автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Управление режимами систем электроснабжения железных дорог на основе технологий сетевых кластеров

На правах рукописи

Чан Зюй Хынг

УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМАМИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИЙ СЕТЕВЫХ КЛАСТЕРОВ

Специальность 05.13.06 — Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005562356

1 б СЕН 2015

Иркутск - 2015

005562356

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (ФГБОУ ВО «ИРНИТУ») и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ФГБОУ ВПО «ИрГУПС»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Крюков Андрей Васильевич

Официальные оппоненты:

Воевода Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный технический университет», г. Новосибирск, кафедра «Автоматика», профессор Шакиров Владислав Альбертович, канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» (БрГУ), факультет энергетики и автоматики, декан

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки «Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева» Сибирского отделения Российской академии наук (ИСЭМ СО РАН), г. Иркутск

Защита диссертации состоится 22 октября 2015 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 на базе ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803. Тел. 8-(3952)-63-83-11, факс 8-(3952)-38-76-72; e-mail: maknv@irgups.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», http://www.irgups.ru

Автореферат разослан 03 сентября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Данеев Алексей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития электроэнергетики характеризуется переходом на технологическую платформу, которая базируется на концепции интеллектуальных энергосистем с активно-адаптивными электрическими сетями (ИЭЭС ААС). Центральный аспект этой концепции состоит в масштабном использовании наряду с традиционными электростанциями генерирующих устройств, создаваемых потребителями электроэнергии - установок распределенной генерации. Реализация концепции ИЭЭС ААС (smart grid) невозможна без разработки новых подходов, обеспечивающих более эффективное решение задач управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения и потребления электрической энергии (ЭЭ).

Значительный вклад в решение проблемы создания активно-адаптивных сетей внесли О.М. Бударгин, В.Н. Вариводов, Н.И. Воропай, В.В. Дорофеев, Т.В. Иванов, С.Н. Иванов, Б.Б. Кобец, В.Г. Курбацкий, Ю.Н. Кучеров, Е.И. Логинов, A.A. Макаров, М.Ш. Мисриханов, Ю.И. Моржин, Э.Б. Наумов, В.Н. Рябченко, В.Н. Седунов, В.Ф. Ситников, В.А. Скопинцев, Ю.Г. Шакарян, М. Donnelly, C.W. Gelling, J.M. Guerrero Zapata, N.D. Hatziargyriou, S.A. Papathanassiou, J.A. Pecas Lopes. J. Schmid, Z. Styczynski и другие.

Вопросам применения технологий распределенной генерации (РГ) посвящены работы В.К. Аверьянова, М.О. Арсентьева, Б.Б. Кобеца, A.B. Праховника, A.B. Федяева и других исследователей.

Надежная работа установок РГ, в особенности построенных на нетрадиционных источниках энергии, невозможна без разработки новых подходов к формированию законов автоматического управления возбуждением и скоростью вращения генераторов РГ. Решению задач создания эффективных автоматических регуляторов синхронных генераторов посвящены работы В.А. Баринова, М.М. Ботвинника, В.В. Бушуева, В.А. Ве-никова, Г.Р. Герценберга, A.A. Горева, И.А. Груздева, А.Н. Дойникова, П.С. Жданова, A.C. Зеккеля, М.Л. Левинштейна, Н.И. Овчаренко, A.A. Рагозина, С.А. Совалова, Е.И. Ушакова, О.В. Щербачева, A.A. Юрганова и др.

Работы перечисленных выше авторов создают методологический базис, обеспечивающий проведение исследований по разработке и модернизации методов и средств управления режимами систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД), включающих в свой состав установки РГ.

Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных методов управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• проанализировать сферы использования установок распределенной генерации на железнодорожном транспорте и возможности решения на их основе задач управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог;

• предложить технологии управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, основанные на использовании сетевых кластеров, представляющих собой электрические сети с установками РГ, отделенные от тяговых подстанций автоматически управляемыми вставками постоянного тока (ВПТ);

• разработать систему автоматического управления для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевого кластера;

• предложить методику согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения синхронных генераторов, работающих в составе сетевых кластеров;

• разработать алгоритмы управления режимами сетевых кластеров, построенные с использованием интеллектуальных регуляторов;

• предложить методику настройки нечёткого автоматического регулятора для ветрогенерирующих установок, работающих в составе сетевых кластеров.

Объект исследования. Система электроснабжения железной дороги, построенная с использованием интеллектуальных технологий управления режимами и качеством электроэнергии в технологических процессах производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии.

Предмет исследований. Методы управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации.

Методы исследования базируются на математическом моделировании режимов систем электроснабжения железных дорог с использованием аппарата теории автоматического управления и методов решения систем дифференциальных уравнений. В качестве основного инструмента для реализации применяемого математического аппарата использовалась система МАТЬАВ.

Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным применением математических методов и алгоритмов. В сопоставимых случаях выполнено сравнение результатов моделирования с данными, полученными другими авторами, а также с измерениями в реальных системах электроснабжения железных дорог.

Научная новизна состоит в том, что в диссертации получены следующие положения, которые выносятся на защиту:

• технологии управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, основанные, в отличие от известных, на использовании сетевых кластеров, выполненных с помощью автоматически регулируемых вставок постоянного тока;

• система автоматического управления, предназначенная, в отличие от известных, для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевого кластера, и построенная на основе согласованно настроенных автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения;

• методика согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения синхронных генераторов, предназначенная, в отличие от известных, для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевых кластеров;

• алгоритмы управления режимами сетевых кластеров, построенные с использованием интеллектуальных регуляторов;

• методика настройки нечёткого автоматического регулятора для ветрогенерирующей установки, позволяющая синтезировать базу правил для эффективной работы этой установки в составе сетевого кластера.

Теоретическая и практическая значимость. Разработана методология управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, которая может применяться при решении научно-технических задач, связанных с повышением эффективности технологических процессов выработки, передачи и распределения электрической энергии.

С помощью предложенных в диссертации методов и алгоритмов настройки автоматических регуляторов можно решать следующие практические задачи управления режимами систем электроснабжения:

• повышение надежности электроснабжения нетяговых потребителей;

• улучшение качества электроэнергии и повышение энергоэффективности.

Реализация результатов работы. Результаты моделирования районов электроснабжения нетяговых потребителей и практические рекомендации по улучшению качества электроэнергии с помощью применения сетевых кластеров использованы в научно-технических разработках ООО «Энергостройконсалт». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах «Электроэнергетика транспорта» ИрГУПСа и «Электроснабжение и электротехника» ИРНИТУ.

Апробация работы. Научные результаты, полученные в процессе диссертационных исследований, обсуждались на международных научно-практических конференциях «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012, 2013, 2014 и 2015 г.); всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2012, 2013, 2014, 2015 г.); XVIII и XIX Байкальских всероссийских конференциях (Иркутск, 2013, 2014 г.); IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013 г.); XVII Межвузовской научно - технической конференции студентов и магистрантов «Молодая мысль - развитию энергетики» (Братск, 2014,2015 гг.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 25 работах, из них 8 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна монография. В работах, которые опубликованы с соавторами, автору диссертации принадлежит от 25 до 75 % результатов. Положения, которые определяют научную новизну, получены лично автором.

Объём и структура диссертации. Диссертация включает следующие разделы: введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 184 наименований. Объем диссертации 180 страниц, в тексте содержится 159 рисунков, 17 таблиц и 3 приложения.

