автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Совершенствование методов расчета статической устойчивости и алгоритмов регуляторов возбуждения

о л

На правах рукописи

Шанбур Ибрагим Жорж

УДК 621.313.322

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОС ТИ И АЛГОРИТМОВ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - электрический станции

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург -1998 г.

Работа выполнена на кафедре " Электрические системы и сети " Санкт-Петербургского Государственного Технического Университета и в лаборатории № 33 ВНИИЭлектромаш.

Научный руководитель — доктор технических наук, ст. н. с.

А. А. Юрганов

Официальные оппоненты — доктор наук, профессор

С. М.Устинов

— кандидат технических наук И. А. Приходько

Ведущая организация — АО "ЭЛЕКТРОСИЛА"

Зашита состоится 1998 г. в \/) часов на заседании

диссертационного Совета К 063.38.24 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29, главное здание, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

Автореферат разослан " " 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета К 063.38.24 к.т.н., доцент

В. А. Масленников

Общая характеристика работы Актуальность темы. Непрерывно растущая мощность электроэнергетических систем (ЭЭС), увеличение в них доли генераторов с ухудшенными параметрами, наметившаяся тенденция перевода их в режим потребления реактивной мощности с целью нормализации уровней напряжений в сети осложнили проблему обеспечения устойчивости ЭЭС. Все эти негативные факторы явились причиной участившихся нарушений колебательной устойчивости ЭЭС, подчеркивая актуальность и практическую важность решения данной проблемы. Актуальность проблемы статической устойчивости сложных ЭЭС в значительной мере определяется и неполной в теоретическом отношении ее проработанностью. Указанные обстоятельства требовали совершенствования методов исследований, глубокого изучения динамических свойств ЭЭС. На этом этапе важнейшее значение имели разработки методов численного решения задач статической устойчивости, проведение широких расчетных и натурных исследований (ВПИЮ, ВЭИ, ВНИИЗлектромаш, Ленгидрспроект, МЭИ, ЛПИ, НИИПТ, СибНИИЭ, ЭНИН и др.). Результаты их сыграли огромную роль в формировании основных представлений о динамических свойствах ЭЭС, заложили методические основы последующих, более углубленных проработок проблемы. Вместе с тем направленные на решение частных задач и вопросов исследования носили разрозненный характер, не имели объединяющей концепции. Успехи, достигнутые в применении вычислительных методов и средств исследований, затенили теоретические аспекты проблемы. Трудной и малоразработанной остается задача определения областей устойчивых режимов ЭЭС, четко не определена концепция выбора настроек АРВ. Он связан с проведением обстоятельных, довольно трудоемких метрических исследований, усложненных широким спектром условий функционирования ЭЭС. Необходимы методы, которые позволяли бы, отвлекаясь на предварительном этапе от детального математического моделирования, строить диаграммы режимов, в которых регулируемая ЭЭС обладает некоторой областью устойчивости в пространстве параметров настройки АРВ, оценивать предельные по условиям колебательной устойчивости режимы.

Другой важной проблемой является совершенствование алгоритмов и структуры АРВ-СД для обеспечения его адаптации к изменения схемно-режимной ситуации ЭЭС.

Решать обе эти задачи целесообразно на основе качественно нового подхода. Таким образом разработка новых методов оценки устойчивости синхронных маппш, работающих в ЭЭС, и принципиально нового закона регулирования АРВ-СД определили постановку задачи диссертации.

Пели работы

1. Разработка достаточно простого и в то же время надежного метода оценки статической устойчивости синхронного генератора любого типа, работающего в сложной энергосистеме.

2. Исследование влияния параметров системы автоматического регулирования возбуждения (САРВ) на областей статической устойчивости турбо и гидрогенераторов.

3. Развитие (САРВ), путем применения новых регуляторов возбуждения, нечеткого типа.

*

Новые научные результаты.

1. Разработана обобщенная структурная схема САРВ, которая позволяет исследовать устойчивость работы в энергосистеме синхронных генераторов любых типов.

2. Разработан Экспресс-метод определения границ в координатах режимных параметров электропередачи Р-О, 1а - 1г позволяет оперативно оценивать влияние параметров и типа генератора, внешней сети, типа и настройки АРБ на сгатическую устойчивость. Метод доведен до разработки соответствующих алгоритмов и программ. Для его применения от персонала не требуется знания теории устойчивости и специальных разделов математики.

3. Разработаны закон и алгоритм адаптивного регулятора возбуждения сильного действия ФСДП на базе нечеткой логики. Это направление является новым в русском электромашиностроении.

4. Проанализирована статическая устойчивость турбогенератора, оснащенного ФСДП. Приведено сравнение качества регулирования со стандартным аналоговым ЛРВ-СДП1. Показаны существенные преимущества нечеткого регулятора.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Практическая ценность диссертации состоит результатов работы состоит в разработке технически реализуемых алгоритмов и программ оценки статической устойчивости синхронных генераторов любых типов, работающих в сложной энергосистеме. Они доведены до практической реализации и примяты к использованию НИИЭлектромаш, Санкт-Петербург при разработке типовых программ, поставляемых на электростанции. Алгоритмы нечеткого регулятора возбуждения примяты для разработки опытно-промышленного образца.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научных семинарах НИИэлектромаша и кафедры электрических системы и сети СПбГТУ, и на двух конференциях (I Междуна-

родной (Ш Всероссийской) конференции по электромсханотронике ЭМТ-97. Май 1997. Санкт-Петербург. С.164-168. И Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. Санкт-Петербург, 22-26 июня 1998г.

структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, выключающего 66 наименования. Основная часть работы изложена па 114 страницах машинописного текста. Работа содержит 52 рисунков и 9 таблиц.

Содержание

Во введении обоснована актуальность исследования, определены цели и основные задачи диссертационной работы, изложена ее структура.

Глава 1. Рассмотрена история развития систем автоматического регулирования (САРВ) синхронных генераторов и дан обзор современных российских и зарубежных регуляторов возбуждения (АРВ). Наибольшее внимание уделено двум имеющим наиболее полный набор реализуемых функций образцам АРВ-СДП1 (Россиия) и иМТЯОЦфирма АВВ). Установлено, что в настоящее время на электростанциях работают два типа АРВ — пропорционального (ПД) и сильного (СД) действия, а АРВ-СДП1 и 1М1-ТТШЬ имеют практически одинаковую структуру закона регулирования. Наибольшее влияние на устойчивость и переходные процессы ЭЭС оказывают АРВ-СД, осуществляющие кроме регулирования напряжения по ПИД-закону стабилизацию режима по производным режимных параметров. Поэтому для исследования принят регулятор возбуждения АРВ-СДП1.

Разработана методика математического моделирования современных быстродействующих систем возбуждения с регуляторами возбуждения любых типов в виде

А11г= -(Ке + Ке'р) АЕЧ + (Кд + Ке'р)Д9, (1)

где ДХ^ - отклонение напряжения возбуждения. А Еч - отклонение ЭДС синхронного генератора. Д#- отклонение полного угла. Для регулятора АРВ-СДП1 значения коэффициентов (1): Ке=Кои-(1-а).сов(вг)

Мр?)

Ке = К1„.(1 - а). сов(<9г) + Кц/. Г,у - Ку.т{ 1 - а). Кв=К0и.(1-а).Мг К' = (1-а) •(*,„■ А/г+ "

и г

Кв=К0и.(1-а).Мг

Кг1г-т-Л

иг

Мг, Ьр - коэффициенты, зависящие от типа генератора и исходного режима.

Мг = Еч ■ $т{бг) +•1--1—г-5-1 •

А',

{х*- Хч)-11 -соь(в \ в г)

хк

При Х,1 = Хя то есть для турбогенератора Мг = Еч^п{0г) 1,г = Ед-соз(0г) где

а = Х<1 - коэффициент, характеризующий связь с системой,

Хс

т—коэффициент, зависящий от единиц измерения частоты. Если га измеряется в Гц, то т-1 /(2п), если в рад/с. То т=\. Ея- ЭДС за поперечной реактивностью машины. в г, ввп,9- внутренний, внешний и полный углы электропередачи. Ко,. К,и - коэффициенты усиления регулятора возбуждения (к.у.р.в.) по отклонению и первой производной напряжения машины.

КщК\г к.у.р.й. по отклонению и первой производной частоты. Кщ- к.у.р.в. по первой производной тока возбуждения машины. К/- обобщенный коэффициент, который по сигналу/и правильно отражает совместное действие реальных каналов (.Ко/К 1!р напряжение возбуждения. р- знак дифференцировшшя по времени.

Разработана также математическая модель генератора любого типа (турбо- или гидро), работающего в сложной ЭЭС. Она имеет две выходных координаты - АЕд и Ад и может быть представлена в виде трех типовых звеньев с передаточными функциями: 1

»7=-;-г

1+Р-Та

(отражает динамические свойства обмотки возбуждения), _-Ц-ш(9)__

" Р°' ( - \

Н] ■ Хл • Рг + к, ■" - «»(в) - и-2 ■ <т{20) ■

Хр

(отражает колебательные свойства линии валопровода агрегата) и

моделирующего реакцию якоря, как положительную гибкую обратная связь, охватывающую оба предыдущих звена.

В результате получена структурная схема СЛРВ синхронной машины для исследования малых колебаний при его работе в ЭЭС.

Глава 2. Расчет областей статической устойчивости ЭЭС является одной нз важных задач энергетики. Для ее решения обычно используются анализ характера решений систем дифференциальных уравнений, частотные методы D-разбиепие, определение комплексных амплитуд переменных, непосредственный расчет характеристического уравнения и различные модификации этих методов. Все они доступны только очень квалифицированным исследователям, требуют специальной математической подготовки и весьма трудоемки. Кроме этого, при изменении режима ЭЭС расчеты требуется многократно повторять, поэтому в данной главе был разработан экспресс-метод оценки статической устойчивости, позволяющий избежать этого и дающий персоналу электрических станций быстро получать наглядную картину грагащ устойчивой работы агрегатов в каждой конкретной ситуации. Для этого предложено пользоваться диаграммаи режимов в координатах P-Q или Ia-Ir. При этом координата Ia-Ir удобнее, т.к. в этом случае диаграммы режимов меньше зависят от напряжения генератора.

