автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Законы регулирования и режимы работы асинхронизированного компенсатора в энергосистеме

На правах рукописи

Мнев Роман Дмитриевич

Законы регулирования и режимы работы асинхронизированного компенсатора в энергосистеме

Специальность 05.14.02 Электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 6 НАР 2014

Москва - 2014

005545574

Работа выполнена в Открытом акционерном обществе «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»)

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Шакарян Юрий Гевондович

Смоловик Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор ОАО «НТЦ ЕЭС», заместитель заведующего Отделом проектирования и развития энергосистем

Шамонов Роман Гейнадьевич,

кандидат технических наук

ОАО «ФСК ЕЭС», начальник отдела

электрических режимов Департамента

оперативно-технологического

управления

Ведущая организация:

Федеральное государственное

бюджетное учреждение науки Институт электрофизики и электроэнергетики РАН (ИЭЭ РАН)

Защита состоится 23.04.2014 в 14:00 на заседании диссертационного совета Д 512.002.01 при ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу: 115201, Москва, Каширское шоссе, д.22, корп.З

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» по адресу ntc-power.ru.

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета Д 512.002.01,

Д.Т.Н., ст.н.с.

Новиков Николай Леонтьевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС) требует введения новых способов и методов управления режимами ЭЭС, а также новых устройств, позволяющих обеспечить выполнение непрерывно возрастающих требований к качеству электроэнергии и надёжности энергоснабжения. Эти тенденции нашли своё выражение в концепции интеллектуальных сетей.

Режимы работы статических устройств FACTS исследованы достаточно подробно, тогда как свойства сетевых электромашинных устройств FACTS с векторным управлением изучены ещё недостаточно.

Традиционно основными электромашинными компенсирующими устройствами были синхронные компенсаторы (СК), однако в процессе развития ЭЭС всё яснее становятся их недостатки, главный из которых - несимметрия рабочего диапазона: в режиме потребления СК может нести не более 40% номинальной мощности, кроме того, СК имеет ограниченный диапазон устойчивых режимов. При работе на линию большой протяжённости этот недостаток приобретает важное значение.

Этих недостатков лишены асинхронизированные машины (АСМ). Наиболее распространёнными асинхронизированными машинами в России являются турбогенераторы (АСТГ). Им посвящено значительное количество исследований. АСТГ являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 50 лет назад по идее и под общим руководством проф. Ботвинника М.М. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учёными Шакаряном Ю.Г., Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Лабунцом И.А., Кузьминым В.В., Плотниковой Т.В., Лохматовым А.П., Пинчуком Н.Д. и др.

Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштынской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введён в эксплуатацию второй такой же турбогенератор. На станциях московского энергоузла АСТГ установлены на ТЭЦ-22, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21 и Каширской ГРЭС.

Использование дополнительной (поперечной) обмотки на роторе СК как средства повышения управляемости рассматривалось в работах Соколова Н.И. и продолжены Каспаровым Э.А. Однако при предложенных ими принципах управления машина оставалась синхронной.

В то же время асинхронизированные компенсаторы (АСК) в российских энергосистемах практически отсутствуют - в настоящий момент в работе находится только два АСК, мощностью 100 MB Ар каждый, установленные на ПС «Бескудниково» и введённые в эксплуатацию в 2012 году. Из имеющихся разработок в мировой практике можно отметить опыт Японии, где в 1996 г. была введена в эксплуатацию установка ROTES мощностью 26,5 МВА.

При этом преимущества АСК как с постоянной, так и с переменной частотой вращения говорят о необходимости широкого внедрения АСК в энергосистемы России. Однако для наиболее эффективного использования АСК необходимо более глубокое изучение его свойств как элемента энергосистемы для расширения спектра возможностей его применения, а также более тщательная разработка принципов регулирования данного класса машин.

Следует отметить, что теоретическая база АСК проработана в недостаточной степени. Законы регулирования, в настоящее время применяемые в АСК и являющиеся для них уже традиционными, предполагают работу в условиях концентрированной энергосистемы, а именно при наличии информации о напряжении мощных шин. Такие же принципы были реализованы на АСК, установленных на ПС «Бескудниково». При этом исследований, посвященных работе АСК в условиях отсутствия мощных шин не проводилось. Кроме того, практически не проводилось исследований, посвященных особенностям работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения и изучению возможностей его применения как демпфера колебаний активной мощности.