В процессе диссертационных исследований автор получал научные консультации кандидата технических наук, доцента Ю.Н. Булатова.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведено обоснование актуальности темы, сформулированы цель и задачи диссертационных исследований, обозначены объект, предмет, методы и средства исследования, представлена новизна и практическая ценность основных научных положений.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с интеллектуализацией систем электроснабжения (СЭС), заключающейся в оснащении электрических сетей современными средствами диагностики и цифровыми системами управления; при этом достигается соединение информационных технологий с электрическими сетями. При построении интеллектуальных систем управления (ИСУ) используются следующие принципы: информационное взаимодействие ИСУ с внешним миром; открытость системы; прогноз изменений, которые могут происходить во внешней среде, а также необходимых реакций ИСУ на эти изменения; построение ИСУ в виде иерархической структуры с повышением интеллектуальности и снижением требований к точности по мере повышения иерархического уровня; возможность функционирования с потерей некоторой части интеллектуального поведения при разрыве связей с высшими уровнями.

Для реализации концепции ИЭЭС ААС необходимо оснастить электрические сети развитыми средствами автоматического управления на основе следующих устройств: управляемые ЛЭП повышенной пропускной способности, фазоповоротные трансформаторы, пофазно регулируемые источники реактивной мощности (FACTS), активные кондиционеры гармоник и т.д. Кроме того, предусматривается использование активных потребителей, участвующих в процессах управления электропотреблением путем модификации графиков нагрузки, а также с помощью использования установок распределенной генерации и накопителей электроэнергии, рис. 1 и 2.

На рис. 1 показана структура интеллектуальной СЭС, построенной на основе концепции microgrid. Она связана с основной сетью ИЭЭС с помощью вставки постоянного тока. Наличие ВПТ повышает адаптивность СЭС, в частности, за счет возможности работы в сетях с пониженным качеством ЭЭ, например, железнодорожных. Широкое применение устройств, выполненных на базе силовой электроники, позволяет использовать нетрадиционные источники энергии. На основе объединения отдельных сегментов microgrid может быть реализована более масштабная сеть smart grid, рис. 2.

Также в главе приведен обзор направлений использования установок распределенной генерации на железнодорожном транспорте. Показано, что в системах электроснабжения железных дорог эти установки могут применяться для решения следующих задач:

• повышение надежности электроснабжения ответственных потребителей, получающих питание от районных обмоток тяговых трансформаторов;

• создание транспортно-энергетических коридоров, включающих железную дорогу и автобан, а также высоковольтные ЛЭП и линии связи;

• реализация режимов когенерации на объектах железнодорожного транспорта, которые имеют собственные теплоисточники;

• снижение затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии в РЭС;

• энергообеспечение автономных объектов ЖД транспорта на основе нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).

Рис. 1. Интеллектуальная система Рис. 2. Объединение отдельных сег-

электроснабжения, построенная на ос- ментов microgrid в сеть smart grid нове концепции microgrid

Приведен анализ технологических схем установок распределенной генерации. Показано, что технологии РГ позволяют осуществлять выработку электроэнергии по месту ее потребления. Кроме того, исключаются дополнительные потери на передачу электроэнергии, которые составляют значительную долю в цене централизованно поставляемой ЭЭ.

Система электроснабжения железной дороги (СЭЖД) представляет собой сложный, нелинейный динамический объект, включающий три подсистемы:

где Х,,5, Х5гге, Хтлтс - соответственно, системы внешнего и тягового электроснабжения, а также система электроснабжения нетяговых потребителей.

СЭЖД отличается мультифазностью, мультирежимностью и описывается нелинейной системой дифференциальных уравнений с оператором Р„ в общем случае зависящем от времени: Р,(х,и,У,/) = 0,

где X - вектор состояния; и - вектор управляющих воздействий; У - вектор выходных переменных; время.

Поэтому для управления режимами СЭЖД должны использоваться интеллектуальные методы.

Предложена технология сетевых кластеров, которая позволяет обеспечить высокую надежность электроснабжения и нормативное качество ЭЭ в системах электроснабжения железных дорог. Под сетевым кластером понимается объединение электроустановок, расположенных на ограниченной территории, в микроэнергосистему, имеющую собственные генераторы, в том числе использующие нетрадиционные источники энергии. Связь с основной сетью осуществляется через вставку постоянного тока. Схема высоковольтного сетевого кластера показана на рис. 3.

