автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Разработка и исследование имитационной модели малой ГЭС для решения комплекса задач управления

На правах рукописи

ДОМБРОВСКИЙ ВЛАДИСЛАВ ВЛАДИСЛАВОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ МАЛОЙ ГЭС ДЛЯ РЕШЕНИЯ КОМПЛЕКСА ЗАДАЧ УПРАВЛЕНИЯ

Специальности

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям:

энергетика, приборостроение, информатика, производственные процессы) 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в энергетике)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 2004

Работа выполнена в Московском энергетическом институте (Техническом университете) на кафедре Управления и информатики.

Научный руководитель доктор технических наук

профессор Коломейцева Маргарита Борисовна

Официальные оппоненты

доктор технических наук профессор Чубаров Евгений Петрович

кандидат технических наук доцент Тарасова Галина Ивановна

Ведущая организация: ФГУП Центральный научно-исследовательский

институт автоматики и гидравлики (ЦНИИАГ)

Защита состоится "17" июня 2004 г. в 16й на заседании диссертационного совета Д212.157.08 при Московском энергетическом институте (ТУ) по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д. 14, в Малом актовом зале МЭИ.

Отзывы, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Важность автономных источников электроэнергии возрастает. Согласно проведенному обзору литературных источников большая часть территории России не имеют централизованного электроснабжения, в то же время малая энергетика способна обеспечить ее теплом и электроэнергией. Актуальность развития надежных, экологически чистых, компактных, быстро окупаемых автономных объектов производства электроэнергии (АОПЭ), особенно малых ГЭС, установка которых часто дешевле строительства ЛЭП, высока. В последние годы в России особенно заметно вырос интерес к эффективному использованию местных возобновляемых природных ресурсов, особенно к объектам малой гидроэнергетики.

Построение систем управления такими объектами имеет свою специфику, основано на особенностях функционирования объекта управления в различных режимах эксплуатации и требует глубокого знания его динамических свойств.

Важнейшая общая особенность малой ГЭС и вообще АОПЭ проявляется в режиме работы на автономного потребителя, когда изменения электрической нагрузки могут оказаться достаточно резкими и сравнимыми по величине с номинальной мощностью источника; при этом также резко и в широких пределах могут изменяться некоторые ключевые параметры режима работы объекта.

Кроме того, огромное значение имеют индивидуальные особенности различных типов АОПЭ, например, для ГЭС наиболее значимыми являются особенности, связанные с подводом энергоносителя (гидравлический удар, колебания уровня воды, рассеивание энергии в проточном тракте) и гидромеханическим преобразованием энергии в турбине, которые существенно зависят от конфигурации и режима работы объекта.

Таким образом, специфика АОПЭ заключается в наличии постоянно действующих сильных возмущающих воздействий, а также в существенном влиянии всевозможных нелинейностей и особенностей физических процессов в объектах, что придает определенные трудности задачам управления ими, например, важнейшей задаче обеспечения высокого качества вырабатываемой электроэнергии.

Поэтому, для решения комплекса задач управления АОПЭ (в т.ч. задач синтеза, оптимизации и др.), в силу особенностей объектов данного класса, необходима достаточно полная модель, которая представляла бы АОПЭ как объект управления, то есть отражала бы все требуемые управляющие, выходные и возмущающие воздействия, учитывала бы все существенные с точки зрения управления особенности объекта и давала бы достаточно глубокое представление о реальных динамических процессах, протекающих в нем.

Подробный анализ литературных источников показал, что в литературе отсутствует описание моделей подобного типа, по крайней мере, для целого ряда объектов класса АОПЭ, например, для малых ГЭС мощностью 100-600 кВт.

Встречающиеся в литературных источниках описания, представляют собой либо модели объектов управления других классов (не АОПЭ), сильно упрощенные, линеаризованные, не учитывающие в должной мере реальные характеристики, физические процессы, и возможное разнообразие конфигураций АОПЭ, либо модели физических процессов, протекающих в различных элементах объекта, разрозненные, охватывающие лишь некоторые процессы, протекающие в отдельных

^ос> национальная I

з | »»ЛНОТСКА |

элементах объекта обособленно, практически без учета процессов в других элементах и особенностей их взаимодействия.

Таким образом, задача разработки подробной модели для исследования и решения задач управления объектом подобного класса является актуальной и в подобной постановке в литературе не встречается.

Более того, в работе показано, что разработка полной модели малой ГЭС имеет значение не только для исследования процессов самой малой ГЭС, но и может служить основанием для разработки подобных моделей других типов АОПЭ, в силу того, что объекты эти имеют много общего, а в ряде случаев даже одинаковые элементы (электрогенератор, например).

Целью работы, исходя из вышесказанного, является разработка и исследование имитационной модели малой ГЭС для решения комплекса задач управления, в т.ч. исследования процессов в объекте, решения задач анализа и синтеза систем управления, оптимизации и др. При этом, существенной является задача разработки соответствующей прикладной инструментальной базы.

В связи с ориентацией на цели управления и требованием функционирования создаваемой имитационной модели в реальном времени, достаточно важной целью становится поиск наименее сложных способов описания, адекватно учитывающих все существенные, с точки зрения задач управления, особенности выбранного объекта. Поэтому особое внимание в работе уделяется анализу влияния уровня идеализации на точность моделирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• представить объект в виде подсистем на основании анализа функциональных особенностей основных элементов объекта, физических процессов, протекающих в них, и особенностей их взаимодействия;

• разработать математические описания подсистем для решения задач управления, охватив все наиболее важные варианты их конфигураций, с учетом физических процессов, протекающих в соответствующих элементах объекта;

• произвести разработку и исследование свойств цифровых моделей подсистем и элементов объекта управления, на основании исследований выявить наиболее существенные особенности объекта и дать рекомендации по их учету;

• осуществить разработку полной цифровой модели объекта управления на основе полученных моделей подсистем; провести исследования разработанной комплексной модели объекта, в том числе, связанные с задачами управления;

• провести проверку работоспособности модели путем сравнения с доступными источниками, в т.ч. сопоставимыми результатами исследований в литературе.

Методы исследования. В работе используются методы гидродинамики, в т.ч. теории "жесткого" и "упругого" гидроудара, теории гидротурбин, механики, в т.ч. теории колебаний, теории электромеханического преобразования энергии в синхронной машине, имитационного моделирования и вычислительного эксперимента. При решении задач исследования, упрощения, определения структуры и параметров ряда предложенных моделей использовались методы сравнительного моделирования, идентификации и оптимизации.

При разработке инструментальной базы цифровых моделей элементов и подсистем объекта управления, а также, его полных имитационных моделей использовались методы, программирования и визуального моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• выведены математические описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС, учитывающие специфику задач управления объектом, для различных типовых схем проточного тракта;

• предложена математическая модель механической подсистемы гидроагрегата, учитывающая крутильные колебания и их влияние на процессы в объекте управления в целом;

• получены упрощенные структурные модели для описания процессов в синхронном генераторе и его возбудителе;

• предложена и исследована полная цифровая модель малой ГЭС, предназначенная для решения комплекса задач управления объектом, реализованная на базе разработанных взаимосовместимых моделей подсистем малой ГЭС и предложенной структуры их взаимосвязей.

Положения, выносимые на защиту:

• математические описания гидродинамической и механической подсистем малой ГЭС, предложенные упрощенные модели генератора и его возбудителя;

• способ применения экспериментальных статических характеристик турбины при моделировании для решения задач управления; предложенное описание синхронного генератора гидроагрегата на основе уравнений Парка-Горева;

• инструментальная база цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС, система мониторинга и управления на базе полной модели малой ГЭС;

• полная цифровая модель малой ГЭС.