Влияние настройки каналов регулирования и стабилизации предлагается сравнивать при ряде фиксированных настроек АРВ, путем сравнения соответствующих каждой настройке областей апериодической и колебательной устойчивости. Следовательно, необходимо получить аналитические выражения границ в виде Ia - F(Ir,Kj). Для этого в работе получены в аналитическом виде все коэффициенты характеристеческого уравнения структурной схемы САРВ, разработанной в Iй главе (та5л.1) и применен критерий Рауса-Гурвииа. Учитывая сложность выражений, это стало возможным только благодаря применению программы DERIVE for Windows, по позволяющей все сложные расчеты производить не в цифровом, а в символьном виде.

Получено два условия:

- первое из них определяет требуемый минимальный коэффициент усиления по напряжению. Кошт,; при Kou<Koumjn происходит апериодическое нарушение устойчивости;

- второе условия определяет .максимально допустимый коэффициент усиления по напряжению Кошшк; при К.-^К^.,, устойчивость нарушается колебательно.

Коэффициенты характеристического уравнения

Таблица 1

X а * X ч

Ха = X»

,ао ^ -ХЕ+Хди-^и-а^йг)— цТ/

; IV <1

, , . Кгяп((%)У! Ъ -Хг+Хви^ки-аЦад--11

¡3! н,- Хд?.

: Хя

Хс[К* +т/ + 4 + Хв,]

I" иг

I Г

[(Кь+г-К^-со^)!]

Н,| Хс-(к,=г + Т3' Хвн! К-

иг

л ;

I ХЕ

пгЦТл^Хк-Х^'к

З-гЧхс+Ки-з^-о^аМ (и'-^+Кь,^

I I"1 йг

Ц-

1 I I I

;аз' Ти-хс-ц1-;».

[ссв(б> + V т| +

¡»-ИКштКц"!»^^-¡^-^ ^ '

Хе-Х,

Г , , , Кг-ш^Л

'■Ц^+Коц-Г/Ц^т——')

£, ■ и,[<Цб>) -Г V ■ Кй, ■ софвн)]

Эти соображения принимаются во внимание при проектировании аппаратуры регулирования возбуждения. В условиях же реально работающих станций коэффициент Кои фиксирован.

Условием апериодической устойчивости является равенство нулю одного из коэффициентов характеристического полинома. Обычно считается, что это 11й коэффициент. Действительно он дает "правою" границу апериодической устойчивости в режимах перевозбуждения в виде:

ап= Ев-0:,[СО5(<9) + V■ Кои• «в^)]-

А((Х

где = ] - а

о

X dq — Xd X,

В работе показано, что другим условием (в режимах потребления реактивной мощности) является равенство нулю первого коэффициента.

При нормальной настройке АРВ эта граница является наклонной прямой, пересекающей ось 1Г в точке Ir = -U,/Xq. Показано также, что в случае работы с ЛРВ-СД эта граница всегда является касательной к границе колебательной устойчивости и лежит левее нее.

Выражения для границ апериодической устойчивости гидрогенераторов намного сложнее соответствующих выражений для турбогенераторов. Установлено, однако, что с достаточной степенью достоверности расчеты границ апериодической устойчивости допустимо выполнять па формулам для турбогенератора, положив Хд-г =Xqrr- Необходимо только правильно рассчитывать коэффициенты усиления каналов регулирования и учитывать дополнительное условие Eq>0.

Аналитическое решение в общем виде уравнения, определяющего колебательную устойчивость весьма громоздко. Программа DERIVE позволяет представить решение в параметрическом виде относительно установившегося значения внутреннего угла генератора:

и затем построить границу. Для турбогенератора зависимость 13 ^ Р(1г) разрешается аналитически.

В диссертации рассмотрено 4 характерных случая, отличающихся друг от друга величиной К^:

п К,,„ = да;

2) Кои'Е^-сопИ < КОи < со;;

3) КОи = Кои1 £0=со>1<;1 ^

4) 0 < Коц < К()ч|£^соо!Л 5

fIa=F;(6r); T,-F,(Or)l

Рис 1. Границы колебательной-и апериодической......\стойчиж>сти гялрогепсратора.

Видно, что по мере уменьшения коэффициента усиления по отклонению напряжения Кои от со до нуля области апериодической устойчивости уменьшается, приближаясь к окружности относительно небольшого радиуса. Области колебательной устойчивости при этом, наоборот, расширяются. Поэтому при исследовании статической устойчивости машин с АРВ-ПД необходимо принимать во внимание границы как колебательной, как и апериодической устойчивости.

Введение капало» стабилизации существенно расширяет области колебательной устойчивости (рис.2). Разницу между активной мощностью (током) в каждом конкретном режиме и граничным значением при той же реактивной мощности для различных законов регулирования.

При этом подтвержден получанный ранее экспериментально вывод о том, что канал производной тока возбуждения эффективен только при введении в него апериодического звена с постоянной времени 0.1< т <0.2 с.