На основе сетевых кластеров могут быть решены следующие задачи:

• повышение надежности электроснабжения за счет наличия дополнительных источников энергии;

• улучшение качества электроэнергии по отклонениям, колебаниям, несимметрии и несинусоидальности напряжения;

• снижение провалов напряжения;

• ограничение токов короткого замыкания (КЗ);

• возможность непосредственного подключения аккумуляторных накопителей ЭЭ, светодиодных источников света, статических преобразователей частоты без выпрямителей и т.д.;

• улучшение условий работы генераторов установок РГ;

• снижение влияний на рельсовые цепи.

Рис. 3. Схема высоковольтного сетевого кластера: АР - автоматический регулятор; АРВ - автоматический регулятор возбуждения; АРЧВ - автоматический регулятор частоты вращения; АЭД - асинхронный электродвигатель; ДЧ - датчик частоты; НЭ - накопитель электроэнергии; РУ - распределительное устройство; СПЧ - статический преобразователь частоты; ТП - тяговая подстанция; ЭПС - электроподвижной состав; ЭЭС - электроэнергетическая система

Наличие ВПТ приводит к дополнительным потерям электроэнергии, которые можно значительно снизить, используя интеллектуальное управление обходной связью - байпасом, рис. 4. При этом в режимах малых тяговых нагрузок ВПТ можно отключать и осуществлять электроснабжение кластера непосредственно от шин тяговой подстанции (ТП).

Выпрямитель

Инвертор

Рис. 4. Интеллектуальное управление байпасом:

ТТ - трансформатор тока; ТН -трансформатор напряжения

Рис. 5. Автоматическое регулирование коэффициента модуляции инвертора: Ф1...ФЗ - фильтры

В ВПТ можно применять инвертор напряжения с широтно-импульеной модуляцией, который снабжается автоматическим регуляторам коэффициента модуляции, рис. 5. Регулятор обеспечивает поддержание требуемого уровня напряжения на выходе ВПТ, позволяет уменьшить длительности провалов напряжения, возникающие при запуске электрических двигателей, включении мощных нагрузок и т. д.

Низковольтные сетевые кластеры (рис.6) сохраняют все достоинства, которыми обладают высоковольтные сетевые кластеры. Наличие шин постоянного тока дает возможность использования нетрадиционных источников энергии, например, ветрогенерирующих установок, микроГЭС, топливных элементов (ТЭ), а также осуществлять зарядку электромобилей.

Рис. 6. Схема низковольтного сетевого кластера;

В - выпрямитель; ВГУ - ветрогенерирующая установка; И - инвертор; К - конвертор

Во второй главе приведены результаты, полученные при моделировании режимов систем электроснабжения с установками распределенной генерации. Разработаны модели СЭЖД с установкой РГ при различных типах нагрузок, таких как: асинхронный двигатель, преобразователь частоты и статическая нагрузка. Проведено моделирование для изучения влияния установок РГ на качество электроэнергии. Выявлено, что на основе РГ может быть улучшено качество ЭЭ; при этом степень снижения несимметрии и несинусоидальности зависит от состава потребителей, подключенных к районной обмотке тягового трансформатора, рис. 7, 8. На этих рисунках обозначено: РГ — СЭЖД с РГ; РГ-АЭД - СЭЖД с РГ и АЭД; РГ-СПЧ - СЭЖД с РГ и СПЧ; РГ-ССН - СЭЖД с РГ и статической симметричной нагрузкой (ССН); Зк2и — уменьшение коэффициента несимметрии по обратной последовательности при

наличии РГ, %; 5ки = тах{5к^ь) Зк^с) 8к{,Т]) - снижение коэффициента искажения кривой напряжения при наличии РГ, %.

