автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов и средств повышения устойчивости электрической системы при конечных возмущениях

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА. ЗАДАЧИ.

1.1. Общие положения по исследованию переходных процессов в электроэнергетических системах

1.2. Методы исследования динамики электроэнергетических систем при конечных возмущениях.

1.3. Выводы.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПОСЛЕ КОНЕЧНЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СЛОЖНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

2.1. Применение метода гармонической линеаризации для анализа нелинейных колебаний в системах автоматического регулирования

2.2. Методика исследования переходных процессов в ЭЭС при конечных возмущениях.

2.3. Алгоритм и программа исследования жесткого возбуждения автоколебаний в ЭЭС.

2.4. Выводы

3. ПРИМЕНЕНИЕ РАЗРАБОТАННОЙ МЕТОДИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЭЭС ПШ КОНЕЧНЫХ ВОЗМУЩЕНИЯХ

3.1. Исследование динамики простейшей схемы ЭЭС

3.2. Исследование влияния различных факторов на условия жесткого возбуждения автоколебаний в ЭЭС

3.3. Исследование жесткого возбуждения автоколебаний в многомашинной системе

3.4. Предотвращение жесткого возбуждения автоколебаний в ЭЭС.ИЗ

3.5. Выводы.

4. ЭКСШРЖЁНТМЪНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В

ЭЭС НА. ЩИ'РО -АНАЛОГО -ШЗИЧЕСКОМ МОДЕЛИРУЮЩЕМ КОМПЛЕКСЕ

4.1. Описание схемы и параметров моделирующего комплекса

4.2. Экспериментальное исследование жесткого возбуждения автоколебаний в ЭЭС на ЦАФК.

4.3. Выводы.

Актуальность темы. Развитие одной из важнейших отраслей народного хозяйства СССР - энергетики характеризуется стремительным ростом числа и мощности электростанций, объединением их в Единую энергетическую систему Советского Союза. Одновременно повышаются требования к надежности их работы и качеству электроэнергии, что обеспечивается соответствующим управлением электроэнергетическими системами(ЭЭС), Одним из основных требований, предъявляемых к системам управления ЭЭС, является обеспечение устойчивости параллельной работы электростанций при различных эксплуатационных режимах и возмущающих воздействиях. Важное место при обеспечении устойчивости ЭЭС принадлежит автоматическим регуляторам возбуждения(АРВ) синхронных генераторов, выполняющим не только функции поддержания уровня напряжения в заданных точках сети, но и обеспечивающих эффективное демпфирование колебаний режимных параметров системы после малых и больших возмущений. Эффективность автоматического регулирования возбуждения в значительной степени зависит от принятых законов регулирования и настроечных параметров АРВ, правильного учета динамических свойств и нелинейностей регуляторов. Неправильная или неоптимальная настройка АРВ без учета реальных возмущений может привести к снижению качества электроэнергии в системе и нарушению устойчивости ЭЭС. В связи с этим необходимо совершенствование методики анализа переходных процессов в ЭЭС при различных возмущениях с учетом действия АРВ и выбора мероприятий по улучшению качества переходных процессов. Все это и обусловило постановку задачи данной диссертации.

Цель работы. Цель работы заключалась в расширении области применения частотных методов для исследования нелинейных колебаний после конечных возмущений в сложной автоматически регулируе

- о мой электроэнергетической системе.

В задачи исследования входило:

- разработать на основе соответствующей математической модели методику исследования электромеханических переходных процессов после конечных возмущений в сложной электроэнергетической системе с учетом динамических свойств и нелинейностей автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов;

- выявить возможность и условия жесткого возбуждения автоколебаний, обусловленных нелинейными свойствами АРВ, и разработать мероприятия по устранению этого явления;

- проверить теоретические положения и рекомендации на электродинамической модели энергосистемы.

Методика исследования - математическое и физическое моделирование. Для анализа динамики ЭЭС использовалась теория электрических систем, теория автоматического управления, частотные методы исследования нелинейных систем. Экспериментальные исследования проводились на цифро-аналого-физическом моделирующем комплексе.