В результате метод позволяет наглядно представить влияние любого параметра САРВ ( в том числе параметров генератора, эквивалентной реактивности внешней сети, уровней напряжения по концам электропередачи и т.д.) на ее устойчивость. Поэтому его целесообразно применять при проектировании машин новых типов, а также в процессе обучения студентов •электротехнических специальностей.

1а I о.е.

Рмс 2. О'Упсп. колеоятелхгтой устойчивости гн-рбогеперятор X - =2.448 о.е.. X,,,, 0.??? о.е К.; = 25[е.в н'ен]: 1-Ки- 5 лея, К-= 0 лел и К:-= 0 дел : 2 - К,„ - 5 дел, К:« 10 дел, К „-- 0 дел ; 3-К. = 5 дел.К = 0 д:л. Хш = 5 дел . 4 - К.,.= 5 лел, Кг= 10 лел, 5 дел'. 5 - I, = ~ 0.85

корректность допущений, принятых при разработке экспресс-метода, и точность метода проверены с помощью непосредствешюго расчета переходных процессов для ряда конкретных точек (см. Рис.2) области рабочих режимов, устойчивость в которых заранее оценивалась этим методом. При этом переходные процессы рассчитывались с помощью программы "МОДЕЛЬ", максимально точно учитывающей, динамические характеристики САРВ. Получено хорошее совпадение результатов. Кроме того, установлено, что при ПИД-регулировании напряжения без каналов стабшпгза-ции запас устойчивости и величина вещественной части ближайшего к оси левого корня а связаны линейной зависимостью.

Глава 3. Синхронный генератор должен устойчиво работать в энергосистеме при изменении его активной мощности от холостого хода до номинала и реактивной - от минимально-допустимых до предельных значений по условиям нагрева ротора. Расчеты главы 2 показали, что при этом оптимальная настройка АРВ существенно меняется - в режимах перевозбуждения следует увеличивать воздействие "по частоте", в педовозбужде-пии - по производной тока возбуждения. Ясно, что обеспечить хорошее качество регулирования такого объекта во всех схемно-режимных ситуациях может только адаптивный регулятор. Наиболее перспективным путем

его реализации в настоящее время во всем мире признано применение нечеткой логики (ИЛ).

Главную роль в НЛ в задачах управления играет понятие лингвистической переменной процесса, т.е. словесное описание реальной переменной, содержащее набор нечетких множеств с функция:.;« прикадлеэхности, определенными на некотором интервале вещественной оси. Все операции над реальными переменными процесса заменяются операциями над лингвистическими переменными.

Структура нечеткого регулятора (НР) состоит из трех основных блоков (рис.3): 11Р

Рис.3. Блок-схема контура регулирования

Блок фаззификации осуществляет преобразование входных параметров в лингвистические переменные с соответствующими функциями принадлежности, охватывающими весь диапазон изменения параметров регулируемого процесса.

База правил вида "условие-действие", "ссли-то" является основным сегментом алгоритма и определяет требования к аппаратуре.

Блок дефаззификации осуществляет обратное преобразование лингвистических переменных в текущие значения сигнала управления,

НР бывают двух типов: один вход - одиа выход (SISO) и много входов и выходов (MIMO). Первый имеет базу правил меньшего порядка, второй позволяет получить лучшее качество, но существенно повышает требования к быстродействию и памяти аппаратуры при реализации. Оба они позволяют реализовать П, Д, ПД или ПИД - регулирование.

Существует большое количество алгоритмов и программ проектирования НР. Однако разработка полной теории их анализа и синтеза еще не за-

вертепа. Поэтому в конкретных случаях применяют те или иные методы, опираясь на экспертные оценки, а критерием корректности выбранной стратегии служит практика. Все авторы рекомендуют оценивать качество разработки по результатам проверки HP на реальном объекте. В случае получения неудовлетворительных результатов требуется повторить разработку, используя другие модификации алгоритмов. В диссертации проведена оценка влияния вида функций принадлежности на качество регулирования возбуждения. Получен вывод о том, что для стабилизации режима СГ достаточно использовать наиболее простые для решгазации треуголыше и трапецеидальные функции принадлежности и метод дефаззификации "по центру тяжести".

Исследован вариант реализации системных функций АРВ-СД применительно к турбогенератору 300 МВт, работающему в энергосистеме с Хе„ = 0.36 o.e. Измерительная и силовая части системы возбуждения были приняты неизменными и имели те же динамические характеристики, что и у АРВ-СДП1. Три канала регулирования (ПИД-канал напряжения генератора, Д-канал тока ротора и ПД-канал частоты напряжения генератора) заменены нечеткими SISO-регуляторами. Функции принадлежности логических перемешшх выбирались методом вычисления максимального, среднего и минимального значений как функций параметров системы. В результате исследований найдено оптимальное сочетание масштабов графиков функций принадлежности для всех каналов HP.

Использовались симметричные базы правил и метод дефаззификации по среднему значению.