Описаны динамические модели сетевых кластеров, разработанные в среде Ма^аЬ. На основе этих моделей получены следующие результаты:

• применение вставки постоянного тока, т.е. выделение потребителей в сетевой кластер, позволяет эффективно решить проблему улучшения качества ЭЭ; использование установок РГ позволяет также улучшить показатели качества ЭЭ по несимметрии и несинусоидальности.

г ок2и°/о-

РУ -А

тп

РГ РГ-АЭД РГ-СПЧ РГ-ССН

Ч- РУ

= =

= = =

= т

Е = = ТП =

Е = Е =

ргг и N

РГ РГ-АЭД РГ-СПЧ РГ-ССН

Рис. 7. Эффект РГ по несимметрии

Рис. 8. Эффект РГ по несинусоидальности

• для повышения гибкости системы электроснабжения потребителей, объединенных в сетевой кластер, может использоваться связь, шунтирующая ВПТ - байпас; с его помощью возможно проводить работы по техническому обслуживанию и ремонту ВПТ без перерыва подачи ЭЭ потребителям; кроме того, байпас возможно применять для реализации энергосберегающих режимов при наличии суточной или сезонной неравномерности объема перевозок по магистрали; в режимах малых тяговых нагрузок ВПТ можно отключать и осуществлять электроснабжение кластера непосредственно от шин ТП; при этом будет иметь место экономия ЭЭ за счет исключения потерь в выпрямителе и инверторе ВПТ.

• за счет применения фильтра высших гармоник могут быть улучшены показатели качества электроэнергии по несинусоидальности на шинах 6-10 кВ тяговой подстанции.

• вставка постоянного тока обеспечивает заметное ограничение (в рассмотренном примере более чем в 3 раза) токов короткого замыкания, рис. 9; 101.

• возможно снижение длительности провалов напряжения небольшой глубины на основе регулирования коэффициента модуляции инверто-

ра; такие провалы могут часто возникать в РЭС, например, вследствие пуска электродвигателей, подключения мощных нагрузок.

1000 еоо

ЕйО 400 200

-200 -400 -600 -800 -1000

0 45 0 5 0 55 0 6 0 65

Рис. 9. Изменение токов в месте КЗ при включенной ВПТ

3000 ' ' 4 ---

2000 1000

-1000 -2000

Рис. 10. Изменение токов в месте КЗ при включенном байпасе

• наличие шин постоянного тока в сетевом кластере позволяет подключать нетрадиционные источники электроэнергии, которые могут работать с частотой, отличной от 50 Гц; при этом работа ВГУ в составе сетевых кластеров позволяет повысить надёжность электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог переменного тока.

• динамические искажения напряжения можно уменьшить на основе применения накопителя электроэнергии (литий-ионного аккумулятора) и автоматического регулятора коэффициента модуляции инвертора (рис. 6).

В третьей главе для управления режимами установок РГ, работающих в составе сетевых кластеров, предложено использовать автоматический регулятор частоты вращения (АРЧВ) с ПИД-регулятором и микропроцессорный автоматический регулятор возбуждения (АРВ-М). В устройстве АРВ-М все операции по регулированию напряжения осуществляются микропроцессорами с помощью специальных алгоритмов, что позволяет расширить объём функций АРВ. Кроме того существенно упрощается наладка, настройка и эксплуатация систем

возбуждения и обеспечивается связь с АСУ более высокого уровня на основе цифровых интерфейсов.

Для определения параметров, характеризующих каналы регулирования по напряжению и частоте АРВ с учётом влияния АРЧВ объект управления необходимо представить двухсвязным, имеющим две выходных величины -частоту вращения ротора со, и напряжение генератора £/9 ; при этом многосвязный регулятор будет иметь диагональные связи (рис. 11).

На рис. 11 обозначено:

WAP4B — комплексная передаточная функция АРЧВ, определяемая по выражению:

ivAP4B Jk, W --_?