В настоящей работе решаются актуальные задачи изучения свойств АСК как элемента энергосистемы, разработки принципов его регулирования, а также работа АСК с переменной частотой вращения как демпфера колебаний активной мощности.

Цели и задачи работы.Целями настоящей работы являются: разработка законов регулирования АСК при работе в энергосистеме, исследование режимов работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения, а также выработка практических рекомендаций по применению АСКМ как демпфера колебаний активной мощности.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие

задачи:

1. Исследование режимов работы АСК в энергосистеме.

2. Разработка законов регулирования АСК с обеспечением выполнения условий статической устойчивости в зависимости от наличия либо отсутствия информации об эквивалентном напряжении мощной сети.

3. Разработка законов регулирования АСКМ как демпфера колебаний активной мощности.

4. Исследование возможных областей применения АСКМ в энергосистеме и выработка методических рекомендаций по его внедрению в ЭЭС. Методы решения задач.

1. Математическое моделирование АСК. Построенная модель включает в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева, модель системы возбуждения и управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.

2. Исследование статической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме методом малых приращений с анализом по алгебраическому критерию Гурвица (анализ коэффициентов характеристического полинома).

3. Исследование динамической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме численным методом.

4. Моделирование в реальном времени прототипа АРВ в цикле HIL (hardware in the loop, программно-аппаратное моделирование) на специализированном компьютерном стенде.

5. Проектирование и конструирование программно-аппаратного комплекса на базе программного продукта Matlab хРС для проверки в режиме реального времени законов управления АСК, реализованных в реальном прототипе АРВ.

Научная новизна. В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые результаты:

1. Доказана недостаточность разработанного ранее закона регулирования АСМ при его применении для АСК при работе в энергосистеме.

2. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие максимальный диапазон статически устойчивых режимов в энергосистеме как при наличии, так и при отсутствии информации о напряжении мощной сети.

3. Проведён сравнительный анализ различных вариантов исполнения датчика положения ротора АСКМ и даны рекомендации по его выбору.

4. Разработана методика нахождения оптимального соотношения установленной мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для различных областей его применения в энергосистеме.

Положения, выносимые на защиту.

1. Результаты исследований режимов работы АСК с т.н. «традиционным» законом регулирования.

2. Новые законы регулирования АСК, обеспечивающие статическую устойчивость режимов работы ЭЭС при наличии либо отсутствии информации о напряжении мощной сети.

3. Рекомендации по применению АСК с переменной частотой вращения.

4. Методика расчёта оптимального соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ для обеспечения эффективности работы в энергосистеме.

Практическая ценность. При проведении комплекса исследований по диссертационной работе получены следующие практические результаты:

1. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие устойчивую работу АСК в ЭЭС.

2. Разработана методика расчёта оптимального соотношения параметров системы возбуждения и маховика, а также диапазона частот вращения АСКМ при работе в энергосистеме.

3. Предложены и проанализированы возможные области применения АСКМ в энергосистеме.

4. Создан и испытан макет регулятора возбуждения для АСК на компьютерном стенде в режиме реального времени.

5. Результаты, полученные в диссертации, верифицированы по результатам системных испытаний на компенсаторе АСК-100-4 на подстанции «Бескудниково».

Внедрение. Заводом «Электросила» были изготовлены и установлены на ПС «Бескудниково» два АСК мощностью 100 МВА типа АСК-100-4. При непосредственном участии автора настоящей диссертации были проведены расчёты режимов работы АСК, а также проведены комплексные испытания, позволившие получить практическое подтверждение теоретических выводов диссертации.

Апробация. Материалы диссертации, основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:

1. Мнсв Р.Д. «Пуск и синхронизация на выбеге асинхронизированного компенсатора», «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика. Шестнадцатая международная конференция студентов и аспирантов» Том 2. Москва, 2010, с. 29.

2. P.V.Sokur, Y.G.Shakaryan, T.V.Plotnikova, LY.Dovganjuk, R.D.Mnev, N.D.Pinchuk, O.V.Antonuk, A.V.Sidelnikov, D.V.Zhukov, Y.A.Demcntyev, V.M.Scdunov "The new reactive power compensators with the two-axial excitation for electric machines", Cigre session 44, 26-31 august 2012, Paris, Al-101-2012.

Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертации, опубликованы в 5 печатных работах, в том числе 4 статьи в рецензируемых и входящих в перечень ВАК изданиях. Получено свидетельство о государственной регистрации npoi-раммы для ЭВМ.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 44 наименований и одного приложения. Материал изложен на 172 страницах и содержит 79 рисунков и 16 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, отражена её новизна и обоснована необходимость проводимых исследований, а также даны основные определения.

В первой главе описывается используемая математическая модель ЛСК, дан обзор вариантов ей реализации в прикладном программном обеспечении и проведено их сравнение. Также дано описание асинхронизированного принципа управления. Разработан дополнительный вариант реализации математической модели, для испытаний и наладки натурных образцов ЛРВ.

В качестве основы для моделирования принята универсальная математическая модель асинхронизироваипой машины, включающая в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева (по полным уравнениям с учетом общепринятых допущений для мощных машин), модель системы управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.

Проведбн обзор различных компьютерных моделей в программном пакете Matlab Simulink, построенные на основе универсальной математической

модели. Проведена систематизация различных типов моделей в зависимости от решаемых задач, а именно:

о модель в ортогональной системе осей (по упрощенным уравнениям) для исследования электромеханических процессов; позволяет решать задачи синтеза законов регулирования АСК; о трёхфазная модель (по полным уравнениям) для исследования электромагнитных процессов; позволяет подробно моделировать несимметричные режимы работы.

Оба типа моделей строятся на основе известных уравнений Парка-Горева для асинхронизированных машин. Отличие между моделями заключается в уравнениях статора. Полное уравнение в векторной форме для статорной цепи выглядит следующим образом:

ач*

и = г • Г + ——I- / • (1 + аС

В случае асинхронизированной машины в системе координат с1 д, связанной с ротором, уравнения статора принимают вид

и9=г-19-а>гх¥й+рУ!¥9~

>

ий =г-Ъ+а)гх¥д+рЧ?^

В таком виде уравнения статора вводятся в трёхфазной модели. При построении модели в ортогональной системе осей дополнительно пренебрегается активным сопротивлением (г = 0) и электромагнитными переходными

йц/

процессами в статорной цепи -— и. Допущение о равенстве нулю активного

¿и

сопротивления правомерно, поскольку активная мощность, рассеиваемая на обмотке статора, несоизмеримо меньше активной мощности нагрузки АСК. Тогда уравнения статора примут следующий вид:

Разработка законов регулирования проводится с помощью модели в ортогональной системе осей (упрощенной). Затем на трёхфазной модели проверяется работа полученных алгоритмов при быстротекущих процессах и в неполнофазных режимах, а также строится силовая часть системы возбуждения. После этого разработанные алгоритмы управления закладываются в натурный образец ЛРВ и проверяются в режиме реального времени.

Для испытаний и наладки натурного образца ЛРВ в режиме реального времени важное значение имеет моделирование переходных процессов в преобразователе частоты в роторной цепи. В то же время электромагнитные процессы, происходящие в электрической машине, не являются предметом исследования.

Поэтому для работы в режиме реального времени на компьютерном стенде ОЛО «НТЦ ФСК ЕЭС» была разработана комбинированная модель для работы в реальном времени по методологии HIL (hardware in the loop), в которой трёхфазные блоки энергосистемы и электрической машины заменены на блоки в ортогональной системе осей. Такой подход позволяет, с одной стороны, сохранить и проверить в реальном времени разработанную на предыдущем этапе схему силовой части системы возбуждения, а с другой - не затрачивать ресурсы на моделирование электромагнитных процессов в электрической машине.

Во второй главе рассмотрены условия статической устойчивости ACIC в энергосистеме. Рассматривается включение ACIC в середину протяжённой линии, так как этот случай является наиболее тяжелым для его работы, поскольку именно в середине длинной линии имеет место наибольшее отклонение (уменьшение или увеличение) напряжения. Также в главе показывается разница между регулированием АСК и АСКМ.

Для любой электрической машины существуют понятия множества допустимых, рабочих и устойчивых режимов. Под режимом подразумевается совокупность значений активной и реактивной мощностей, а также скольжения.

Множество допустимых режимов Ол определяется ограничениями на параметр],I режима машины - например, по номинальным токам ротора и статора, по номинальным или предельным напряжениям и т.п. Рсжйм считается допустимым тогда, когда все параметры находятся в пределах своих ограничений.