Практическая значимость полученных результатов, состоит в следующем:

• разработано программное обеспечение имитационной модели малой ГЭС, позволяющее решать задачи управления малой ГЭС, в том числе такие, как исследование и синтез законов управления, оптимизация и другие задачи;

• разработано программное обеспечение для моделирования и исследования различных процессов в малой ГЭС в целом и ее элементах и подсистемах по отдельности, а также в ряде аналогичных элементов других объектов класса АОПЭ;

• разработано программное обеспечение для мониторинга процессов малой ГЭС и управления напряжением и частотой гидроагрегата в реальном времени на базе полученной комплексной цифровой модели малой ГЭС с перспективой использования на реальном объекте;

• на основании имитационной модели путем цифрового эксперимента исследованы системы управления частотой с контурами управления по водотоку, балластной нагрузке и напряжению. Определены оптимальные параметры настройки линейных и нелинейных элементов регуляторов для разных вариантов конфигурации объекта;

• даны рекомендации по учету влияния особенностей гидродинамических переходных процессов, крутильных колебаний, нелинейности характеристик турбины и генератора и других особенностей элементов и подсистем малой ГЭС на процессы управления в смежных подсистемах и объекте в целом.

• приведены рекомендации по применению экспериментальных статических характеристик реальной турбины для учета ее особенностей при моделировании для решения задач управления;

• предложено упрощенное математическое описание процессов в возбудителе и основном генераторе с учетом особенности режимов работы генератора.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы и основные положения, содержащиеся в ней, были представлены и обсуждены на представительных семинарах и конференциях, в том числе:

• на Шестой, Седьмой и Восьмой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г. Москва, 2000-2002г.;

• на Международных форумах информатизации МФИ-2000 и МФИ-2002 "Информационные средства и технологии", г. Москва, 2000,2002,2003г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников. Объем диссертации составляет 188 страниц машинописного текста, 90 илл., 3 табл., 72 ист., 3 прилож.

Содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, определена научная ценность результатов, дается краткое содержание работы.

В первой главе проводится анализ общих принципов функционирования и особенностей класса АОПЭ. Показано, что объекты эти имеют много общего, их принципы действия и задачи управления ими сходны, в ряде случаев отдельные их элементы (электрогенератор, например) или даже целые группы элементов совпадают. Поэтому поставленная задача создания имитационной модели, решаемая на конкретном примере - малой ГЭС, может служить основанием для разработки подобных моделей других типов АОПЭ, более того, модели совпадающих элементов будут достаточно универсальны.

Рассматриваются основные особенности малой ГЭС как объекта управления. Показано, что малая ГЭС представляет собой достаточно сложную систему, состоящую из многих разнородных элементов, поэтому для построения ее полной модели целесообразно представить объект управления в виде нескольких взаимодействующих подсистем.

Выделение этих подсистем в работе предлагается провести на основании качественного различия между физическими процессами, протекающими в элементах рассматриваемого объекта.

Преимущества такого подхода заключаются в том, что подсистемы будут соответствовать специфическим процессам с конкретной физической природой, для их описания могут быть применены соответствующие уравнения или теории, моделировать и исследовать эти процессы можно до некоторой степени независимо друг от друга, и уже на этом этапе можно установить, какие конкретно особенности объекта существенны и должны быть включены в его полную модель.

Для выбранного в настоящей работе объекта - малой ГЭС - были выделены следующие подсистемы (рис.1): гидродинамическая, охватывающая процессы,

протекающие в проточном тракте малой ГЭС, гидромеханическая, охватывающая процессы в турбинной камере, механическая, охватывающая процессы вынужденного вращения вала гидроагрегата и закрепленных на нем элементов, и электродинамическая, охватывающая основной процесс электромеханического преобразования энергии в синхронном генераторе, а также процессы, связанные с функционированием цепей формирования возбуждения генератора и его внешних электрических цепей нагрузки.

Таким образом, получение математических описаний предлагается проводить последовательно для каждой подсистемы, с учетом особенностей характерных для нее процессов и места подсистемы в общей модели, т.е. с учетом особенностей взаимодействия подсистем и их последующего объединения в полную модель объекта.

Специфика постановки задачи разработки имитационной модели для решения комплекса задач управления потребовала:

• точного указания всех входных, в т.ч. управляющих и возмущающих, и выходных воздействий для объекта управления в целом, его подсистем и их элементов;

• четкого определения границ подсистем и связей между подсистемами;

• поиска математического описания, устанавливающего связи между требуемыми выходами и входами для каждой подсистемы, с учетом их последующего сопряжения и объединения в полную модель объекта;

• поиска способов упрощения математического описания подсистем без ущерба с точки зрения учета всех существенных для управления особенностей объекта.

Такая специфика постановки задачи потребовала вывода математических описаний для большинства подсистем, несмотря на то, что физические процессы в отдельных элементах объекта достаточно известны в соответствующей литературе.

| Верхний бассейн |

Подсистемы малой ГЭС.

!. Гидродинамическая

II. Гидромеханическая

III. Механическая

IV. Электроданамическая-

Рассматривая малую ГЭС в целом как объект управления (рис.2), в силу постановки задачи управления объектом, в качестве выходных переменных возьмем сигналы частоты /г и напряжения 1/г на выходе генератора.

Эти сигналы поступают в качестве сигналов обратной связи на входы автоматического регулятора возбуждения (АРВ) и автоматического регулятора частоты вращения турбины (АРЧВ).

Управление напряжением генератора осуществляется при помощи встроен -ного возбудителя и цепей возбуждения сигналом

АРЧВ управляет частотой путем изменения мощности, развиваемой установкой, регулировать которую можно, изменяя угол открытия направляющего аппарата аил ПРИ помощи сервомотора логическими командами (Аверс, Реверс, Стоп), и потребляемой мощности балластной нагрузки, подключаемой к генератору параллельно с полезной нагрузкой потребителя Рпотр- При этом используются как ступени дискретной балластной нагрузки, включаемые и отключаемые логическими командами так и непрерывная балластная нагрузка, мощность которой регулируется сигналом

Схемы подсистем объекта управления представлены, как показано на рисунках (рис.За-г). Поименованные переменные обозначают соответственно статический напор ГЭС Щ, напор на турбине Н, ее расход (), мощности водотока Nвoд> турбины ^ и генератора Рг, моменты турбины Мг и генератора Мр их скорости вращения От и а>г, а также ток генератора 1р.

Следует отметить, что представления рис.За и 36 доста-

Она Гидродинамическая н

е

Но подсистема Меод

Рис.За.

• а"л 1 Мт

н Гидромеханическая Н ,

е , <2,

Ь'юл подсистема Нт '

Рис.Зб.

Мт Механическая От

подсистема

Мг 6)г

Рис.Зг.

точно условны, т.к. турбина как элемент относится к обеим подсистемам (рис.4), и нужны только при рассмотрении соответствующих подсистем для их описания и моделирования по отдельности.

0>т

Но

иНА

Сервомотор

с блоком управления

вш

Гидродинамическая подсистема

Рис.4.

Проточный тракт Н Турб ша

С

Ывод

Гидромеханическая подсистема

Мт

Вторая глава посвящена разработке математического описания гидродинамической подсистемы (ГДПС) малой ГЭС.

Особенности ГДПС, определяющиеся физическими законами поведения энергоносителя, а также разнообразием схем организации проточного тракта, являются специфическими для ГЭС и требуют учета.

Проведенный анализ литературных источников, касающихся моделирования гидродинамических переходных процессов в проточном тракте, показал, что описаний, полностью удовлетворяющих поставленной задаче, предназначенных конкретно для решения задач управления, в литературе нет.

Поэтому необходимые математические описания в настоящей работе были выведены. Для их вывода были использованы известные физические уравнения (Бернулли, Жуковского, для напора на турбине и мощности водотока и др.).

Не останавливаясь подробно на деталях самого вывода математических описаний, изложенных достаточно подробно, кроме диссертации, в работах автора [1-3], отметим следующие моменты.