{р 0.10«) 0.01O®) + lJ 0.5(ja) +6.5(jw) + l где кр, к), kd - коэффициенты регулирования АРЧВ; \V"ra - комплексная передаточная функция канала АРВ по частоте:

*„» | KAJa) .

АРВ 0.0260'®) +1 0.90®) + 1 ' W"m - комплексная передаточная функция канала АРВ по напряжению:

wu fco,, , kh,(jcd)

АРВ 0.0140®) +1 0.0260"®) +1 ' где кЛп к/и, k(k,j и к\„, - коэффициенты каналов АРВ по напряжению и по частоте.

Алгоритм оптимальной настройки АРВ и АРЧВ генераторов установки РГ проиллюстрирован на рис. 12 и предполагает получение математического описания исследуемой системы в виде характеристического полинома. Для этого используется метод пассивной непараметрической идентификации (рис. 13). При получении комплексных передаточных функций основных и перекрестных связей турбогенератора на базе априорной информации о процессе

находятся отношения спектров выходных и входных сигналов. Для достаточно точной оценки динамики системы следует применять для идентификации широкополосные сигналы. Так как вмешательство в процесс эксплуатации СЭЖД нежелательно, то применяется подход, в котором тестовое воздействие осуществляется на основе выделенного с помощью вейвлет-преобразования шума регулятора.

Рис. 12. Алгоритм оптимальной настройки АРВ и АРЧВ генераторов установки РГ: ГА - генетический алгоритм

Когда в СЭЖД имеется установка РГ с несколькими параллельно работающими генераторами, идентификацию и согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ предлагается проводить в два этапа (рис. 14). На первом этапе такую систему следует представить в многосвязном виде (например, для двух генераторов, рис. 15), и определять оптимальные настройки АРЧВ параллельно работающих генераторов. При этом передаточные функции генератора И7Г и турбины находятся экспериментально в виде частотных характеристик, как отношения спектров выходных и входных сигналов соответствующих звеньев.

Определение «полосы пропускания» ЭЭС

Расчёт шага дискретизации и длины исходных выборок

I

Получение исходных временных выборок в соответствии с _фиксированной длиной_

Выделение шума регулятора

с помощью вейвлет-_преобразования_

Получение эксг непараметрическ помощь ериментальной эй оценки \\'^<±>) с ю ДПФ

Сглаживание эмп комплексной пере сист фическои оценки даточной функции емы

Анализ состоятельности полученной модели

ЗЕ

Рис. 13. Алгоритм пассивной

идентификации

Рис. 14. Алгоритм идентификации и согласованной настройки АРВ и АРЧВ

На втором этапе необходимо выполнить идентификацию подсистемы «турбина-генератор» установки РГ с настройками регулятора частоты, которые были получены на первом этапе. При этом отдельная подсистема «турбина-генератор» представляется в виде комплекс-

ных передаточных функций основных каналов и перекрестных связей регуляторов и генератора (рис.11).

' Аа.Гг

Яд

И^-п

| '

1 т " Т2 | j

** АРЧВ 2 Г I1

___ : ! ___.5 __

Рис. 15. Схема двух связанных систем регулирования частоты

Полученные результаты показали эффективность методики согласованной настройки АРВ и АРЧВ турбогенераторов установки РГ, заключающейся в снижении времени регулирования и перерегулирования частоты и напряжения, а при больших возмущениях - обеспечении устойчивости (рис. 16).

16 17 18 19 20 Время, с

1.002 1.0015 1.001

> 1.0005

> 1 | 0.9995

0.999 0.9985 0.998 0.9975

14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

а)

б)

Рис. 16. Изменение частоты вращения генератора при подключении мощной тяговой нагрузки в момент времени 16 с: а) без использования регуляторов; б) применение согласованно настроенных АРВ и АРЧВ

Использование методики согласованной настройки АРВ и АРЧВ параллельно работающих турбогенераторов установки распределённой генерации в системе электроснабжения железной дороги позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости, нормативное качество электроэнергии и высокую надёжность электроснабжения нетяговых потребителей.