Множество рабочих режимов Gp задаётся на этапе выбора машины для работы в конкретных условиях. Очевидно, что множество рабочих режимов должно полностью входить в множество допустимых режимов.

Множеством устойчивых режимов Оу является совокупность всех режимов машины, в которых сё регулирование обеспечивает статическую устойчивость.

Таким образом, требование, предъявляемое к электрической машине для сё работы в ЭС, выглядит следующим образом:

Множество Ор задастся исходя из условий применения машины, множество Од определяется её конструкцией. Следовательно, для наиболее широкого применения любого типа машин необходимо синтезировать такой закон управления, при котором множество устойчивых режимов будет как можно ближе к множеству допустимых или превышает его, и, очевидно, превышает множество возможных рабочих режимов, т.е.

В случае АСК множеству рабочих режимов соответствуют режимы, при которых угол по линии не превышает 90 град, а множество допустимых -• режимы с углом по линии от 0 до 180 храд. Задачей настоящего исследования является отыскание такого закона рс1улирования, для которого будет выполняться условие (5), причём множество устойчивых режимов будет как можно ближе к множеству допустимых режимов.

Традиционно в расчётах статической устойчивости АСМ в качестве опорного вектора для риулятора возбуждения принимается вектор эквивалентного напряжения мошной сети Uc. Однако в реальных условиях это напряжение, как правило, либо труднодоступно, либо отсутствует как измеримая величина, поэтому в качестве такого вектора берётся вектор напряжения на верхней стороне трансформатора Ue (т.н. собственного напряжения АСК). Для находящихся в эксплуатации АСМ такая замена правомерна, поскольку они работают в концентрированных энергосистемах, где UB и Uc практически не отличаются друг от друга. Однако в случае работы АСК на протяженной линии разница между Ug и Uc становиться существенной, и выбор опорного вектора может оказать ощутимое влияние на работу регулятора возбуждения. Поэтому в настоящей работе было проведено исследование работы АСК с использованием в качестве опорного вектора как напряжения мощной сети, так и собственного напряжения АСК.

Структура pei-улятора, реализующего традиционный закон управления АСК, приведена па Рисунок. 1

(4)

(5)

Рисунок. 1 Структурная схема регулятора АСК Разница между регулированием АСК и АСКМ заключается в величине, используемой в канале регулирования момента (см. Рисунок. 2). Если на вход этого канала подать ноль, то такая машина теоретически будет вращаться с постоянной частотой и выполнять функции АСК. На практике для компенсации активных потерь необходимо ввести в этот канал регулирование по отклонению механического угла ротора вместо активной мощности. Для работы машины в качестве АСКМ необходимо ввести в канал момента регулирование либо по активной мощности, либо по скольжению.

Рисунок. 2 Отличие каналов момента в регуляторах АСК и АСКМ

Задачей настоящей работы является выяснение принципиальной возможности устойчивой работы АСК в принятой схеме при управлении по различным законам регулирования и выбор наиболее подходящего закона.

Для исследования статической устойчивости рассматриваемой системы применён метод малых приращений с анализом коэффициентов характеристического полинома согласно критерию Гурвица.

Анализ характеристического полинома в общем виде проводился для характерных режимов:

• 52:'■ 0, что соответствует нулевому перетоку активной мощности по линии;

• 6? - ' я/2, что соответствует передаче максимальной активной мощности по линии;

• 82 ■"" я, поскольку одиночная АСМ устойчиво работает в диапазоне углов 0 < 8, < я (1), представляет интерес рассмотрение аналогичного режима для параллельной работы ЛСК и СГ.

Помимо анализа работы системы в характерных режимах, проведённого в общем виде, был проведён численный анализ устойчивости системы при изменении угла 5? от 0 до я при некоторых принятых значениях коэффициентов регулирования. Оптимальная настройка параметров системы возбуждения не входила а задачи настоящей работы.

Было рассмотрено как риулирование с использованием в качестве опорного вектора в роуляторе ЛСК эквивалентного вектора напряжения мощной сети, так и вектора напряжения в точке подключения ЛСК. Дня каждого случая был изучен традиционный закон pci-улирования ЛСК, а именно

е2 V = е2 у0 + kM2s (S ~ S van )

(6)

е2,=е2*0 +kU2u(U g-ü уст)

Исследования статической устойчивости при таком законе регулирования показали его недостаточность в обоих случаях. Поэтому были предложены новые законы регулирования, обеспечивающие статическую устойчивость во всем диапазоне допустимых режимов. Предлагаемые законы управления выглядят следующим образом.