Как показал анализ литературы, возможных вариантов конфигурации проточного тракта малых ГЭС может быть очень много, поэтому в настоящей работе было выведено несколько вариантов математических описаний ГДПС для наиболее типичных и практически значимых частных случаев. Исследования ряда вариантов конфигурации потребовали реализации их описаний на нескольких уровнях идеализации (например, с учетом и без учета упругости гидроудара).

Следует отметить, что процессы в гидродинамической и гидромеханической подсистемах сильно взаимосвязаны, и даже для отдельного исследования процессов ГДПС ее модель должна включать некоторое описание турбины, которая относится к следующей подсистеме, поэтому на первом этапе, до объединения этих подсистем, было взято упрощенное ее описание формулой расхода через гидравлическую задвижку

Разработаны математические описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС для следующих конфигураций, см. табл.1:

• на основе простого напорного трубопровода (3 уровня идеализации), п. 1;

• на основе трубопровода с предтурбинным сужением, п.2;

• малой ГЭС с послетурбинным трубопроводом, п.2;

9

• для общего случая малой ГЭС с проточным трактом без разветвлений, п.З;

• с цилиндрическим уравнительным резервуаром без узла сопротивления, п.4;

• малой ГЭС с переменным верхним бьефом, л.5;

• двухтурбинной системы, п.6;

• каскадной малой ГЭС с автоматическим поддержанием уровня, п.7.

Табл.1.

6 и н° 1 в}* ЖСП

7 И1- ! я0(о=(а (о-б(о)/5 и я„(1)-е2 1 (а,г-«г+&»-«4)2 ЖСП

Примечание: УпБП - с учетом упругости без учета потерь, ЖСБП - жесткий случай без учета потерь, ЖСП - жесткий случай с учетом потерь.

В третьей главе рассматривается получение математических описаний процессов и подсистем, относящихся к гидроагрегату: гидромеханической, механической и электродинамической..

В процессе функционирования такие параметры как расход и напор имеют широкий диапазон изменения,. при этом нелинейности реальных характеристик турбины оказывают существенное влияние на процессы в объекте управления.

В настоящей работе был выбран метод описания турбины на основе ее экспериментальных статических характеристик. На основании этого метода, математическое описание гидро1"'"таит'га';"г,1'гг'т<' ттпттгитрл™ СГМТТО Кмттг, представлено в

следующей форме: ГМт =Мг(Н,аИА,со) или Мт =т]т(Н,(),со)-^0—-,

1

где - моментная и - расходная характеристики

турбины, соответственно, - характеристика ее к.п.д.

Метод принципиально годится для описания любых типов турбин, хотя сами характеристики различных турбин могут достаточно сильно отличаться.

Рассмотрены подходы к цифровому моделированию турбины, некоторые из которых реализованы в следующих главах.

Что касается динамических свойств турбины, то они достаточно сложные и их учет потребовал бы разработки громоздких моделей в конечных элементах. Однако, в настоящей работе показано, что для решения задач управления динамику процессов в турбине можно не учитывать (вывод этот сделан на основании исследования литературных источников, в т.ч. анализа приводимых осциллограмм реальных переходных процессов в турбине).

Важнейшей особенностью механической подсистемы (МПС) являются крутильные колебания реального вала гидроагрегата, которые могут возникнуть при резком изменении приложенных к нему механических моментов, например, в результате сброса или наброса существенной нагрузки потребителя.

В общем случае требуется математическое описание вынужденного вращения для системы, состоящей из рабочего колеса турбины, инерционного маховика и ротора генератора, размещенных в указанном порядке на валу гидроагрегата. Такое описание в настоящей работе было выведено:

Также в работе предложен вариант учета затухаемости реальных крутильных колебаний введением в вышеприведенные уравнения коэффициентов линейного демпфирования.

Следует отметить, что в литературных источниках по гидротехнике и механике подобных описаний нет, крутильные колебания рассматриваются отдельно от процесса основного вращения как свободные незатухающие колебания в идеализированных одно- и двухэлементных системах.

Для описания основного генератора гидроагрегата и его электрической нагрузки (полезной нагрузки потребителя и балластной нагрузки АРЧВ), которая в работе упрощенно полагается симметричной и чисто активной, была выбрана известная модель синхронной машины Парка-Горева.

На основании уравнений выбранной модели, с учетом специфики задач управления, была получена модель основного генератора гидроагрегата, приводимая ниже, для цифрового моделирования всего многообразия необходимых режимов от холостого хода до номинальной нагрузки и допустимой (регламентированной) перегрузки синхронного генератора

<

(0$ \ /

Математическое описание остальных элементов электродинамической подсистемы (возбудителя и цепей формирования возбуждения генератора) связано с моделированием и рассмотрено в следующей главе.

Четвертая глава посвящена решению тесно связанных задач разработки инструментальной базы цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС и раздельному исследованию процессов в каждой подсистеме.

Разработанные в предыдущих главах математические описания подсистем специально создавались с учетом их инвариантности к средствам моделирования. В процессе исследований было опробовано несколько таких средств. В качестве

основных средств для реализации прикладной базы цифровых моделей в работе были выбраны следующие два пакета - Control Panel и MATLAB.

Control Panel, интегрированная среда для разработки систем управления и мониторинга, принципиально ориентированная на работу в реальном времени, поддерживает создание достаточно сложных регуляторов, в т.ч. алгоритмических и со встроенными моделями, что позволяет применить ее и непосредственно для моделирования. Причем, функционирование модели в режиме реального времени является существенным достоинством с точки зрения моделирования и исследования процессов управления, а удобные средства мониторинга также достаточно полезны.

MATLAB, и прежде всего структурно ориентированное средство визуального моделирования Simulink, обладающее возможностью визуального моделирования, поддерживает оформление созданных цифровых моделей в виде законченных пользовательских блоков, компоновки этих блоков в библиотеки, и облегчает различные операции с моделями, что является весьма полезным для разнообразных, особенно предварительных, исследований.

На базе ранее выведенных математических описаний гидродинамической подсистемы малой ГЭС получены и исследованы цифровые модели для ее основных конфигураций. На основании их сравнительного моделирования проведены:

• исследования влияния гидродинамических переходных процессов в проточном тракте на рабочий напор, расход через турбину и мощность водотока, с точки зрения вопросов управления объектом;

• исследования влияния различных уровней идеализации на точность моделирования гидродинамических переходных процессов;

• исследования влияния особенностей конфигурации проточного тракта на характер гидродинамических переходных процессов.

Проведенные исследования, некоторые из которых помимо диссертации изложены в работах автора [2,3], показали, что особенности физических процессов в проточном тракте весьма значимы в рамках подсистемы, причем процессы для разных конфигураций существенно отличаются. В работе показано, что для решения комплекса задач управления необходимо учитывать такие особенности ГДПС как, например, наличие уравнительного резервуара, предтурбинного сужения, возможность существенного изменения уровня воды в верхнем бассейне; даны рекомендации по учету перечисленных и некоторых других особенностей.

Исследования показали, что следует учитывать гидравлические потери напора, возникающие в результате рассеивания энергии в проточном тракте, в то время как учет упругости гидроудара рекомендуется проводить только в некоторых, оговоренных в работе случаях.

В связи с имеющимся многообразием возможных конфигураций проточного тракта малых ГЭС и тем, что в работе были исследованы только некоторые из них, предложен подход для дальнейшего получения математических описаний еще не рассмотренных вариантов конфигурации и исследования их особенностей. В работе даны рекомендации по выявлению и последующему учету существенных с точки зрения управления особенностей конфигураций ГДПС.