В заключительном разделе главы описаны результаты разработки нечёткого регулятора для ветрогенерирующей установки (ВГУ), работающей в составе сетевого кластера (рис.17). Ветроэнергетический агрегат относится к классу нелинейных и нестационарных объектов, для управления которыми можно применять нечёткие (fuzzy) регуляторы. Рассматривается горизонтально-осевая тихоходная ВГУ с безредукторным синхронным генератором (БСГ).

В предлагаемой нечёткой системе управления ВГУ используются нечёткие терм-множества для лингвистических переменных, представ-

ленные в табл. 1

Таблица 1

Терм-множества нечёткой системы управления ВГУ

Лингвистическая переменная Обозначение Значения

Отклонение частоты вращения ротора da> №? — отрицательное большое; N8 - отрицательное малое; 2 -нулевое; РБ - положительное малое; РВ - положительное большое

Значение мощности ВГУ Р, УХ - очень малое; 5 - малое; А - среднее; В — большое; М — максимальное

Скорость ветра V - слабая; В - базовая; 5 -сильная

Приращение механической мощности йРт N - отрицательное; 2 - нулевое; Р - положительное

Угол поворота лопастей \ngle X - нулевой; У5 - очень малый; Я - малый; А - средний; В - большой; УВ - очень большой; Ь - предельный

Результаты компьютерного моделирования показывают, что управление мощностью ВГУ позволяет сохранить устойчивость при вариациях скорости ветра и изменении нагрузки потребителей. Предложенная методика позволяет сформировать универсальную базу правил, обеспечивающую эффективную работу ВГУ в автономном режиме и в составе сетевого кластера. При этом если номинальная мощность установки РГ ниже питаемой нагрузки, применение ВГУ при отключении основного питания позволяет поддерживать напряжение потребителей на нормальном уровне (рис.18).

а)

Время, с

б)

Рис. 18. Изменение напряжения на шинах 6 кВ, возникающее при отключении основного питания:а) РГ и ВГУ включены; б) ВГУ отключена

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведённых в диссертационной работе исследований решена актуальная научно-техническая задача разработки эффективных методов управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог; при этом получены следующие результаты:

• предложены технологии управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, основанные на использовании сетевых кластеров, выполненных с помощью автоматически регулируемых вставок постоянного тока;

• разработана система автоматического управления, предназначенная для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевого кластера, и построенная на основе согласованно настроенных автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения;

• предложена методика согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения синхронных генераторов, предназначенная для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевых кластеров;

• разработаны алгоритмы управления режимами сетевых кластеров, построенные с использованием интеллектуальных регуляторов;

• предложена методика настройки нечёткого автоматического регулятора для ветрогенерирующей установки, позволяющая синтезировать базу правил для эффективной работы этой установки в составе сетевого кластера.

Результаты моделирования районов электроснабжения нетяговых потребителей и практические рекомендации по улучшению качества электроэнергии с помощью применения сетевых кластеров использованы в научно-технических разработках ООО «Энергостройконсалт». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах «Электроэнергетика транспорта» ИрГУПСа и «Электроснабжение и электротехника» ИРНИТУ.

Дальнейшее развитие исследований по разработке методов управления режимами систем электроснабжения железных дорог на основе сетевых кластеров целесообразно проводить в направлении создания автоматических регуляторов для асинхронизированных турбогенераторов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах

- в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Влияние установок распределенной генерации на качество электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. №4(36). 2012. С. 162-167.

2. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Сетевые кластеры в системах электроснабжения железных дорог переменного тока // Системы. Методы. Технологии. 2013. №1 (17). С 59-63.

3. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Автоматические регуляторы для установок распределенной генерации // Системы. Методы. Технологии. №3 (23). 2014. С. 108-116.

4. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Улучшение качества электроэнергии нетяговых потребителей путем применения автоматически управляемых установок распределенной генерации // Системы. Методы. Технологии. 2014. №4 (24). С.

5. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Нечёткие регуляторы для ветрогенерирующих установок // Проблемы энергетики. № 7-8.

2014. С. 60-69.

6. Чан Зюй Хынг. Снижение провалов напряжения в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог// Вестник ИрГТУ.

2015. №2(97). С. 218-223.

7. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Согласованная настройка регуляторов установок распределенной генерации, работающих

в системе электроснабжения железной дороги // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1(25). С. 94-102.

8. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг Интеллектуальные регуляторы для установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2(46). С. 83-95.

— Монография:

9. Арсентьев М.О., Арсентьев О.В., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Распределенная генерация в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск: ИрГУПС, 2013.164 с.

- в других изданиях:

10. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Анализ симметрирующего эффекта распределенной генерации // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Т.2. Иркутск: ИрГУПС, 2012. С. 75-81.

П.Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Моделирование систем электроснабжения железных дорог, включающих сетевые кластеры // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. Вып. 22. Иркутск: ИрГУПС, 2013. С. 96-100.

12. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Применение технологии сетевых кластеров в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Информационные и математические технологии в науке и управлении. 4.1. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2013. С. 115-120.

13. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Моделирование аварийных режимов в сетевых кластерах // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Т.2. Иркутск: ИрГУПС, 2013. С. 52-56.

14. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Применение технологий сетевых кластеров в системах электроснабжения железных дорог // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Т.2. Иркутск: ИрГТУ, 2013. С. 119-125.

15. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Применение вставок постоянного тока в электроэнергетике железнодорожного транспорта // Электроэнергетика глазами молодёжи. Т.2. Новочеркасск: Лик, 2013. С. 340-344.

16. Чан Зюй Хынг. Применение вставок постоянного тока в системах электроснабжения нетяговых потребителей // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте. Иркутск: ИрГУПС, 2013. Вып. 23. С.91-96.

17. Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Повышение эффективности электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Энергетика в современном мире. Чита, 2014. С. 94-100.

18. Крюков A.B., Ушаков В.А., Чан Зюй Хынг. Снижение провалов напряжения в системах электроснабжения нетяговых потребителей // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. В 2-х т. Т.2. Иркутск: ИрГУПС, 2014. С. 52-57.

19. Чан Зюй Хынг. Снижение провалов напряжения при удаленных коротких замыканиях // Молодая мысль - развитию энергетики. Братск, 2014. С. 246-251.

20. Крюков A.B., Ушаков В.А., Чан Зюй Хынг. Уменьшение динамических искажений напряжения в системах электроснабжения нетяговых потребителей // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. В 2-х т. Т.2. Иркутск, 2014. С.289-293.

21. Крюков A.B., Ушаков В.А., Чан Зюй Хынг. Моделирование провалов напряжения в системах электроснабжения нетяговых потребителей // Информационные и математические технологии в науке и управлении. Ч. 1. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2014. С. 47-53. (0,44 пл.; 33 %).

22. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Сетевые энергетические кластеры // Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. Братск: БрГУ. 2014. С. 46.

23. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Синтез нечеткого регулятора ветрогенерирующей установки // Естественные и инженерные науки — развитию регионов Сибири. Братск: БрГУ. 2014. С. 11.

24. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Применение алгоритмов согласованной настройки регуляторов турбогенераторов установки распределённой генерации // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. 2014. Т. 2. С. 130-139.

25. Булатов Ю.Н., Крюков A.B., Чан Зюй Хынг. Автоматическое регулирование возбуждения и скорости синхронных машин, входящих в состав установок распределенной генерации // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Иркутск: Ир-НИТУ, 2015.Т.2. С. 85-90.

Подписано в печать 08.07.2015. Формат 60 х 90 /16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Зак. 192. Поз. плана 9н.

Отпечатано в издательстве ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83