Для управления по напряжению мощной сети:

^ = е2ф + kM2s О - Sycm ) + kM2V (U ~ U уст ) + kM%s

(7)

^ = e2d0 + kU2U (Ug - Uycm ) + kU2s O ~ S уст )

Для управления по собственному напряжению: «2 V = е2,0 + kM2S О ~ Sycm ) + kM25AS2

= «2x0 + kU2U (Ug ~ Uуст ) + kU2SA^2

Оба разработанных закона регулирования позволяют выполнить условие (2) и, кроме того, при их реализации множество устойчивых режимов Gy практически совпадает с множеством допустимых режимов Од, обеспечивая, таким образом, значительный запас устойчивости.

Для примера в таблицах 1-2 приведено исследование статической устойчивости системы для управления по разработанному закону с использованием в качестве управляющего вектора «собственного» напряжения компенсатора. В таблице 1 - характеристический полином, в таблице 2 -коэффициенты характеристического полинома.

Для проверки полученных в настоящей главе результатов были проведены исследования на компьютерной модели, построенной в Matlab Simulink.

Дня каждой характерной точки было проведено два опыта: в одном случае в качестве опорного вектора для регулирования ЛСК был использован' вектор напряжения мощной сети, а в другом - вектор собственного напряжения ЛСК.

В качестве возмущающего воздействия было выбрано скачкообразное изменение активной мощности турбин синхронных генераторов на величину -0,1 o.e. (кроме случая 5,. -•• 0 град, когда эта величина была выбрана равной +0,1 o.e.) длительностью 5 с.

Результаты моделирования показали, что теоретические выводы о выполнении условий статической устойчивости системы в данных режимах (при выборе соответствующего закона регулирования) подтверждаются экспериментами на компьютерной модели.

Кроме того, для случая 82 90 град была проверена динамическая устойчивость системы. В качестве возмущающег о воздействия было выбрано КЗ длительностью 0,12 с на верхней стороне трансформатора ЛСК. Результаты исследования показали, что при управлении по разработанному закону система динамически устойчива. Осцилло1раммы опытов с разными опорными векторами приведены на рисунке 3.

По результатам проведенных исследований в настоящей диссертации рекомендуется применение закона регулирования, в канале напряжения которого используются обратные связи по напряжению и углу по линии, а в канале момента - по скольжению и также углу по линии. В качестве опорного рекомендуется использовать вектор собственного напряжения АСК.

Таблица 1 Характеристический полином (регулирование по Ug, разработанный закон)

___Д52______Д51______As2_______AUg_

i i ' " , 'i

! 771 ^L^1 • j L^ 1 ^

[-1 + (E2y-kM2s)-^j~] ; y~ZU~ ' ~ M2s'ziT I 0

i § ^

_____ ^ ,

+1 (x2UeE\9+xLÉ yfc^'iv) I kV2 u^E

L 77'

x

-kL2¡^u^Sl-x,E\A z y 2y —f-viuccosóí-rxley) Д£.}

Таблица 2 Коэффициенты характеристического полинома (регулирование по и§, разработанный закон)

аъ ~~ ^г 2, ( X х} Л 1 1 /г 1 1 1 -г п,и2и ~ V £ ) \

"2 1 2 -1+Кти ис ис &тб2 -хьЕ1х) Л ; ^ ^ \ \ > |

■ 1 -г (£2.. кЫ1г) 1" 1 -г ки 1и 1 • ;(х2{/с£'!?-!-*/_£'1. £2„) . ка1и 12 Е'х ; т 1

« ^ У ' / - >

-к \-\~k Х'Х ■ ^Р'2 Х'-Х1 ■ к х1-х2 ру С<

, /-1* кип: *ф.\(Х1иеЕ\щ + х,Е\Е1г)х\и,с оз Зг -г х^Ц.Б1., £".,]- Щ±-х)х,х\ и СЕ'„ Е\-\

= к , ' [

I ~ '' и с зш 5гх [_х\ (,х1х1Е'г-х'. хги с Е'.^г-х, Е1;,Е\:.) !