Экспериментальные статические характеристики конкретной реальной турбины были в настоящей работе оцифрованы и применены для аппроксимации

соответствующих характеристик, а также для их интерполяции. Для аппроксимации расходной характеристики турбины была выбрана следующая формула, известная в литературе:

Формул для аппроксимации к.п.д. турбины не было найдено, поэтому в работе была предложена следующая зависимость:

В работе даны рекомендации, как в процессе моделирования применить доступные характеристики любых типов гидротурбин.

Проведенные исследования механической подсистемы показали, что крутильные колебания реального вала гидроагрегата являются существенной особенностью данной подсистемы, проявляются как осцилляции рабочего колеса турбины и ротора генератора на фоне их основного вращения и требуют дальнейших исследований влияния этих колебаний на смежные подсистемы.

На основе разработанной модели основного генератора были проведены исследования его процессов в режиме холостого хода и рабочих режимах. Эти исследования позволили предположить возможность упрощения описания синхронной машины для целей управления, что нашло дальнейшее отражение в работе (см. ниже.).

Проведенный анализ возможных подходов к моделированию возбудителя, также представляющего собой синхронный генератор (малой мощности), показал, что применить для его описания сложную модель, такую как Парка-Горева, затруднительно (т.к. необходимые параметры недоступны) и нецелесообразно, а обычные упрощенные динамические модели не годятся.

Поэтому для описания возбудителя в работе была предложена достаточно простая модель (рис.5), учитывающая основные свойства этого элемента, имеющая в операторной области вид:

и т (Р) = (1 + V (Р) - кт1гы (Р))

Рис.5.

1 + рТГЕН

Для проверки качества предложенной модели была проведена идентификация ее параметров по разработанной цифровой модели генератора, которая показала адекватность и достаточную точность предложенной структуры модели (расхождение в норме СКО менее 0.025).

Учет особенностей, связанных с функционированием цепей возбуждения генератора, также потребовал вывода их математического описания, которое в настоящей работе было получено на примере конкретного генератора СГ2-500-4У2 и применимо для целого ряда генераторов, имеющих тиристорную бесщеточную систему возбуждения и начального самовозбуждения генератора:

где, ипорог - пороговое напряжение срабатывания реле при переходе генератора из режима неуправляемого самовозбуждения от остаточного напряжения статорной обмотки 1/ост к нормальному режиму с ШИМ управлением с дискретным сдвигом N управляющего импульса в диапазоне \Nudi, Нщх]-

На базе всех полученных описаний была построена модель электродинамической подсистемы (ЭДПС), предназначенная для решения задач управления (рис.6).

Рис.6.

Кроме того, в качестве возможной альтернативы достаточно сложной модели на основе выбранных уравнений Парка-Горева, в работе предложена более простая модель основного генератора, требующая существенно меньше параметров (рис.7), имеющая в_операторной форме следующий вид:

и,а, 00 = (1 + V {и, (р) ~ кт1гси (р) - ктд1г[н(р));

1 + РТггн

I

0.5

7/{р)=т-^— •{р)+; Мгш = ; I.

1 + Р*ГЕН

,=У-иг

Проведенная идентификация ее параметров по разработанной цифровой модели генератора показала адекватность и высокую точность предложенной

структуры модели (максимальное расхождение по всем выходам не превышает 1-3% абсолютного отклонения и 0.0032-0 0085 СКО).

В работе даны практические рекомендации по определению параметров предложенных моделей.

В пятой главе решаются вопросы объединения подсистем, совместного моделирования и исследования процессов, проявляющихся при их взаимодействии, рассматриваются особенности контуров АРВ и ЛРЧВ, осуществляется разработка и исследование полной цифровой модели малой ГЭС.

Также в главе производятся дополнения и окончательное оформление инструментальной и методологической базы для разнообразных исследований и решения комплекса задач управления.

Совместные исследования процессов в гидродинамической и гидромеханической подсистемах показали, что учет реальных характеристик турбины при моделировании необходим. Причем, в работе показано, что аппроксимация характеристик, в тех случаях, когда она возможна, предпочтительней; в ряде случаев возможен компромиссный вариант аппроксимации сравнительно простой расходной характеристики и интерполяции характеристики к.пд. с достаточно сложным рельефом.

Сравнительное моделирование и исследование гидродинамических переходных процессов с учетом и без учета волновой природы гидравлического удара, осуществленные для взаимодействующих моделей ГДПС - ГМПС, ГДПС -ГМПС - МПС и полной модели малой ГЭС, показали, что влияние упругости гидроудара на момент турбины и частоту генератора можно не учитывать.

Исследования влияния крутильных колебаний, проведенные в работе для следующих случаев: ГДПС - ГМПС - МПС, МПС - синхронный генератор, МПС -ЭДПС, а также в разработанной полной модели объекта управления, показали, что крутильные колебания могут оказывать влияние на смежные подсистемы и на объект управления в целом. Тем не менее, в ряде случаев эти колебания можно не учитывать, однако, каждый такой случай требует специальных исследований этого вопроса; в работе даны соответствующие рекомендации.

Исследования электродинамической подсистемы совместно с другими подсистемами и в полной модели показали, что учет реальных особенностей синхронного генератора и его системы возбуждения необходим при исследовании контуров АРВ и АРЧВ. При этом в работе показано, что для решения задач

управления могут быть применены сравнительно простые предложенные модели для упрощенного описания возбудителя и основного генератора.

На основе выбранных средств моделирования были реализованы две полные модели: модель, функционирующая в реальном времени, созданная в Control Panel, и модель в MATLAB, не имеющая ограничений, связанных со сложностью модели и скоростью вычислений. Во все полные модели были включены контура управления и некоторые средства мониторинга.

Предложенная структура полной модели показана на рис.8.

Анализ особенностей Control Panel и разработанной в ней системы мониторинга полной модели малой ГЭС позволяет предположить перспективную возможность использования разработанной системы для задач управления и мониторинга действующей малой ГЭС в реальном времени.

Достаточно важным моментом является то, что хотя прикладная база моделей создана для конкретного объекта - малой ГЭС, полученные наработки могут быть применены и для других АОПЭ, более того, некоторые из разработанных моделей могут использоваться непосредственно. Гидродинамическая

подсистема

щ

hJ

Она

н:

н

сот

*Мом«нтчм «arV Мт| —-

Гидромеханическая i подсистема

Механическая подсистема

Uha

Регулятор контура АРЧВ

Тршый пнтур управлении НБК

Грубый »тур ynpuoemi Д5Н

Контур упрюемм На

Рис.8.

В работе были проведены разнообразные исследования полной модели, в частности, исследования различных режимов работы и управления и соответствующих переходных процессов в замкнутой системе под влиянием

типовых возмущающих воздействий; даются рекомендации по настройке регуляторов контуров АРВ и АРЧВ.

Кроме того, в работе было проведено сравнение разработанной полной модели малой ГЭС и известных упрощенных динамических моделей гидроэнергоагрегата. Сравнение проводилось поэлементно и в целом, для замкнутой системы.

Результаты этого сравнения, а также вышеназванных исследований подсистем и полной модели, показали, что физические процессы, протекающие в объекте управления, а также разнообразные возможные его конфигурации имеют свои особенности, требующие учета при решении комплекса задач управления.

Практические испытания подтверждают полученные результаты.

Например, испытания реальной малой ГЭС показали, что она, как объект управления, ведет себя не в соответствии с упрощенным представлением, а регуляторы, настроенные по такой упрощенной модели, нуждаются в трудоемкой перенастройке. В тоже время разработанная полная модель дает ответы на вопросы, как настраивать регуляторы, какие особенности процессов в объекте при этом надо учитывать. Практические испытания показали состоятельность подобного применения разработанной полной модели.

Основные результаты работы;

1. Выведены математические описания гидродинамической подсистемы различных типов малой ГЭС, учитывающие специфику задач управления объектом и позволяющие осуществлять учет существенных особенностей подсистемы для ряда типовых схем проточного тракта на различных уровнях требуемой точности.