Такой HP обеспечил по сравнению с АРВ-СДП1 лучшее качество переходных процессов во всей области до пустом ых рабочих режимов. Особенно важно, что это относится, в основном, к режимам потребления реактивной мощности. Проведенные исследования показали, что правильно спроектированный HP может осуществлять нелинейное преобразование входных сигналов регулятора в выходной сигнал управления напряжением возбуждения без существсштой временной задержки и обладает свойством адаптивности. Его алгоритм может быть реализован на базе промышленного микроконтроллера. Можно ставить вопрос о создании компактного цифрового нечеткого регулятора, который обеспечит регулирование возбуждения в реальном времени во всех режимах работы генератора при любых возмущениях со стороны внешней сети.

-О л

-0.05 -0.05 -2.4 -5 2

-О 025 -0 !)25 -1 I -2.6

0.05 0 025 0.025 1.2 2.6

0'1 диг,1аН 0.05 рАи„о.е. 005 рЛ 1г.[о.е.] 24 4£„ 11'п] 5-2 рД&. [Гц/с]

о

Заключение

1 .Усовершенствована методика математического моделирования системы регулирования возбуждения синхронного генератора, оснащенного автоматическими регуляторами возбуждения любых типов.

2.Разработан достаточно простой и в то же время надежный экспресс метода оценки статической устойчивости синхронного генератора, работающего в сложной энергосистеме, который позволяет исследовать апериодическую и колебательную устойчивость синхронных машин любого типа.

4. Показано, что расчет границ апериодической и колебательной устойчивости гидрогенераторов с достаточной степенью достоверност и можно существенно облегчить, если выполнять его гю формулам для турбогенератора, при Хат, = Хс|ТГ = Х.,11Т. При этом необходимо коэффициент усиления Кои е в х-х-\ используемый в расчетах, определять как Кои Г—1 .Е,р

е.н. J [ е.н. _|

и учитывать дополнительное ограничение Е(, > 0. также доказано, что область апериодической устойчивости турбо и гидрогенераторов в режимах перевозбуждения (1г > 0) практически совпадают. В режимах потребления области апериодической устойчивости гидрогенераторов больше. Объясняется это тем. что они определяются по одинаковым математическим выражениям, обратно пропорциональным величине Хч. В то же время известно, что всегда Хчтг = ХфТ .

Границы апериодической устойчивости по мере убывания Кфи от оо до нуля снижаются до окружности относительно небольшого радиуса, а гра-

ницы колебательной устойчивости при этом расширяются от окружности ещё меньшого радиуса до бесконечности.

6. При К0ц< К0и; о х-раницы колебательной устойчивости слева

1 Q cms

«отрываются» от точкиГ~иг 01, область расширяется до бесконечности

L " J

при Коц -> оо и появляется опасность нарушения апериодической устойчивости раньше, чем нарушается колебательная. Поэтому при исследовании статической устойчивости машин с регуляторами возбуждения пропорционального типа необходимо принимать во внимание границы как колебательной, так и апериодической устойчивости. Однако при этом существенно отличается их расположение на диаграмме рабочих режимов. У турбогенератора с улученными параметрами (а значит и у гидрогенератора) области расположены значительно левее, чем у мощного турбогенератора с ухудшенными параметрами. Обусловлено это тем, что все они начинаются

в точке [~°г 01, а Хгг, «XqlT. В результате при ПД - регулировании воз-

[ х, '

буждення с реальными коэффициентами усиления

ÍK < к < к < ж) гидро-генераторы в режимах малой и отрицательной

мощности работают более устойчиво, чем турбогенераторы.

7. Характерным значением коэффициента усиления по напряжению является КОц=К0и' __ выражения для определения которого приведены в

диссертации. При К-0ц>КГ)п границы апериодической устойчивости в

режимах потребления реактивной мощности являются прямыми, касательными к границам колебательной устойчивости, они всегда проходят через

точку с координатами

лежат левее последних. Правые границы

иг

периодической устойчивости (в режимах выдачи реактивной мощности в этих случаях всегда лежат правее границ колебательной устойчивости. Отсюда следует важный вывод о том, что при реальных обычно задаваемых во всех существующих АРВ значениях коэффициента усиления по напряжению К0и>Кп ■ достаточно исследовать только колебательную

статическую устойчивость. Если она обеспечена, можно быть уверенным в том, что апериодическая устойчивость не будет нарушена.

8. Теоретически подтвержден ранее полученный экспериментально вывод о том, что введение апериодического звена с передаточной функцией

_!—, в канал производной тока ротора существешю расширяет области

l-t-p-г

устойчивости "по частоте". Сигнал производной тока ротора расширяет область устойчивости в режимах недовозбуждения, а в режимах выдачи реактивной мощности его эффективность падает.

9. Прямые расчеты переходных процессов с помощью пакета «МОДЕЛЬ», максимально учитывающего динамические характеристически САР возбуждения, подтвердили корректность допущений, принятых при разработке экспресс-метода его достаточную точность.

10. Разработан макет регулятора возбуждения СДП1 на основе нечекой логики (ФСДП1).

11 .Показано,что ФСДП1 намного более эффективен чем аналоговый регулятора. Он дает возможность стабилизировать режимы значительно большей области диаграммы рабочих режимов. Особенно важно, что это, в основном, относится к режимам потребления реактивной мощности. В настоящее время макет проходит испытания на физической модели энергосистем НИИЭлектромаша. Первый этап испытаний подтвердил его высокую эффективность и целесообразность разработки опытно- промышленного образца.