Научная новизна. Разработана методика исследования жесткого возбуждения автоколебаний после конечных возмущений в сложных автоматически регулируемых электрических системах, основанная на представлении ЭЭС в виде одноконтурной типовой структуры метода гармонической линеаризации и частотных методах определения периодических режимов. Выявлены условия, при которых возможно жесткое возбуждение автоколебаний в ЭЭС, и факторы, оказывающие на эти процессы наибольшее влияние. Сформулированы требования по настройке современных и к разработке перспективных АРВ с целью устранения возможности жесткого возбуждения автоколебаний.

Практическая ценность. Предложенная методика, разработанный алгоритм и программа могут быть использованы научно-исследовательекими, проектными и наладочными организациями, электростанциями при проведении работ по выбору настроек АРВ синхронных генераторов и при создании перспективных регуляторов.

Реализация результатов работы. Разработанная методика и программа расчета областей устойчивости синхронных генераторов электрических станций при малых и конечных возмущениях внедрены в практику работы Чебоксарской ГЭС при выборе настроек АРВ гидрогенераторов.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее вопросы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: научно-технической конференции молодых ученых и специалистов Энергетического института им. Г.М.Кржижановского(апрель, 1982г.); Всесоюзной научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Баку, октябрь 1982г.); научной конференции Московского энергетического института, посвященной 60-летию образования СССР(декабрь 1982г.); У-ой Московской городской конференции молодых ученых и специалистов по повышению надежности, экономичности и мощности энергетического, электротехнического и радиоэлектронного оборудования(февраль 1983г.); Всесоюзном научно-техническом совещании "Вопросы устойчивости и надежности энергосистем СССР"(Ташкент, 1984г.); Итоговых научных конференциях Чувашского госуниверситета(1982,1983,1984 гг.); научных семинарах кафедры "Электрические системы" МЭИ.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 5 печатных работ.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, изложенных на 121 странице машинописного текста, содержит 47 рисунков, список литературы, включающий 85 наименований и двух приложений.

4.3. ВЫВОДЫ

I. Проведенные экспериментальные исследования на цифро-анало-го-физическом комплексе кафедры "Электрические системы" МЭИ, направленные на уточнение поведения синхронных генераторов при ко

5>

Рис. 4.17 Осциллограммы переходных процессов при одинаковом возмущении и настройке АРВ внутри(а) и вне(б) зоны жесткого возбуждения автоколебаний 3 -машинной системы

- 152' нечных возмущениях, показали что внутри экспериментально полученных областей статической устойчивости исследуемых систем для ряда схем и режимов можно выделить зону жесткого возбуждения автоколебаний при возмущениях, меньших предельных по динамической устойчивости.

2. Осциллографирование переходных процессов в САРВ исследуемого генератора при постепенном утяжелении возмущения показало наличие двух предельных циклов - неустойчивого и устойчивого. Неустойчивый предельный цикл является границей, при переходе через которую качественно меняется характер переходных процессов, от затухающих колебаний с одной стороны, до установления автоколебаний, то есть устойчивого предельного цикла, с другой.

3. Сравнение экспериментальных данных с результатами расчетов на ЗВМ по разработанной программе показали их достаточно хорошее совпадение.

4. Полученные экспериментально-расчетным путем АФЧХ разомкнутом САРВ генераторов при настройке APB в зоне жесткого возбуждения автоколебаний имеют характерную клювообразную форму. Определение таких характеристик в реальной энергосистеме может быть использовано для определения возможности в исследуемой системе жесткого возбуждения автоколебаний или для расчета зоны допустимых настроек АРВ, исключающих это явление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе работы были получены следующие основные результаты:

1. Разработана методика исследования жесткого возбуждения автоколебаний после конечных возмущений в сложных автоматически регулируемых электроэнергетических системах. Она основана на применении метода гармонической линеаризации и частотных методах определения параметров периодических решений. Электроэнергетическая система представляется в виде замкнутой динамической структуры путем замещения выделенного генератора и ЭЭС с помощью внешних частотных характеристик, представляющих собой зависящие от частоты отношения приращений комплексных амплитуд параметров регулирования АРВ к приращению напряжения возбуждения.