а) опорный вектор - ис Рисунок. 1 Динамическое возмущение при 62 = 90 град

В третьей главе рассмотрены общие вопросы работы АСК с переменной частотой вращения (ЛСКМ) в качестве демпфера активной мощности.

Необходимо отметить, ч то демпфирование активной мощности АСК нисколько не исключает и не ухудшает его характеристик как регулятора реактивной мощности. Вопрос регулирования реактивной мощности с помощью асинхронизированных машин был исследован в гл. 2, в настоящей же главе проведено исследование АСКМ именно как демпфера колебаний активной мощности, а также рассмотрены вопросы регулирования АСКМ, позволяющего ему выполнять специфические функции, связанные с демпфированием колебаний активной мощности.

Общая блок-схема ЛСКМ приведена на Рисунок. 4.

Тр сп

ротор

иг,К, О!

Роторный ПЧ

св

Сотоной ПЧ |

-м...... I

•ж-

с

ш

^ Регулятор роторного Г1Ч |

гогулятор роторного сетевого Г1Ч

ГГНТТТ ТТТ

РОГуЛ5ТГОр

сстопого Г1Ч

]

ион сор Г'с иг |*г к ш Оси

Рисунок. 4 Блок-схема АСКМ

АСКМ, сохраняя все свойства и достоинства АСК, благодаря наличию маховика приобретает ряд новых свойств. Как источник

активной мощности АСКМ характеризуется почти мгновенным набором/сбросом мощности, но при этом относительно небольшой ёмкостью. Это сочетание отличает его от имеющихся на сегодняшний день технических решений, предлагаемых для демпфирования колебаний активной мощности. Кроме того, в совокупности с высокой перегрузочной способностью оно делает АСКМ уникальным накопителем активной мощности, способным решать задачи, недоступные для аналогичных устройств. При этом он остаётся также и эффективным регулятором реактивной мощности.

Также в настоящей главе рассмотрены общие вопросы регулирования АСКМ.

Поскольку для АСКМ режим работы с изменяющимся скольжением является штатным, канал момента регулятора настроен на регулирование скольжения либо активной мощности. При ненулевом скольжении частота вращения ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля машины, а значит, токи ротора АСКМ переменные.

Регулятор АСКМ реализует управление как реактивной, так и активной мощностью, поэтому, несмотря на то, что структура регулятора АСКМ подобна общей структуре регулятора АСМ, в его составе имеется дополнительный блок - регулятор тока, реализующий подчинённое регулирование проекций тока ротора на опорный вектор.

Кроме того, для регулирования АСКМ по сравнению с регулированием АСК особое значение имеет точность определения углового положения ротора. Это объясняется тем, что АСК работает с постоянными токами в роторе, и ошибка в несколько градусов в определении положения ротора не скажется на режиме машины - эта ошибка скажется только на распределении токов по обмоткам. В то же время АСКМ, как правило, работает с переменными токами в роторе, и их частота должна быть равна частоте скольжения ротора, иначе работа системы управления будет невозможна. Это приводит к повышенным требованиям к датчику положения ротора (ДПР).

По тем же причинам особое внимание при разработке регулятора уделяется алгоритмам работы со скольжением. Так, в частности, были разработаны алгоритмы работы для случая резервирования питания ответственного потребителя с помощью

ЛСКМ как при наличии, так и при отсутствии телеметрической информации о напряжении энергосистемы.

Для проверки и отработки упомянутых алгоритмов работы регулятора ЛСКМ был разработан макетный образец ЛРВ и проведены его испытания на компьютерном стенде ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС». В качестве аппаратной платформы для регулятора была выбрана продукция фирмы Bcckhoff. Для этого был собран набор из элементарных блоков ввода-вывода под управлением контроллера С6915 на базе операционной системы Windows ХР Embedded. Программирование регулятора производилось с помощью среды разрабоч 'ки 1 winCA I, поставляемой в комплекте с контроллером. Верхний уровень регулятора выполнен на языке CFC; его общий вид представлен на Рисунок. 5.

[_шЫодД'ЩУ!)

