автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синергетический синтез нелинейных систем взаимосвязанного управления турбогенераторами

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМИ ГЕНЕРАТОРАМИ ЭНЕРГИИ -ТУРБОГЕНЕРАТОРАМИ.

1.1. Динамические свойства турбогенераторов.

1.2. Основные сведения из теории синхронных машин.

1.3. Математические модели турбогенераторов.

7.3.1 Модели автономных синхронных генераторов.

1.3.2. Модели турбогенераторов, работающих на энергосистему большой мощности.

1.4. Методы управления синхронными генераторами.

1.5. Методы управления турбинами.

1.6. Метод синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов.

Актуальность темы. Наиболее распространенными и высокоэффективными электромеханическими генераторами электроэнергии являются турбогенераторы. Их основными свойствами являются нелинейность, многомерность, колебательность и динамическая взаимосвязь между турбиной и синхронным генератором. Свойство колебательности проявляется в самораскачивании, самовозбуждении генераторов, появлении автоколебаний, но наихудшим случаем является воздействие на турбогенераторы низкочастотных гармонических возмуш;ений со стороны энергосистемы. Такие возмущения способствуют появлению системных колебаний, что может привести к нарушению устойчивости энергосистемы, асинхронному ходу и вообш,е развитию системной аварии.

Суш,ественный вклад в развитие теории переходных процессов синхронных машин, теории автоматического регулирования синхронными машинами и теории устойчивости электрических систем внесли видные российские и зарубежные ученые - М.П. Костенко, A.A. Горев, Р. Парк, Л. Дрейфус, М.М. Ботвинник, В.А. Веников, И.В. Литкенс, С. Крери, Н.И. Боголюбов, П.С. Жданов, CA. Лебедев, Э. Кимбарк, М.В. Мееров, Г.В. Михневич, Л.В. Цукерник и другие.

Турбогенераторы, а также электростанции в целом, снабжаются автоматизированными системами управления, призванными обеспечить высокую надежность эксплуатации. Однако эти средства обладают, как это ни парадоксально, целым рядом скрытых и поэтому принципиально неустранимых недостатков, которые связаны вовсе не с техническим или сервисным их исполнением. Все дело в том, что конструкторами в основу проектирования систем управления такими существенно нелинейными многосвязньми техническими объектами, какими являются турбогенераторы, положена линейная классическая теория управления.

В настоящее время системы управления возбуждением и частотой вращения турбогенераторов, как правило, проектируются в виде отдельных независимых линейных подсистем, в то же время очевидно, что каналы управления возбуждением и частотой вращения, несомненно, оказывают существенное влияние друг на друга, т.к. турбина и синхронный генератор - это взаимосвязанные нелинейные объекты, как в составе отдельного турбогенератора, так и особенно между всей группой турбогенераторов энергосистемы. Указанное взаимодействие особенно усиливается в пиковых и аварийных ситуациях, когда эти объекты работают в режимах больших отклонений и, следовательно, значительно проявляются их нелинейные свойства.

Изложенные здесь особенности турбогенераторов указывают на то, что в настоящее время возникает неотложная потребность в решении принципиально новой проблемы синтеза и проектирования нелинейных векторных регуляторов с каналами взаимосвязанного согласованного управления напряжением возбуждения и частотой вращения как одного, так и группы турбогенераторов. Причем должна обеспечиваться компенсация внешних низкочастотных гармонических возмущений, действующих на турбогенераторы со стороны энергосистемы. Обзор литературы по управлению турбогенераторами показал, что такие задачи должным образом не решаются существующими методами синтеза систем управления турбогенераторами.

Таким образом, актуальность темы исследования определяется необходимостью разработки методов аналитического синтеза нелинейных векторных регуляторов для турбогенераторов по их полным нелинейным моделям с каналами взаимосвязанного согласованного управления возбуждением и частотой вращения генераторов. Эти регуляторы должны также обеспечить подавление внешних возмущений.

Цели работы и основные задачи исследования. Целями диссертационной работы является разработка методики аналитического синтеза нелинейных векторных синергетических законов управления турбогенераторами энергосистем с учетом их полных нелинейных моделей, а также разработка нелинейных динамических регуляторов для турбогенераторов. Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

• исследование моделей турбогенераторов и формирование системы инвариантов для данного объекта управления;

• разработка методики синтеза синергетических нелинейных векторных законов управления турбогенератором, работающим на энергосистему большой мощности;

• разработка методики синтеза нелинейного векторного согласованного управления группой турбогенераторов, работающих на энергосистемы большой мощности;

• разработка методики синтеза синергетических нелинейных векторных законов управления автономным турбогенератором классического исполнения и продольно-поперечного возбуждения;

• синтез нелинейных динамических регуляторов для турбогенератора, которые обеспечивают наблюдение неизмеряемого внешнего низкочастотного гармонического возмущения, его компенсацию, а также наблюдение неизмеряемых переменных состояния турбогенератора;

• синтез нелинейного динамического адаптивного регулятора для турбогенератора.