2. Получено математическое описание электроэнергетической системы для определения внешних частотных характеристик синхронного генератора в сложной ЭЭС, отражающих динамические свойства как самого генератора для данного режима, так и всей системы в целом.

3. Для реализации методики разработан алгоритм и программа, предназначенная для выделения зоны возможного жесткого возбуждения автоколебаний, а также для определения параметров периодических режимов и их устойчивости.

4. С помощью разработанной методики исследованы переходные процессы в ЭЭС после реальных конечных возмущений. Проанализировано влияние на них схем и режимов энергосистем, а также динамических свойств различных систем возбуждения и АРВ генераторов. Показано, что причиной возможного жесткого возбуждения автоколебаний в энергосистемах с генераторами, оснащенными АРВ сильного действия, является "клювообразная" форма годографа разомкнутой

- 154 линейной части системы автоматического регулирования возбуждения выделенного генератора и наличие в ней нелинейности типа насыщения.

5. Проведенный с помощью методов планирования экспериментов отсеивающий эксперимент позволил выявить факторы, оказывающие наибольшее влияние на положение годографа разомкнутой линейной части системы в области существенных частот ЭЗС, а значит и на условия жесткого возбуждения автоколебаний. Такими факторами являются постоянные времени обмотки возбуждения генератора и общего канала регулирования АРВ, а также режим работы генератора.

6. На основании проведенного анализа причин и факторов, влияющих на условия жесткого возбуждения автоколебаний, предложены мероприятия по устранению этого явления. Рекомендуется существующую методику выбора настройки современных АРВ дополнить расчетом зоны внутри области статической устойчивости, исключающей возможность жесткого возбуждения автоколебаний; в случае, если полученная зона мала, рекомендуется рассмотреть возможность изменения значений вспомогательных стабилизирующих параметров (/' , ¿у ), и введения нелинейной коррекции динамических свойств АРВ.

7. Экспериментальные исследования на цифро-аналого-физичес-ком моделирующем комплексе кафедры "Электрические системы" МЭЙ, проведенные для различных схем и режимов моделируемой электроэнергетической системы, подтвердили основные характерные особенности переходных процессов в ЭЭС при конечных возмущениях, выявленные с помощью разработанной методики.

1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах.- М.: Энергия, 1978,- 415 е., ил.

2. Строев В.А. Вопросы синтеза систем автоматического регулирования в электроэнергетике.- В кн.: Кибернетику на службу коммунизму, т.8, М., 1977, с. 202-213.

3. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины.- М.-Л.: ГЭИ,1950.- 551 с.

4. Жданов II.С, Вопросы устойчивости электрических систем/ Под ред. Л.А.Жукова.- М.: Энергия, 1979.- 455 с.

5. Планирование развития и эксплуатации энергосистем. Переводы и обзор докладов международной конференции по большим электрическим системам. СИГРЭ-78/ Под ред. В.А.Веникова.- М.: Энерго-издат, 1981,- 88 с.

6. Литкенс И.В. Нелинейные колебания в регулируемых электрических системах.- М.: МЭИ,1974.- 145 с.

7. Урусов И.Д. Линейная теория колебаний синхронной машины.- М.: Изд. АН СССР, 1950.- 165 с.

8. Андронов A.A., Витт Г.Т., Хайкин В.И. Теория колебаний.- М.: Наука, 1981.- 558 с.- 156

9. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления.- М.: Наука, 1979.- 255 с.

10. Глебов И.А. Системы возбуждения мощных синхронных машин.-Л.: Наука, 1979.- 314 с.