2. Получены математическое описание и цифровая модель гидромеханической подсистемы, учитывающие влияние нелинейности характеристик турбины при изменении параметров ее режима в широкой области, что характерно для рассматриваемого класса объектов, в результате чего существенно была повышена точность моделирования объекта управления.

3. Показано, что для автономных объектов производства электроэнергии в ряде случаев необходимо учитывать влияние крутильных колебаний на процессы управления объектом в целом. Предложена математическая модель механической подсистемы, позволяющая более точно рассчитывать реакцию объекта на резкие и существенные по величине изменения нагрузки потребителя.

4. Получено описание основного генератора гидроагрегата на основе упрощения и адаптации уравнений модели Парка-Горева для моделирования его рабочих режимов. Предложены упрощенные структурные модели для описания процессов в синхронном генераторе и его возбудителе.

5. Получена математическая модель электродинамической подсистемы на базе описаний основного генератора, его возбудителя и выведенных описаний цепей формирования возбуждения генератора, учитывающая особенности задач управления автономными объектами производства электроэнергии.

6. Предложена и разработана инструментальная база цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС в виде структурированной библиотеки, обеспечивающая удобный выбор, объединение и настройку моделей на этапе различных

исследований; проведенное исследование динамических процессов позволило выявить наиболее существенные особенности объекта управления и предложить рекомендации по их дальнейшему учету.

7. Разработана полная цифровая модель малой ГЭС, предназначенная для решения комплекса задач управления объектом; на ее базе проведено исследование режимов пуска гидроагрегата и отработки типовых возмущающих воздействий в различных конфигурациях замкнутых систем управления, что позволило предложить рекомендации по настройки регуляторов АРВ и АРЧВ.

8. Показано, что для решения задач управления малой ГЭС могут быть применены сравнительно простые описания ее элементов и подсистем, учитывающие основные свойства объекта; предложен подход для получения таких описаний и по определению их параметров на основе доступных данных об объекте.

9. Показано, что полученные в работе модели механической и электродинамической подсистем могут быть использованы в ряде случаев при построении моделей других типов автономных объектов производства электроэнергии.

10. Разработана модель системы управления и мониторинга малой ГЭС в реальном времени, ориентированная для использования на действующем объекте.

11.Разработанное программное обеспечение нашло практическое применение, в частности, было использовано для исследований систем управления малыми ГЭС и для определения оптимальных настроек регулятора АРЧВ.

12.Разработанные средства были применены на этапах проектирования и пуско-наладки двух гидроагрегатов малой ГЭС в городе Северо-Курильске.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Домбровский В.В. Моделирование гидродинамических процессов для решения задачи управления частотой гидроэнергоагрегата. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Шестая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т.-М, 2000-Т.2.- С. 93-94.

2. Домбровский В.В., Пихлецкий В.В. Исследование динамических свойств водовода мини ГЭС на основе компьютерного моделирования.// Международный форум информатизации: Тез. докл. междунар. конф. "Информационные средства и технологии".- М., 2000.- Т.З.- С. 68-71.

3. Домбровский В.В., Коломейцева М.Б., Орахелашвили Б.М. Моделирование гидродинамических процессов малой ГЭС для задачи управления частотой гидроагрегата. // Электрические станции.- 2002.- №2. - С. 37-44.

4. Домбровский В.В. Математическое описание и моделирование генератора гидроагрегата и его системы возбуждения для решения задачи управления частотой и напряжением мини-ГЭУ. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Седьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т.-М., 2001.-Т.1.-С. 339-340.

5. Домбровский В.В. Моделирование мини-ГЭУ как объекта управления с учетом особенностей физических процессов в ее элементах. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Восьмая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т.-М., 2002-Т.1.,-С. 352-353.

6. Домбровский В.В., Коломейцева М.Б. Полная модель мини-ГЭУ как объекта управления с учетом особенностей физических процессов в ее элементах. // Международный форум информатизации: Тезисы докл. междунар. конф. "Информационные средства и технологии".- М., 2002.- Т.2.- С. 118-121.

7. Домбровский В.В., Митрофанов В.Е. Разработка прикладной базы цифровых моделей подсистем автономного объекта производства электроэнергии. // Международный форум информатизации: Тезисы докл. междунар. конф. "Информационные средства и технологии".- М., 2003.- Т.2.- С. 146-149.

*-829 1

Печл125Тир. 100 Зак 178_

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13

Введение.

Глава 1. Формализация общих принципов функционирования и управления объектов производства электроэнергии на примере малой ГЭС, работающей на автономного потребителя.

1.1. Общие принципы функционирования и особенности малых ГЭС и других объектов автономного производства электроэнергии.

1.2. Представление малой ГЭС в виде взаимодействующих подсистем для решения задач управления.

1.3. Результаты и выводы.

Глава 2. Математическое описание гидродинамических процессов в проточном тракте малой ГЭС.

2.1. Постановка задачи математического описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС для решения задач управления.

2.2. Математическое описание элементов регулирования расхода турбины.

2.3. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС на основе простого напорного трубопровода.

2.4. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС с проточным трактом без разветвлений.

2.5. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС с уравнительным резервуаром.

2.6. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС для каскадных и особых случаев.

2.7. Результаты и выводы.

Глава 3. Математическое описание физических процессов в элементах гидроагрегата малой ГЭС.

3.1. Описание гидромеханических процессов в турбинной камере малой

3.2. Математическое описание механических процессов вращения и колебаний вала гидроагрегата малой ГЭС.

3.3. Математическое описание электрогенератора гидроагрегата малой ГЭС и его электрических цепей нагрузки.

3.3.1.Выбор математического описания для моделирования основного генератора гидроагрегата.

3.3.2.Математическое описание синхронного генератора на основе уравнений модели Парка-Горева.

3.3.3.Цифровая модель основного генератора гидроагрегата на основе уравнений Парка-Горева.

3.4. Результаты и выводы.

Глава 4. Реализация моделей подсистем объекта управления и исследование результатов моделирования.

4.1. Выбор средств моделирования для реализации и исследования моделей подсистем и создания полной цифровой модели малой ГЭС.

4.2. Исходные данные для моделирования и исследования процессов элементов и подсистем объекта управления на примере действующей малой ГЭС.

4.3. Особенности цифровой реализации и исследования моделей гидродинамической подсистемы малой ГЭС.

4.3.1.Моделирование гидродинамической подсистемы с простым напорным трубопроводом без потерь. Сравнение моделей для жесткого и упругого случаев.

4.3.2.Моделирование гидродинамической подсистемы на основе простого напорного трубопровода с учетом потерь в проточном тракте.

4.3.3.Моделирование гидродинамической подсистемы с неразветвленным проточным трактом на примере малой ГЭС с предтурбинным перешейком.

4.3.4.Цифровое моделирование гидродинамической подсистемы с УР.

4.4. Особенности цифровой реализации моделей гидромеханической подсистемы малой ГЭС.

4.5. Особенности цифровой реализации и исследования моделей механической подсистемы малой ГЭС.

4.6. Особенности цифровой реализации и исследования моделей электродинамической подсистемы малой ГЭС.

4.6.1.Моделирование синхронного генератора для режима холостого хода

4.6.2.Цифровая модель синхронного генератора для рабочих режимов.

4.6.3.Эмпирическая идентификационная модель синхронной машины для описания возбудителя.

4.6.4.Математическое описание цепей формирования возбуждения.

4.6.5.Упрощенные модели синхронной машины для описания основного генератора гидроагрегата.

4.7. Результаты и выводы.

Глава 5. Объединение моделей подсистем, результаты моделирования и исследование режимов малой ГЭС.

5.1. Особенности совместного моделирования и исследования подсистем и их композиции в полную цифровую модель объекта управления.

5.1.1.Объединение моделей гидродинамической и гидромеханической подсистем.

