависит, как показали проведенные исследования, не только от того, в каком узле осуществляется управление ИРМ в соответствии с разработанным алгоритмом, но и от - места приложения возмущающего воздействия. При К 3 в узле 31 наиболее эффективно управление стабилизацией режима ЭЭС с помощью ИРМ, установленного в узле 13.

Исследована также возможность управления стабилизацией режима ЭЭС при совместной работе ИРМ, установленных на разных подстанциях ЭЭС ( в узлах 13. 18 схемы Рис. 1 ) В этом случае при управлении в соответствии с алгоритмом ( 6 ) также обеспечивается интенсивное демпфирование качания роторов синхронных генераторов.

В четвертой главе диссертации дается анализ эффективности применения АРВ сильного действия для стабилизации режимов сложных ЭЭС

Полученное на основе энергетического подхода условие (6) используется для формирования алгоритма управления, возбуждением синхронных генераторов сложной ЭЭС. Обосновывается введение допущений, позволяющих упростить алгоритм управления в переходных режимах, ориентируясь на возможность его практической реализации В результате проведенных исследований обоснована целесообразность включения в алгоритм АРВ составляющей и I" .формируемой в функции обобщенного параметра &>

Применительно к ЭЭС Сирии выполнены расчеты переходных процессов ( К.З. в узле К 1 длительностью 0.2 с ) при управлении возбуждением генераторов в соответствии с алгоритмом

ия = ит + к«< и"**- и„) + К и„

(10)

-1.5-

где коэффициенты Koi принимались заданными, а К „,,э изменялись ступенями в широком диапазоне.

Полученные характеристики подтверждают эффективность исследуемою алгоритма - в течении четырех секунд переходный процесс затухает и прекращаются колебания напряжения в узлах на рузки.

Исходя из условия практической реализации осуществлен переход от обобщенных параметров режима, используемых в АРВ, к местным, замеряемым непосредственно на электростанции - в алгоритме (10) вместо параметра r.i , использован параметр roEi ип .определяемый как производная угла сдвига ЭДС [ ч, генератора i относительно вектора напряжения на шинах электростанции U,i

Построенные по результатам выполненных расчетов характеристики переходного процесса для ЭЭС Сирии представлены h;i рис Ь Их анализ показывает, что при таком управлении обеспечивается интенсивное затухание переходного процесса, что свидетельствует об эффективное.ги применения Al'R для стабилизации режимов ЭЭС

Вопросы аппаратной реализации разработанных алгоритмоп управления в работе не рассматривались

Основные результаты работы

Основные результаты диссертационной работы сводятся к следующему 1 Стабилизация режима ЭЭС Сирии может быть осуществлена с помощью электрического торможения в виде подключаемых в узлах Hai рузки управляемых ИРМ, а также АРВ сильного действия

2. Управление ИРМ в соответствии с разработанными алюритмпми позволяет улучшить демпфирование качания роторов генераторов и сократить продолжительность колебаний напряжения в узлах нагрузки

3. Включение в закон регулирования АРВ сильного действия составляющей определяемой на основе энергетического подхода обеспечивает также интенсивное затухание качаний роторов ЭЭС и может быть рекомендовано для практической реализации при использовании местных параметров режима

-Л:

2.00 -1 и i э

1.00

ООО

-I ООН

-2 00 ■

-3.00 0.00

200

20.00 0 0Q 1 -20.00 -40.00

-60.00

Хс

t.c

4.00

6 00

8.00

10.00

12.00

5.00

t, С

ю.оо

t,c

0,00 5.00 10 00 15.00

Рис.4 Врекеннне характернее::!-::: пьрехо.тного процесса при у г.

r¡CUiJ,ÍCv".:*

Рис. 5 Временные характеристики переходного процесса при управлении АРВ

-184. Разработанные обобщенные показатели качества переходного процесса

позволяют сопоставлять различные режимы и оценивать эффективность

мероприятий по улучшению стабилизации ЭЭС.

5. В результате проведенных исследований предложенные подходы могу7 быгь использованы проектными и научными организациями которые занимаются стабилизацией режимов ЭЭС.

Основные положения диссертационной работы отражены в публикации

Зеленохат Н И., Баргути X., Мягмарсурэн Д., Сейди Б.Т Определение структуры алгоритмов и анализ эффективности управляющих устройств в электроэнергетической системе Международная конференция СИГРЭ, Бразилия, сентябрь 1993 г., (на французском яз.) с 161 : 165.