11. Исследование взаимных качаний гидрогенераторов Саяно-Шушен-ской ГЭС и турбогенераторов Итатских ГРЭС и способов обеспечения устойчивости с помощью аварийного регулирования паровых турбин и AHB: Отчет/ ВЭИ; Инв. Р В575074.- М., 1978.123 с.

12. Иванов С.А., Шамец С.П., Шахаева О.М. Исследование влияния динамических характеристик АРВ на жесткое возбуждение автоколебаний.- Труды/ ЛПИ, 1980, №369, с. 21-24.

13. Веников В.А. Теория подобия и моделирования.- М.: Высшая школа, 1976.- 479 с.

14. Штробель В.А. Физическая модель кафедры "Электрические системы" МЭИ.- ■'■руды/ МЭИ, Вып.77, 1970, с. 41-51.

15. Лукашов З.С. Введение в теорию электрических систем.- Новосибирск: Наука, 1981.- 174 с.

16. Применение аналоговых вычислительных машин в электрических системах. Методы исследования переходных процессов/ Под ред. Соколова Н.И.- М.: Энергия, 1970.- 400 с.

17. Матвеев В.А. Анализ и оптимизация динамики регулирования электроэнергетических процессов с применением частотных методов и симплексного поиска: Автореш. Дис. .канд. техн. наук.- Л., 1982.- 20 с.

18. Щедрин H.H. Упрощение электрических систем при моделировании.-М.-Л.: Энергия, 1936.- 159 с.

19. Вавилов A.A., Солодовников А.И. Экспериментальное определение частотных характеристик автоматических систем.- М.-Л.: ГЭИ, 1953.- 252 с.- 157

20. Лукашов Э.С., Бушуев В.В 0 структурных схемах и частотных характеристиках электрических систем.- Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук, 1938, Р8, вып.2, с. 3-10.

21. Воронин В.К. Внешние частотные характеристики гидрогенератора Братской ГЭС.- Труды/ СибНИИЭ, 1970, вып.17, с. 42-46.

22. Применение частотных методов для оценки оптимальности настройки АРВ-СД гидрогенераторов Усть-йлимской ГЭС/ Воронин В.К., Ермолаев Ю.А., Якушов В.М., Тульчинский Г.А.- Электрические станции, 1981, №12, с. 45-48.

23. Электрические системы. Управление переходными режимами электроэнергетических систем/ Веников В.А., Зуев Э.Н., Портной М.Г. и др.- М.: Высшая школа, 1982.- 247 е., ил.

24. Исследование влияния варианта системы возбуждения на частотные характеристики синхронных генераторов: Отчет/ МЭЙ; Рук. работы Морозова Ю.А. № ГР 73051842.- М., 1978.- 112 с.

25. Веников В.А., Суханов О.А. Кибернетические модели электрических систем.- М.: Энергоиздат, 1982.- 328 с.

26. Общая характеристика комплексной программы расчета устойчивости сложных энергосистем/ Лоханин Е.К.,Усков А.В., Васильева О.Н. и др.- Труды/ БНИИЭ, 1976, вып.51, с. 28-35.- I5S

27. Шамец С.П. Разработка алгоритмов и исследование процессов регулирования возбуждения генераторов при малых и конечных возмущениях.- Дис. .канд. техн. наук.- JI., 1978.- 173 л.

28. Ракитский Ю.В. Численные методы решения жестких систем.- М.: Наука, 1979.- 208 е., ил.

29. Страхов C.B., Вайман М.Я. Современное состояние и возможности практического применения второго метода Ляпунова для расчета динамической устойчивости электроэнергетических систем.-Электричество, 1977, PIO, с. 1-7.

30. Попов Е.П., Пальтов И.П. Приближенные методы исследования нелинейных автоматических систем,- М.: Физматгиз, 1930.792 с.

31. Попов Е.П. Прикладная теория процессов управления в нелинейных системах.- М.: Наука, 1973.- 584 с.

32. Гольдфарб Л.С. О некоторых нелинейностях в системах регулирования.- Автоматика и телемеханика, 1947, Рэ, с. 349-383.