Литература

1. Юрганов A.A., Шанбур И. Синхронный генератор как объект регулирования // Труды I Международной (III Всероссийской) конференции по электромеханотроникеЭМТ-97. Май 3997. Санкт-Петербург. С.164-168.

2. Глебов И.А., Юрганов A.A., Шанбур И.Ж. Устойчивость динамических систем с нечеткими регуляторами. Международная конференция по мягким вычислениям и измерениям. Санкт-Петербург, 22-26 июня 1998г.

3. A.A. Юрганов, И. Шанбур. Нечеткий регулятор возбуждения сильного действия. Фундаментальные исследования в технических университетах, материалы научно-технической конференции, 25 - 26 июня 1998г. Санкт-Петербург 1998.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИМ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Шанбур Ибрагим Жорж

/

V"

УДК 621.313.322

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКОИ УСТОЙЧИВОСТИ И АЛГОРИТМОВ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ

специальность 05.14.02 -электрические станции

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

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук А. А. Юрганов

Санкт-Петербург - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................4

1. СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУ-ЛИ/РОВАНИЯ.........................................................................................................9

1.1.1. Российские регуляторы возбуждения сильного действия............................9

1.1.2. Зарубежные регуляторы возбуждения...........................................................20

1.2. Структурная схема системы автоматического регулирования

возбуждения синхронного генератора.......................... .......................................32

1.2.1 Математическая модель объекта регулирования для внешнего

движния..............................................................................................................35

1.2.2 Структурная схема регулятора возбуждения СДП1 для

исследования внешнего вижения.........................................................................39

1.2.3 Полная структурная схема...............................................................................41

1.3 Выводы..................................................................................................................42

2. ЭКСПРЕСС-МЕТОД ОЦЕНКИ СТАТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ....................................................................................................43

2.1.1 Общие критерии статической устойчивости..................................................43

2.1.2 Характеристическое уравнение.......................................................................50

2.2. Расчет апериодической устойчивости............................................................52

2.2.1 Нерегулируемая машина (Kou=0, Uf = const)................................................53

2.2.2 Режим постоянства ЭДС Eq............................................................................56

2.2.3 реальные значения Кои....................................................................................59

2.2.4 Выводы..............................................................................................................62

2.3 Колебательная устойчивость...........................................................................66

2.3.1 Пропорционально-дифференциальное регулирование по

напряжению...........................................................................................................67

2.3.2 Влияние каналов стабилизации......................................................................72

2.4 Проверка результатов, полученных экспресс-методом с помощью пакета прикладных программ «МОДЕЛЬ».....................................................77

2.5 Выводы..................................................................................................................87

3. ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ АРВ НА ОСНОВЕ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ..................................................................................................................89

3.1 Элементы теории нечетких множеств................................................................89

3.2 Обшая структура система автоматического регулирования САР

на базе НЛ..................................................................................................................92

3.3 Структура нечеткого регулятора........................................................................99

3.4 Опыт применения нечетких регуляторов для энергетических

объектов....................................................................................................................103

3.5 Нечеткий регулятор возбуждения сильного действия типа ФСДГ11.............104

3.5.1 Выбор типа регулятора ФСДП1.....................................................................104

3.5.2 Выбор функций принадлежности и огггаматизация ФСДП1......................105

3.5.3 Сравнение эффективности нечеткого регулятора возбуждения

и АРВ-СДШ..............................................................................................................112

3.5.4 Выводы..............................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.........................................................................................................117

ЛИТЕРАТУРА...........................................................................................................118

СОДЕРЖАНИЕ.........................................................................................................129

ВВЕДЕНИЕ

Развитие энергетики требует разработки и исследования эффективности средств повышения устойчивости энергосистем. Некоторое время в технически развитых странах развитие электрических сетей опережало рост генерирующих мощностей, энергосистемы были «жесткими» и устойчивая работа генераторов мощностью 200-300 МВт вполне обеспечивалась автоматическими регуляторами напряжения пропорционального типа с гибкой отрицательной обратной связью по производной напряжения. В России существовала обратная ситуация. Поэтому интенсивно разрабатывались и внедрялись автоматические регуляторы возбуждения со стабилизацией режима по производным режимных параметров, получившие название АРВ сильного действия (АРВ-СД).

В 70-х годах в западной Европе, США и Японии тоже возникла проблема устойчивости крупных генерирующих блоков. Подтвердилась правильность выбранного в России направления. Стабилизаторы по производным режимных параметров получили название системных стабилизаторов (Р88). Для мощных генераторов был разработан и внедрен ряд регуляторов, аналогичных АРВ-СД.

Персонал электростанций и диспетчерских служб должен выбрать настройки АРВ с учетом особенностей работы больших и сложных энергообъединений. Применяемые для этого программы требуют огромного объема информации о параметрах генераторов, систем регулирования, нагрузок и сети, но объем доступной и достоверной информации весьма ограничен. В результате полученные путем трудоемких расчетов данные могут оказаться недостаточно достоверными.