Методы исследования. При решении поставленных задач в работе использовались теория дифференциальных уравнений, синергетическая теория управления, методы математического моделирования динамических систем.

Структура работы. В первой главе даны основные сведения и определения из теории синхронных машин, используемые в работе. Выполнен обзор суш,ествующ,их методов управления и основных методик синтеза систем управления синхронными генераторами и турбинами. Изложены основные положения синергетического подхода в теории управления и методика синтеза синергетических законов управления нелинейными много связными объектами.

Во второй главе на основе синергетической теории управления, развитой в работах профессора Колесникова A.A., разработана процедура синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов как для отдельного турбогенератора, так и для группы турбогенераторов, ра-ботаюш;их на энергосистему большой мощности. Синтезированные законы управления обеспечивают компенсацию внешнего низкочастотного гармонического возмущения, а замкнутые системы обладают свойством асимптотической устойчивости в целом относительно вводимых инвариантных многообразий, что обеспечивает повышенную робаст-ность нелинейных систем управления.

В третьей главе разработана процедура синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов для автономного турбогенератора. Рассмотрены турбогенератор классического исполнения и турбогенератор продольно-поперечного возбуждения.

Четвертая глава посвящена нелинейным динамическим регуляторам для турбогенератора, работающего на энергосистему большой мощности. Динамический регулятор осуществляет наблюдение как неиз-меряемых переменных состояния турбогенератора, так и неизмеряемо-го внешнего низкочастотного гармонического возмущения, действующего на турбогенератор со стороны энергосистемы. Рассмотрен синтез нелинейного динамического адаптивного регулятора для этого же объекта управления.

Обш;ее заключение по диссертационной работе содержит перечень основных результатов и следующих из них выводов. Программы аналитического синтеза, синтезированные законы управления и акт внедрения приведены в приложении.

Научная новизна. В работе получены и выносятся на защиту основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1) методика синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов для турбогенератора, работающего на энергосистему большой мощности;

2) методика синергетического синтеза законов нелинейного векторного согласованного управления группой турбогенераторов, работающих на энергосистемы большой мощности;

3) методика синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов для автономного турбогенератора классического исполнения и продольно-поперечного возбуждения;

4) нелинейный динамический регулятор для турбогенератора, обеспечивающий наблюдение как неизмеряемых переменных состояния турбогенератора, так и неизмеряемого внешнего низкочастотного гарманического возмущения, и компенсацию этого возмущения;

5) нелинейный динамический регулятор для турбогенератора, обеспечивающий адаптацию к изменениям параметров турбогенератора.

Практическая ценность работы. Предложенные в работе методы синтеза нелинейных векторных регуляторов для турбогенераторов позволяют проводить аналитический синтез систем управления по полным нелинейным моделям объектов управления и конструировать нелинейные динамические регуляторы с подавлением неизмеряемых воз-мугцений, с наблюдением неизмеряемых переменных состояния объекта, а также с адаптацией к изменениям параметров объекта.

Разработанные прикладные методы синтеза нелинейных векторных регуляторов позволяют реализовать эффективное векторное управление как автономными турбогенераторами, так и турбогенераторами, работаюш;ими на энергосистемы большой мош;ности.

Реализация результатов работы. Тема диссертационной работы непосредственно связана с тематикой фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ кафедры систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета, выполненных в рамках международного проекта VTB (номер контракта 840/02069031/96001), а также в работах для НПО «Монта-жавтоматика».

Публикации и апробация работы. Материалы диссертации опубликованы в 9 научных работах и докладывались на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 8-9 октября 1998 г., Таганрог; Международной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий (НН 1999)», Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики, 22-24 июня 1999 г.; XLV научно-технической и научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ, 2000, Таганрог; The First International Conference «Control and Self-Organization in Nonlinear Systems*, February 15-18, 2000, Bialystok-Suprasl, Poland; The 7th IEEE Workshop on Computers in Power Electronics, July 16-18, 2000, Virginia; The 36th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, July 29 - August 2, 2001, Savannah, Georgia.