33. Теория автоматического управления/.Под общ. ред. Нетушила А.В.-ч.2, М.: Высшая школа, 1972.- 430 с.

34. Васин В.П., Литкенс И.В. Работа электрических систем с АРВ сильного действия вблизи границы области устойчивости.-Электричество, 1954, Р5, с. 24-31.

35. Методика расчетов устойчивости автоматизированных электрических систем.- М.: Высшая школа, 1965.- 248 с.

36. Гессе Б.А. Исследование систем регулирования возбуждения генераторов при вводе в эксплуатацию крупных гидроэлектростанций (на примере Братской ГЭС).- Дис. .канд. техн. наук,-М., 1970.- 281 л.

37. Литкенс И.В. Разделение плоскости настроечных параметров АРВ сильного действия синхронной машины.- Электричество, 1970,1. Р7, с. 53-.

38. Сулайманов И.К. Некоторые вопросы исследования вынужденных колебаний при асинхронном ходе в электрической системе.-Дис. .канд. техн. наук.- M., 1974.- 220 л.

39. Гамилко В.А., Кондрашкина В.Н., Щербачев О.В. Методика расчета на ЦВМ колебательных процессов в нелинейных системах.-Труды/ЛПИ,'1976, №350, с. 9-13.

40. Вавилов A.A. Частотные методы расчета нелинейных систем.-Л.: Энергия, 1970.- 323 с.

41. Метод гармонической линеаризации в проектировании нелинейных систем автоматического управления/ Под ред. Топчеева Ю.Й.-М.: Машиностроение, 1970.- 537 с.

42. Карасев Е.Д. Разработка рационального математического описания и алгоритмов анализа статической устойчивости сложных электроэнергетических систем.- Дис. .канд. техн. наук.-М., 1981.- 169 л.

43. Методические указания по определению устойчивости энергосистем." М.: СПО "Союзтехэнерго", 1979.- 4.1, 184 с.

44. Применение цифровых вычислительных машин в электроэнергетике: Учебное пособие для вузов/ Щербаче О.В., Зейлигер А.И., Ка-домская К.П. и др.- Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980.240 с.

45. Теория автоматического регулирования/ Под ред. Солодовнико-ва В.В.- М.: Машиностроение, 1969.- Кн.З, 4.1, 608 с.

46. Воронин В.К. Расчет зон устойчивости по экспериментальным частотным характеристикам.- Труды/ СибШИЭ, 1972, вып.23, с • *

47. Жененко Г.Н., Порфирьев В.Б., Темирбулатов P.A., Шамец С.П. Использование частотных характеристик электрических систем для расчетов их колебательной устойчивости и качества регулирования.- Труды/ ЛПИ, 1977, №357, с. 29-34.- IôO

48. Груздев ИД., Нгуен Биет Тинь, Терешко JIД. Использование внешних частотных характеристик для оценки степени устойчивости электрической системы.- Техническая электродинамика, 1980, №3,- с. 59-54.

49. Андерсон П., £>уад А. Управление энергосистемами и устойчивость.-М.: Энергия, 1980.- 558 с.

50. Электрические системы. Математические задачи электроэнергии/ Веников БД., Зуев Э.Н., Литкенс И.В. и др.- М. : Высшая школа, 1981.- 288 с.

51. Покровский М.И., Любарская Н.В. Математическое описание полупроводникового регулятора возбуждения сильного действия для расчетов статической и динамической устойчивости.- Труды/ ВЭИ, №89, 1980, с. 27-30.

52. Воронин В.К., Репина В.К. Сравнение расчетных и эксперименталь-\ ных внешних частотных характеристик сиюфонного генератора.

53. Труды/ СибНИИЭ, 1972, вып.23, с. 55-51.

54. Юревич Е.И. Теория автоматического управления.- Л.: Энергия, 1975.- 414 с.

55. К учету АРВ сильного действия в расчетах динамической устойчивости на ЦВМ/ Карпов ВД., Любарская Н.В., Любарский В.Г. и др.- Труды/ ВЭИ, 1972, вып.81, с. 158-158.