5.1.2.0бъединение моделей гидродинамической, гидромеханической и механической подсистем.

5.1.3.Совместное моделирование электрогенератора и механической подсистемы. Исследования влияния учета крутильных колебаний на точность описания процессов в электродинамической подсистеме.

5.1.4.0собенности цифровой реализации регуляторов контуров управления

АРВ и АРЧВ.

5.1.5.Реапизация полной цифровой модели малой ГЭС.

5.2. Исследования полных цифровых моделей малой ГЭС и разработка системы мониторинга.

5.3. Сравнительное моделирование разработанной полной модели малой ГЭС как объекта управления с известными описаниями.

5.3.1.Линеаризованная динамическая модель ГЭС как объекта управления

5.3.2.Сравнение известных описаний с разработанными моделями подсистем малой ГЭС.

5.3.3.Сравнительное моделирование замкнутых систем.

5.4. Результаты и выводы.

Диссертация посвящена разработке и исследованию имитационной модели малой ГЭС ориентированной для решения комплекса задач управления.

Актуальность темы диссертации. Важность источников электроэнергии для автономного энергоснабжения, энергоснабжения в чрезвычайные периоды и труднодоступных районах возрастает [46, 36-62]. По некоторым оценкам, например [46], от 50-70% территории России не имеют централизованного электроснабжения, и только малая энергетика способна обеспечить их теплом и электроэнергией. Актуальность развития надежных, экологически чистых, компактных, быстро окупаемых автономных объектов производства электроэнергии (АОПЭ), особенно малых ГЭС, установка которых часто дешевле строительства ЛЭП [46 и др.], не вызывает сомнений [36, 38-42,46,54,60 и др.]. В последние годы в России особенно заметно вырос интерес к эффективному использованию местных возобновляемых природных ресурсов и начато освоение выпуска нового поколения гидроагрегатов малой мощности.

Построение систем управления такими объектами имеет свою специфику, основано на особенностях функционирования объекта управления в различных режимах эксплуатации и требует глубокого знания его динамических свойств.

Важнейшая общая особенность малой ГЭС и вообще АОПЭ проявляется в режиме работы на автономного потребителя, когда изменения электрической нагрузки могут оказаться достаточно резкими и сравнимыми по величине с номинальной мощностью источника; при этом также резко и в широких пределах могут изменяться некоторые ключевые параметры режима работы объекта [1, 63-69].

Кроме того, огромное значение имеют индивидуальные особенности различных типов АОПЭ, например, для ГЭС наиболее значимыми являются особенности, связанные с подводом энергоносителя (гидравлический удар, колебания уровня воды, рассеивание энергии в проточном тракте) и гидромеханическим преобразованием энергии в турбине, которые существенно зависят от конфигурации и режима работы объекта [5-10,12-18,20,63-68].

Таким образом, специфика АОПЭ заключается в наличии постоянно действующих сильных возмущающих воздействий, а также в существенном влиянии всевозможных нелинейностей и особенностей физических процессов в объектах, что придает определенные трудности задачам управления ими, например, важнейшей задаче обеспечения высокого качества вырабатываемой электроэнергии.

Поэтому, для комплексного решения задач управления АОПЭ (в т.ч. задач синтеза, оптимизации и др.), в силу особенностей объектов данного класса, необходима достаточно полная модель, которая представляла бы АОПЭ как объект управления, то есть отражала бы все требуемые управляющие, выходные и возмущающие воздействия, учитывала бы все существенные с точки зрения управления особенности объекта и давала бы достаточно глубокое представление о реальных динамических процессах, протекающих в нем.

Подробный анализ литературных источников [1-10,14-16,23,36-62 и др.] показал, что в литературе отсутствует описание моделей подобного типа, по крайней мере, для целого ряда объектов данного класса, например, для малых ГЭС мощностью 100-600 кВт.

Встречающиеся в литературных источниках описания, представляют собой либо модели объектов управления других классов (не АОПЭ), например [3,4,14], сильно упрощенные, линеаризованные, не учитывающие в должной мере реальные характеристики, физические процессы, и возможное разнообразие конфигураций АОПЭ, либо модели физических процессов [7,10,15 и др.], протекающих в различных элементах объекта, разрозненные, охватывающие лишь некоторые процессы, протекающие в отдельных элементах объекта обособленно, практически без учета процессов в других элементах и особенностей их взаимодействия.

Таким образом, задача разработки подробной модели для исследования и решения задач управления объектом подобного класса является актуальной и в подобной постановке в литературе не встречается.

Исходя из вышесказанного, целью диссертационной работы является разработка и исследование имитационной модели малой ГЭС для решения комплекса задач управления, в т.ч. исследования процессов в объекте, решения задач анализа и синтеза систем управления, оптимизации и др. При этом, существенной является задача разработки соответствующей прикладной инструментальной базы. Также интерес представляет вопрос создания методологического подхода к построению этой модели с целью его перспективного применения для разработки подобных моделей других объектов класса АОПЭ.

Достижение поставленной цели должно быть реализовано с использованием того огромного опыта, который накоплен в смежных областях науки, и касается рассмотрения, изучения и исследования физических явлений и процессов, протекающих в различных элементах объекта.

В связи с ориентацией на цели управления и желательностью функционирования создаваемой имитационной модели в реальном времени, особое внимание в работе уделяется анализу влияния уровня идеализации на точность моделирования и поиску наименее сложных способов описания, адекватно учитывающих все существенные особенности выбранного объекта с точки зрения стоящих задач управления.

Хотя, в настоящей работе выбран конкретный частный случай АОПЭ — малая ГЭС, однако, как будет показано в первой главе, общий принцип действия объектов данного класса и задачи управления ими во многом похожи, а многие основные элементы объектов достаточно близки или совпадают. Поэтому предполагается, что методологический подход к построению модели, основные наработки, полученные на конкретном примере, а также, модели целого ряда элементов могут быть применены и для других объектов данного класса.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: • представить объект в виде подсистем на основании анализа функциональных особенностей основных элементов объекта, физических процессов, протекающих в них, и особенностей их взаимодействия;

• разработать математические описания подсистем для решения задач управления, охватив все наиболее важные варианты их конфигураций, с использованием известных описаний соответствующих физических процессов;

• произвести разработку и исследование свойств цифровых моделей подсистем и элементов объекта управления, на основании исследований выявить наиболее существенные особенности объекта и дать рекомендации по их учету;

• осуществить разработку полной цифровой модели объекта управления на основе полученных моделей подсистем; провести исследования разработанной комплексной модели объекта, в том числе, связанные с задачами управления;

• провести проверку работоспособности модели путем сравнения с доступными источниками, в т.ч. сопоставимыми результатами исследований в литературе

Основываясь на результатах решения поставленных задач, можно выделить следующие положения работы, содержащие научную новизну:

• выведены математические описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС, учитывающие специфику задач управления объектом, для различных типовых схем проточного тракта;

• предложена математическая модель механической подсистемы гидроагрегата, учитывающая крутильные колебания и их влияние на процессы в объекте управления в целом;

• получены упрощенные структурные модели для описания процессов в синхронном генераторе и его возбудителе;

• предложена и исследована полная цифровая модель малой ГЭС, предназначенная для решения комплекса задач управления объектом, реализованная на базе разработанных взаимосовместимых моделей подсистем малой ГЭС и предложенной структуры их взаимосвязей.

Положения, выносимые на защиту:

• математические описания гидродинамической и механической подсистем малой ГЭС, предложенные упрощенные модели генератора и его возбудителя;

• способ применения экспериментальных статических характеристик турбины при моделировании для решения задач управления; предложенное описание синхронного генератора гидроагрегата на основе уравнений Парка-Горева;

• инструментальная база цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС, система мониторинга и управления на базе полной модели малой ГЭС;

• полная цифровая модель малой ГЭС.

Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:

• разработано программное обеспечение имитационной модели малой ГЭС, позволяющее решать задачи управления малой ГЭС, в том числе такие, как исследование и синтез законов управления, оптимизация и другие задачи;

• разработано программное обеспечение для моделирования и исследования различных процессов в малой ГЭС в целом и ее элементах и подсистемах по отдельности, а также в ряде аналогичных элементов других объектов класса АОПЭ;

• разработано программное обеспечение для мониторинга процессов малой ГЭС и управления напряжением и частотой гидроагрегата в реальном времени на базе полученной комплексной цифровой модели малой ГЭС с перспективой использования на реальном объекте;

• на основании имитационной модели путем цифрового эксперимента исследованы системы управления частотой с контурами управления по водотоку и балластной нагрузкой и напряжением. Определены оптимальные параметры настройки линейных и нелинейных элементов регуляторов для разных вариантов конфигурации объекта;

• даны рекомендации по учету влияния особенностей гидродинамических переходных процессов, крутильных колебаний, нелинейности характеристик турбины и генератора и других особенностей элементов и подсистем малой ГЭС на процессы управления в смежных подсистемах и объекте в целом;

• приведены рекомендации по применению экспериментальных статических характеристик реальной турбины для учета ее особенностей при моделировании для решения задач управления;

• предложено упрощенное математическое описание процессов в возбудителе и основном генераторе с учетом особенности режимов работы генератора.

Результаты диссертационной работы и основные положения, содержащиеся в ней, были представлены и обсуждены на представительных семинарах и конференциях, в том числе:

• на Шестой, Седьмой и Восьмой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г. Москва, 2000-2002г.

• на Международных форумах информатизации МФИ-2000 и МФИ-2002 "Информационные средства и технологии", г. Москва, 2000, 2002, 2003г.

По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ [63-69].

Диссертационная работа имеет следующую структуру. В первой главе проводится анализ общих принципов функционирования и особенностей класса АОПЭ. Рассматриваются основные особенности малой ГЭС, как объекта управления, решается задача представления объекта управления в виде взаимодействующих подсистем для построения полной модели объекта.

Вторая и третья главы посвящены разработке математических описаний подсистем выбранного объекта управления, и рекомендаций для разработки подобных моделей для новых конфигураций подсистем и других АОПЭ.

Во второй главе рассматриваются процессы, относящиеся к проточному тракту ГЭС, и разрабатывается математическое описание гидродинамической подсистемы объекта. В виду имеющегося разнообразия применяемых на практике схем организации проточного тракта, рассматривается несколько наиболее типичных и практически значимых случаев.

Математическое описание процессов и подсистем, относящихся непосредственно к гидроагрегату (гидромеханической, механической и электродинамической) рассматривается в третьей главе.

Четвертая и пятая главы посвящены разработке инструментальной и методологической базы для разнообразных исследований и комплексного решения задач, связанных с управлением. В этих главах рассматриваются вопросы моделирования и исследования элементов и подсистем объекта управления по отдельности (четвертая глава), особенности совместного моделирования подсистем и объединения их в полную модель (пятая глава), особенности контуров автоматического регулирования возбуждения (АРВ) и автоматического регулирования частоты вращения турбины (АРЧВ), и создание единой комплексной цифровой модели малой ГЭС.

1. Формализация общих принципов функционирования и управления объектов производства электроэнергии на примере малой ГЭС, работающей на автономного потребителя.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Выведены математические описания гидродинамической подсистемы различных типов малой ГЭС, учитывающие специфику задач управления объектом и позволяющие осуществлять учет существенных особенностей подсистемы для ряда типовых схем проточного тракта на различных уровнях требуемой точности.

2. Получены математическое описание и цифровая модель гидромеханической подсистемы, учитывающие влияние нелинейности характеристик турбины при изменении параметров ее режима в широкой области, что характерно для рассматриваемого класса объектов, в результате чего существенно была повышена точность моделирования объекта управления.

3. Показано, что для автономных объектов производства электроэнергии в ряде случаев необходимо учитывать влияние крутильных колебаний на процессы управления объектом в целом. Предложена математическая модель механической подсистемы, позволяющая более точно рассчитывать реакцию объекта на резкие и существенные по величине изменения нагрузки потребителя.

4. Получено описание основного генератора гидроагрегата на основе упрощения и адаптации уравнений модели Парка-Горева для моделирования его рабочих режимов. Предложены упрощенные структурные модели для описания процессов в синхронном генераторе и его возбудителе.

5. Получена математическая модель электродинамической подсистемы на базе описаний основного генератора, его возбудителя и выведенных описаний цепей формирования возбуждения генератора, учитывающая особенности задач управления автономными объектами производства электроэнергии.

6. Предложена и разработана инструментальная база цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС в виде структурированной библиотеки, обеспечивающая удобный выбор, объединение и настройку моделей на этапе различных исследований; проведенное исследование динамических процессов позволило выявить наиболее существенные особенности объекта управления и предложить рекомендации по их дальнейшему учету.

7. Разработана полная цифровая модель малой ГЭС, предназначенная для решения комплекса задач управления объектом; на ее базе проведено исследование режимов пуска гидроагрегата и отработки типовых возмущающих воздействий в различных конфигурациях замкнутых систем управления, что позволило предложить рекомендации по настройки регуляторов АРВ и АРЧВ.

8. Показано, что для решения задач управления малой ГЭС могут быть применены сравнительно простые описания ее элементов и подсистем, учитывающие основные свойства объекта; предложен подход для получения таких описаний и по определению их параметров на основе доступных данных об объекте.

9. Показано, что полученные в работе модели механической и электродинамической подсистем могут быть использованы в ряде случаев при построении моделей других типов автономных объектов производства электроэнергии.

Ю.Разработана модель системы управления и мониторинга малой ГЭС в реальном времени, ориентированная для использования на действующем объекте.

11.Разработанное программное обеспечение нашло практическое применение, в частности, было использовано для исследований систем управления малыми ГЭС и для определения оптимальных настроек регулятора АРЧВ.

12.Разработанные средства были применены на этапах проектирования и пуско-наладки двух гидроагрегатов малой ГЭС в городе Северо-Курильске.

Заключение.

1. Коломейцева М.Б., Митрофанов В.Е., Пихлецкий В.В. Система регулирования частоты и напряжения мини-ГЭС с помощью ЭВМ. // Электричество. -1998, -№7.,.с. 27-31.

2. Первозванский A.A. Курс теории автоматического управления. -М.: Наука, 1986.-616 с.

3. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Часть II. Специальные линейные и нелинейные системы автоматического регулирования одной величины. -М.: Энергия, 1966. -364 с.

4. Использование водной энергии. / Д.С. Щавелев, С.Г. Беляев, Ю.С. Васильев и др.; Под ред. Ю.С. Васильева 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергоатомиздат, 1995.-608 с.

5. Гидроэлектрические станции. / H.H. Аршеневский, М.Ф. Губин, В.Я. Карелин и др.; Под ред. В.Я. Карелина, Г.И. Кривченко. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. -464 с.

6. Кривченко Г.И. Гидромеханические переходные процессы в гидроэнергетических установках. -М.: Энергия, 1975. -364 с.

7. Орлов В.А. Уравнительные резервуары гидроэлектростанций. -М.: Энергия, 1968.-180 с.

8. Ковалев H.H. Гидротурбины. -JI.: Машиностроение, 1971. -584 с.

9. Ю.Аронович Г.В., Картвелишвили H.A., Любимцев Я.К. Гидравлический удар иуравнительные резервуары. -М.: Наука, 1968. -248 с.

10. И.ГОСТ 13109-97. Требования к качеству электрической энергии. М.: Изд-во стандартов, 1999. -36 с.