Результаты, изложенные в работе, получены автором лично.

Основные результаты работы заключаются в следующем: распространен синергетический подход в теории управления на нелинейные многосвязные системы - турбогенераторы болыпой и ограниченной мощности; сформированы технологические инварианты, отражающие желаемые состояния турбогенераторов; разработана процедура синергетического синтеза векторных регуляторов как для отдельного турбогенератора, так и для группы турбогенераторов большой мощности по их полным нелинейным моделям. Синтезированные законы управления являются законами управления нового класса, т.к. они получены аналитически по полной нелинейной модели турбогенератора и учитывают взаимосвязь каналов управления возбуждением СГ и турбиной; разработана процедура синтеза нелинейных векторных регуляторов для турбогенераторов, которые обеспечивают компенсацию внешнего низкочастотного гармонического возмущения. Синтезированные системы обладают свойством асимптотической устойчивости в целом относительно вводимых инвариантных многообразий, что обеспечивает повышенную робастность нелинейных систем управления; разработана процедура синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов для автономного турбогенератора классического и продольно-поперечного возбуждения. Синтезированные законы управления обеспечивают выполнение всех технологических инвариантов. Замкнутые системы обладают свойством асимптотической устойчивости в целом относительно вводимых инвариантных многообразий;

• дана обобщенная формулировка основных этапов решения задачи синергетического синтеза нелинейных векторных регуляторов для турбогенераторов с взаимосвязанными каналами управления;

• на основе метода АКАР разработан НДР для турбогенератора, работающего на энергосистему большой мощности. Динамический регулятор осуществляет наблюдение как неизмеряемых переменных состояния турбогенератора, так и наблюдение неизмеряемого внешнего низкочастотного гармонического возмущения, действующего на турбогенератор со стороны энергосистемы;

• рассмотрено применение синергетического подхода в теории управления к синтезу адаптивного регулятора для турбогенератора, работающего на энергосистему большой мощности. Синтезированный регулятор, помимо реализации своих прямых задач - стабилизации ЭДС СГ, стабилизации частоты вращения турбогенератора, компенсации внешнего низкочастотного гармонического возмущения, осуществляет наблюдение параметров турбогенератора.

Тема диссертационной работы непосредственно связана с тематикой фундаментальных и прикладных научно-исследовательских работ кафедры систем автоматического управления Таганрогского государственного радиотехнического университета, выполненных в рамках международного проекта УТВ (номер контракта 840/02069031/96001), а также в работах для ННО «Монтажавтоматика».

Материалы диссертации опубликованы в 9 научных работах и докладывались на

Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», 89 октября 1998 г., Таганрог;

134

Международной конференции «Нелинейные науки на рубеже тысячелетий (НН 1999)», Санкт-Петербургский государственный институт точной механики и оптики, 22-24 июня 1999 г.;

XLV научно-технической и научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников ТРТУ, 2000, Таганрог;

The First International Conference «Control and Self-Organization in Nonlinear Systems», February 15-18, 2000, Bialystok-Suprasl, Poland;

The 7th IEEE Workshop on Computers in Power Electronics, July 1618, 2000, Virginia;

The 36th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, July 29 - August 2, 2001, Savannah, Georgia.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Выснгая школа, 1984.

2. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях: Учеб.пособие для вузов/ Под ред. В.А. Веникова. М.: Энергоатомиздат, 1983.

3. Вайман М.Я. Исследование систем, устойчивых «в большом». М.:1. Наука, 1981.

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

5. Бушуев В.В., Лизалек H.H., Новиков Н.Л. Динамические свойстваэнергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1995.

6. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Наука,1985.

7. Воронов A.A. Введение в динамику сложных управляемых систем.1. М.: Наука, 1985.

8. Расчеты и анализ режимов работы сетей./ Под ред В.А. Веникова.1. М.: Энергия, 1974.

9. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М.: Энергоатомиздат,1989.

10. Андерсон Н.Л., Фуад А. Управление электрическими системами иустойчивость. М.: Энергия, 1980.

11. Портной Н.Г., Рабинович P.C. Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости. М.: Энергия, 1978.

12. Постников И.М. Обобш;енная теория и переходные процессы электрических машин. М.: Высшая школа, 1975.

13. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем. М.: Энергия, 1979.

14. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: Наука, 1999.

15. Литкенс И.В., Пуго В.И. Колебательные свойства электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.16