56. Исследование некоторых способов улучшения структуры унифицированного АРВ сильного действия/ Зеккель А.С., Кожевников В.А., Сирый Н.С. и др.- В кн.: Проблемы электроэнергетики и электромеханики. М., Наука, 1977, с. 55-53.- 131

57. Налимов B.B., Чернова H.A. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов.- М.: Наука, 1955.- 340 е., ил.

58. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов/ Хартман К., Лецкий 3., Шефер В. и др.- М.: Мир, 1977.447 с.

59. Теоретические основы планирования экспериментальных исследований." М.: МЭИ, 1973.- 180 с.

60. Воронин В.К. Влияние параметров и настройки обратной связи АРВ на зоны устойчивости синхронного генератора,- Труды/ СибНИИЭ, 1970, вып.17, с. 93-100.

61. Иванов С.А., Шахаева О.М. Динамические характеристики автоматических регуляторов возбуждения в режимах нелинейных колебаний.- Труды/ ЛПИ, 1982, №385, с. 13-15.

62. Энергетика и транспорт, 1972, №1, с. 58-77.

63. Веников В.А., Литкенс И.В., Пуго В.И. Демпферные коэффициенты.- М.: МЭИ, 1979.- 72 с.

64. ГОСТ I0I69 77. Машины электрические трехфазные синхронные. Методы испытаний.- 73 с.

65. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники.- М.: Высшая школа, 1978.- 528 с.

66. Белова Д.А., Кузин P.E. Применение ЭВМ для анализа и синтеза автоматических систем управления.- М.: Энергия, 1979.- 254 с.

67. Любарский В.Г., Филатов В.И., Любарская Н.В. Метод расчета области устойчивости энергосистемы и выбора настройки AFB по параметрам переходной функции системы.- Электрические станции, 1982, Ш, с. 40-43.

68. Богданов М.В. Методика приближенного анализа нелинейных колебаний в регулируемой электрической системе.- В кн.: Надежность и оптимизация систем электроснабжения промышленных предприятий/ Чуваш, ун-т. Чебоксары, 1982, с. 94-97.

69. Рис. П1 Структурная схема АРВ СД1. ПШЮЖЕНИЕ I

70. Математическое описание систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов

71. Высокочастотная и бесщеточная системы возбуждения с АРВ пропорционального действия.

72. Настроечными параметрами, влияющими на динамические характеристики САРВ, и в координатах которых рекомендуется строить области устойчивости, являются /( и Тос .

73. Тиристорная система возбуждения с АРВ сильного действия. Тиристорный возбудитель с системами управления представляет собой практически безинерционное звено, поэтому математическое описание его имеет простой виду

74. Основная задача моделирования этого типа САЕВ сводится к моделированию автоматического регулятора возбуждения сильного действия, который имеет несколько модификаций.

75. Частичный коэффициент усиления отличается от полного на величинулкоэффициента общего канала регулирования =

76. Наиболее существенными нелинейностями являются ограничения выходного сигнала регулятора, выходного напряжения УМС и напряжения возбудителя.

77. Модификация 2. Полупроводниковый автоматический регулятор возбуждения типа АРВ СДП. Структурная схема регулятора приведена на рис.2.7. Передаточные функции элементов имеют вид /33/ блок напряжения1. Л.-ч 1\'1

78. Кит(р} Ю7'Ю'*'Р +Ъ79ЧОЧ-р*)т1;канал производной тока ротора

79. К (р)в«<Е-рт«*0,Ч6ЧСГ1-р)'4;суммирующий усилитель общего канала регулирования1. Ч ДО=кг(**0' 'рУН+Ч66 рУфильтр общего каналар)а(1+0,5-10'*-рУ1;блок обратной связи1. Кос^-^хос^РГ'

80. Наряду с ограничениями, аналогичными в АРВ СД, в АРВ СДП могут быть учтены дополнительные ограничения, связанные с ограничением сигналов в операционных цепях.