Разработанный в России метод эквиваленггирования внешней сети [17,45,46] предполагает принципиально другой подход к моделированию станции. Он базируется на замене всех внешних связей исследуемой станции эквивалентньгм реактивным сопротивлением Хвн, связывающим ее с неизменным по фазе и меняющимся по амплитуде в зависимости от схемно-режимной ситуации в энергосистеме вектором напряжения исв центре электрических качаний для данной станции.

Значение XSH определяется по экспериментальным данным о двух режимах станции, работающей в сложной схеме. Полученная эквивалентная схема машина-линия-шины автоматически учитывает параметры всех элементов энергосистемы. В результате более точно учитываются характеристики исследуемого генератора и его системы регулирования, снижается вычислительная погрешность и повышается достоверность результатов.

Для электростанций России Хвн^О.2-0.5 o.e. и, как правило, несколько выше, чем для станций Западной Европы. Это обстоятельство обусловило разный подход к выбору структуры PSS в России и за рубежом. При больших значениях

Хвн более опасны колебания мощности по отходящим от станции линиям, поэтому в российских АРВ-СД используются сигналы первой и второй производных внешнего угла. В PSS чаще всего используются сигналы интеграла и отклонения ускоряющей мощности (первая и вторая производные полного угла), эффективно стабилизирующие колебания мощности генератора. В процессе совершенствования АРВ, увеличения его быстродействия и повышения конкурентноспособности проводилась работа по созданию регулятора на полупроводниковых элементах АРВ-СДП, предназначенного для замены регулятора АРВ-СД. На этом этапе в функциональном отношении полупроводниковый регулятор возбуждения не отличался от регулятора АРВ-СД, но многие его блоки существенно видоизменились.

Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа стал АРВ-СДП1 [44], которым с 1982г. оснащаются все синхронные генераторы мощностью от 63 МВт и выше . Это-по существу компактный, высокотехнологичный, специализированный аналоговый измерительно-вычислительный комплекс, дополненный релейной аппаратурой, по своим характеристикам намного превосходящий предыдущие образцы. По сравнению с предшественниками он выполняет большее количество функций, структурно отличается частотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения, что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устойчивость регулирования и инвариантность настройки к изме-

нению режима работы генератора и сети за счет динамического снижения коэффициента усиления по отклонению напряжения в области частот собственных колебаний.

Созданием и внедрением в эксплуатацию АРВ-СДП1 завершилась третья стадия развития регулирования возбуждения сильного действия. В настоящее время выпускаются четыре модификации для работа в составе одно- и двухгрупповых систем возбуждения генераторов обычного исполнения и обратимых агрегатов ГАЭС. Ими оснащаются все генераторы мощностью 63 МВт и выше, выпускаемые в СНГ. Поэтому целесообразно было принимать этот регулятор, как объект для расчетов этой диссертации.

Расчет области статической устойчивости энергосистем (ЭС) является одной из важных проблем энергетики. Для ее решения обычно используются анализ характера решений систем дифференциальных уравнений, частотные методы. D-разбиение, определение комплексных амплитуд переменных, непосредственный расчет корней характеристического уравнения и различные модификации этих методов. Все они доступны только очень квалифицированным исследователям, требуют специальной математической подготовки и весьма трудоёмки. Кроме этого, при изменении режима ЭС, расчеты нужно повторять. Было бы удобно избежать этого и иметь перед глазами наглядную картину границ устойчивой работы агрегатов в конкретной ситуации. Решению этой задачи посвящены второй главы этой работа. Для построения областей устойчивости удобно пользоваться диаграммами P-Q или Ia-Ir . При этом координата 1а-1г удобнее, так как в этом случаев диаграммы меньше зависят от изменения напряжения на зажимах машины [43]. До сих пор подобная задача была решена только для турбогенератора. Учет явнополтосности может существенно изменить вид полученных в [17] выражений. В настоящей работе ставится задача разработки общего экспресс-метода оценки статической устойчивости синхронных машин, как неявнополюсных, так и явно полюсных, и

оценки влияния конструкции и параметров генераторов на области устойчивой работы.

В последние годы за рубежом, наряду с развитием самонастраивающихся регуляторов, автоматически оптимизирующих свои настройки при изменении условий работы и характеристик объекта регулирования [47,50], ведутся интенсивные исследования в области применения новых типов адаптивных АРВ, в том числе цифровых регуляторов на основе нечеткой логики (от англ. Fuzzy Logic), алгоритм функционирования которых основан на наборе правил, выведенных из законов регулирования возбуждения, а их обработка ведется методами теории нечетких множеств [30,31,32,51,52,55]. За последние пять лет создано первое поколение регуляторов на основе нечеткой логики (HJI), характеризующихся относительно небольшими базами знаний (от 5 до 50 простых логических «Если-То» правил), реализованных в виде программных модулей и включающих наиболее простые операции с нечеткими множествами, а в силу этого несколько уступающих по своим характеристикам традиционным регуляторам. Развитие регуляторов второго поколения нацелено на использование больших баз знаний с иными правилами, чем простые логические перехода; применение гибридной технологии, базирующейся на тесной интеграции методов НЛ и обычного управления; аппаратную поддержку сложных операторов (микропроцессоры со встроенными элементами НЛ), а также сочетание НЛ с возможностями иных адаптивных методов, таких как нейронные сети и генетические алгоритмы [53,54,49]. К таким разработкам принадлежит рассматриваемый в диссертационной работе перспективный нечёткий регулятор

( АРВ-ФСДП1). Синтез автоматического регулятора возбуждения посвящена третей главы.