11. Гутовский Е.В., Колтон А.Ю. Теория и гидродинамический расчет гидротурбин. -Л.: Машиностроение, 1974. -365 с.

12. Гидротехнические сооружения. Справочник проектировщика. / Г. В. Железняков, Ю.А. Ибад-Заде, П.Л. Иванов и др.; под общ. ред. В.П. Недриги. -М.: Стройиздат, 1983. -543 с.

13. Кривченко Г.И. Автоматическое регулирование гидротурбин. -М.: Энергия, 1964. -288 с.

14. Берлин В.В., Муравьев O.A. Переходные процессы на ГЭС с уравнительными резервуарами. -М.: Энергоатомиздат, 1991.-152 с.

15. Киселев П.Г. Гидравлика: Основы механики жидкости. — М.: Энергия, 1980. -360 с.

16. П.Справочник по гидравлическим расчетам. / П.Г. Киселев, А.Д. Альтшуль, Н.В. Данильченко и др.; Под редакцией П.Г. Киселева. -4-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1972.-312 с.

17. Гидротехническое и вспомогательное оборудование гидроэлектростанций: Справочное пособие: В 2 т. / Л.Ф. Абдурахманов, Б.Н. Ананьин, Ф.В. Аносов и др.; Под ред. Ю.С. Васильева, Д.С. Щавелева. -М.: Энергоатомиздат, 1988-1990.-2 т.

18. Магнус К. Колебания: Введение в исследование колебательных систем: Пер. с нем. -М.: Мир, 1982. 304 с.

19. Справочник по гидротурбинам. / В.Б. Андреев, Г.А. Броновский, И.С. Веременко и др. под ред. H.H. Ковалева -JI.: Машиностроение, 1984. -496 с.

20. Копылов И.П. Электрические машины. -М.: Энергоатомиздат, 1986. -360 с.

21. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины. -М.: Энергия, 1980. -928 с.

22. Андерсон П.М., Фуад A.A. Управление энергосистемами и устойчивость: Пер. с англ. под ред. Я.Н. Лугинского. М.: Энергия, 1980. - 568 с.

23. Лупкин В.М. Теория несимметричных переходных процессов синхронной машины.-Л.: Наука, 1985.-148 с.

24. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1994. 318с.

25. Фильц Р.В., Лябук H.H. Математическое моделирование явнополюсных синхронных машин. Львов: Свит, 1991. -176 с.

26. Боровский А.П., Лютахин Ю.И. Расчет переходных процессов в синхронных электрических машинах. // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика // Шестая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. -М., 2000. -Т.2. -С. 7-8.

27. Универсальный метод расчета электромагнитных процессов в электрических машинах / A.B. Иванов-Смоленский, Ю.В. Абрамкин, А.И. Власов, В.А. Кузнецов; под ред. A.B. Иванова-Смоленского. М.: Энергоатомиздат, 1986. -216 с.

28. Klein P. Active X in programmae SCADA/HMI application. // Automatizace.-1998. -№io, -C. 672-675.

29. The 3rd International Carpathian Control Conference. The department of Control Systems and Instrumentation, VSB-Technical University of Ostrava, -Ostrava: Acta of Mechanical Engineering Faculty TU, 2002.

30. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя М.: СОЛОН-Пресс, 2002. -768 с.

31. Мэтьюз Дж.Г., Финк К.Д. Численные методы. Использование MATLAB, -3-е издание.: Пер. с англ. М.: Издательский дом "Вильяме", 2001. - 720 с.

32. Дьяконов В.П. Simulink 4. Специальный справочник.-СПб: Питер, 2002.-520 с.

33. Дьяконов В.П., Круглое В. MATLAB. Идентификация и моделирование систем. Специальный справочник. СПб: Питер, 2002. —448 с.

34. Старостин В.И., Карпов В.В., Горюнов В.Н. Энергетика. Современное состояние и прогнозы. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. -68 с.

35. Елистратов В.В. Основные методы гидравлического аккумулирования энергии возобновляемых источников: Автореф. дисс. . д-ра техн. наук. -СПб, 1996. -37 с.

36. Бахмат Г.В., Степанов O.A. Нетрадиционные источники энергии. —Тюмень: ТюмГНГУ, 1997.-108 с.

37. Тюменцев А.Г. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. -Улан-Удэ: изд-во ВСГТУ, 2000г, -176 с.

38. Коновалов В.В. Состояние и перспективы развития энергетики. -Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2001.-114 с.

39. Шихин Н.Д. Малые энергоэкономичные комплексы с возобновляемыми источниками энергии. -М.: Готика, 2000. -263 с.

40. Возобновляемая энергетика: сб. науч. тр. московского ун-та. -М., 1999. -188 с.

41. У Куан Комбинированное использование солнечной и ветровой энергии с гидроаккумулированием. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -М., 1995. -16 с.

42. Бумагин Г.И., Суриков В.И. Электрогидродинамические преобразователи энергии: физические принципы и область применения. -Омск: Изд-во ОмГТУ, 1999.-76 с.

43. Solar Electricity /ed. by T. Markvart, -second ed., John Wiley & Sons, LTD, 2000. -280 p.

44. Дьяков А.Ф. Малая энергетика России: проблемы и перспективы. -М.: НТФ "Энергопресс", "Энергетик", 2003. -128 с.

45. Ветроэнергетика, малая гидроэнергетика и другие нетрадиционные виды электроэнергетики.: тезисы докладов /отв.ред. A.C. Востриков. — Новосибирск, Новосибирский гос. Техн. ун-т, 1993.-82 с.

46. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников электроэнергии в России /коллектив авторов. -СПб.: Наука, 2003, -314 с.

47. Тамоян Г.С. Магнитогидродинамические электрические машины и устройства. -М.: Изд-во МЭИ, 2000. -47 с.

48. Хрусталев В.А., Жидков К.П. Режимы работы и эксплуатации ТЭС. -Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 2000, -176 с.

49. Стерман Л.С., Лавыгин В.М., Тишин С.Г. Тепловые и атомные электростанции. -М.: Изд-во. МЭИ, 2000. -408 с.

50. Тувальбаев Б.Г. Системы производства и распределения энергии. -М.: Московский Государственный Открытый ун-т, 2002. -95 с.

51. Степанов И.Р. Парогазовые установки. Основы теории. Применение. Перспективы. -Апатиты.: изд. Кольского научного центра РАН, 2000. -169 с.

52. Ливинский А.П. Разработка эффективных автономных систем энергообеспечения поселков крайнего севера на основе использования дизельных энергетических комплексов. Автореф. дисс. канд. техн. наук. -М., 2000.

53. Чернов P.O. Автономная ветроэлектрическая установка. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -М, 2000. -21 с.58.0шмарин О.Н. Генераторный комплекс на основе МДП для малых ГЭС. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. -Н.Новгород, 1999. -18 с.

54. Бреусов В.П. Технологии преобразования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. -СПб.: Нестор, 2001.-105 с.

55. Тягунов М.Г. Нетрадиционная энергетика. -М.: изд-во МЭИ, 1999. -36 с.

56. Васильев Ю.Б., Севрук С.Д. Основы рабочих процессов солнечных и электрохимических энергоустановок. -М.: изд-во МАИ, 1999г. -90 с.

57. Mukund R. Patel Wind and Solar Power Systems. CRC Press LLC, 2000. -351 p.

58. Домбровский В.В., Коломейцева М.Б., Орахелашвили Б.М. Моделирование гидродинамических процессов малой ГЭС для задачи управления частотой гидроагрегата. // Электрические станции. -2002. -№2. -С. 37-44.

59. Домбровский В.В., Митрофанов В.Е. Разработка прикладной базы цифровых моделей подсистем автономного объекта производства электроэнергии. //

60. Международный форум информатизации: Тезисы докл. междунар. конф. "Информационные средства и технологии" -М., 2003. -Т.2. -С. 146-149.