В соответствии со сказанным, основными целями диссертационной работы являлись совершенствование систем автоматического регулирования возбуждения (САРВ), разработка достаточно простого и в то же время надежного метода оценки статической устойчивости синхронного генератора, работающего в сложной энер-

госистеме, выявление недостатков и преимуществ влияния параметров систем автоматического регулирования возбуждения (САРВ) на области статической устойчивости турбо и гидрогенераторов, развитие (САРВ), путем применения новых регуляторов возбуждения, нечеткого типа, доказательство преимущества нечетких регуляторов при работе в САРВ.

В первой главе диссертации дан обзор процесса развития систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Отражены основные этапы развития автоматических регуляторов возбуждения: - от регуляторов пропорционального действия (АРВ-ПД), до современных цифровых регуляторов воз-буждения(АРВ-СДЦ), и сравнения их с западными регуляторами, разработка обобщенной структурной схемы САРВ, позволяющей исследовать устойчивость работы в энергосистеме генераторов любых типов.

Во второй главе разработка экспресс-метод исследования и определения границ статической устойчивости в координатах режимных параметров электропередачи Р~С> или 1а-1г. Этот метод также позволяет оперативно оценивать влияние параметров и типа генератора, внешней сети, типа и настройки АРВ на статическую устойчивость. Метод доведен до разработки соответствующих алгоритмов и программ. Для его применения от персонала не требуется знания теории устойчивости и специальных разделов математики.

В третьей главе приведены элементы теории нечётких множеств и ее применение для создания адаптивного регулятора возбуждения на основе нечеткой логики (НЛ).

1.1 Современные автоматические регуляторы возбуждения.

1.1.1. Российские регуляторы возбуждения сильного действия.

Стабилизация режимов ЭС и демпфирование колебаний осуществляется быстродействующими системами возбуждения, включающими в себя автоматические регуляторы возбуждения (АРВ).

Первое их внедрение было в 30-40 годы. Это были регуляторы пропорционального действия (АРВ-ПД) с законом регулирования по отклонению статорного напряжения и устройством релейной форсировки возбуждения. Они позволили решить проблему возникновения статической неустойчивости типа «сползания». Однако использование высоких коэффициентов усиления обострило проблему обеспечения колебательной устойчивости и демпфирования синхронных качаний. В ЭЭС многих стран, в том числе и ЕЭС бывшего СССР, отмечались многочисленные случаи возникновения «самораскачивания» в утяжеленных электрических режимах.

В пятидесятые годы над созданием регуляторов возбуждения работало большое число научных организаций страны. Определенный вклад в решение этой задачи внесли также высшие учебные заведения и, в первую очередь, МЭИ, где теоретическими и экспериментальными исследованиями руководил В. А. Веников[1-4] и Л ПИ (А.Н. Горев, О.В. Щербачев, М. Л. Л евинштейн). [5,6]

В итоге этой работы был создан и установлен на гидрогенераторах Куйбышевской ГЭС первый промышленный образец регулятора АРВ-СД со стабилизацией по производным напряжения и тока статора. Такой выбор режимных параметров стабилизации был приемлем для одиночных электропередач, работающих на мощную приемную систему, однако оказался неэффективным при усложнении структуры электрической сети. Позднее по-

еле сооружения второй электростанции на Волге закон регулирования был изменен: вместо производных тока для стабилизации стали использовать отклонение и производную частоты напряжения статора. Вызвано это изменение было тем, что ГЭС работала на два направления и при изменении схемы сети приходилось менять настройку регуляторов возбуждения со стабилизацией «по току».

Положительный опыт эксплуатации генераторов с АРВ-СД привел к тому, что в середине 60-х годов был разработан унифицированный вариант этого регулятора с использованием отклонения и производной частоты напряжения статора в качестве основного режимного параметра стабилизации [7]. В дальнейшем такими регуляторами были оснащены генераторы крупнейших гидростанций , ряд мощных турбогенераторов и синхронных компенсаторов.

АРВ сильного действия выполняет следующие функции [8]: -регулирование напряжения генератора во всех эксплуатационных режимах с заданной точностью;

-повышение статической и динамической устойчивости генератора при работе в энергосистеме;

-демпфирование послеаварийных качаний в системе; -ограничение перегрузок электрических машин по токам ротора и статора ( по величине и длительности протекания);

-предотвращение нагрева торцевой зоны статора при работе режиме не-довозбуждения ( путем ограничения внутреннего угла генератора либо потребляемой генератором реактивной мощности с учетом величины активной нагрузки машины);

-обеспечение режимов пуска и включения в сеть методами точной синхронизации и самосинхронизации;

-обеспечение работы в системах группового регулирования напряжения агрегатов станции.

В начала 70-х годов с целью улучшения технологии производства АРВ, увеличения его быстрод