Л

Input .convortor inp Olltl

OUtZ ОШЭ !)UM OLltb

outB UUIV rjutil C]Ut9 uutl 0 oull 1 uut12 ОШ13 out14 l>ull!> oirtlfi

Solvflf LJdpr„A sinOelt'i

Udpr В Ug.A Ug a Ubur_A Ubur 0

A !afl Inol.A

lnolJ3 II A" И II UI.A 1)1..» Ud

cqsDBIUI Innt

h'llCil QmJl UburAbs UgAbs UlAbi Ubiu

ug

AI4V_I slnOelto

-nsOofel

Inat

Pg

Qg Pnat

Qmit

UharAba

UgAbs

UtAbs

Ubur

Ua_________

yAvrA yAvrB yAvrC

___DAOut. A__ _

DAQulpul " у ¡nnrm»lixRdr,signal________drJ.jiignal) -

_ DAOuLH

Г DAGutput -•jnormalizHd.,sign«j ______

(yi..signaj|

AOutputA__

AOulpul

^ncmniilizHd. .slgnul___ с<Н..е1дпа|Ц

_ _AOulfjulJj _

[............ AOuiput

--------|nr)fmeiiM3dv,8igntil _ _Gy.,sigpnl|

AOutpiit_C __ I..................AOulpul-'" "" у

— (nnrmalirerj fiigmd____

Рисунок. 5 Верхний уровень peiymrropa роторного инвертора на языке CFC

В четвёртой главе рассмотрены вопросы практической реализации и применения АСКМ в энергосистеме.

Рассмотрены вопросы работы датчика углового положения ротора, поскольку корректное определение положения ротора необходимо для правильной работы системы регулирования машины, работающей с переменной частотой вращения.

Рассмотрена работа АСКМ с импульсным и аналоговым ДПР. С учётом аварийных динамических режимов предпочтительнее использование аналогового ДПР, поскольку, в отличие от импульсного

ДПР, он не является потенциальным источником запаздывания в системе регулирования.

Разработана методика определения оптимального соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика, основанная на критерии минимальной суммарной стоимости агрегата.

В качестве входных величин данная методика использует следующие параметры:

• максимальная активная мощность (выдаваемая и потребляемая);

• максимальное время выдачи (потребления) активной мощности.

Эти величины должны определяться индивидуально для каждого случая применения АСКМ. В результате оптимизационного расчбта определяются:

• максимальное скольжение ЛСКМ;

• момент инерции маховика.

Для каждого набора входных величин максимальное скольжение и момент инерции связаны однозначно, поэтому одну из этих величин можно использовать как независимую переменную. Тогда можно построить графики стоимости маховика и системы возбуждения, а также их суммарной стоимости, от максимального скольжения. Полученные графики приведены на Рисунок. 6. Видно, что суммарная функция имеет единственный минимум; соответствующие ему максимальное скольжение и момент инерции будут оптимальными параметрами. Однако надо учитывать также конструктивные ограничения маховика и системы возбуждения.

а) Зависимость стоимости б) Зависимость стоимости системы возбуждения от маховика от максимального максимального скольжения скольжения

Рисунок. 6 Иллюстрация оптимизационного расчёта АСК с маховиком.

Полученными результатами следует руководствоваться при проектировании и конструировании конкретного АСКМ для каждого случая его применения.

Дан обзор областей возможного применения АСКМ в энергосистеме, и для каждого применения проведён расчёт оптимального соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика с помощью разработанной методики.

Автором настоящей работы были предложены и исследованы следующие области возможного применения АСКМ:

(3) • повышение динамической устойчивости ЭС

о отбор избытка мощности при отключении

части нагрузки; о сглаживание колебаний активной мощности;

о улучшение качества регулирования частоты в ЭС;

• резервирование электроснабжения

о резервирование питания ответственного потребителя.

Расчёты по разработанной методике показывают, что возможна и целесообразна работа ЛСКМ с диапазоном скольжения до 1-27% и моментом инерции до 2,7 • 105 кгм2 при частоте вращения 1 ООО об/мин.

Па основании проведённых расчётов выработаны методические рекомендации по внедрению АСКМ в энергосистеме для каждого из предложенных вариантов применения.

В качестве примера эффективного использования ЛСКМ на Рисунок. 7 приведены осциллограммы сглаживания колебаний активной нагрузки. На рисунке обозначено:

» Ps, Qs активная и реактивная мощность АСКМ;

«> s скольжение АСКМ;

® U3, Us напряжение в точке включения АСКМ и нагрузки (на первичной и вторичной трансформатора);

« РЗ, Q3 активная и реактивная мощности сети;

» Pn, Qn ■ активная и реактивная мощности нагрузки.

В ходе опыта ЛСКМ изначально находился в работе по соответствующему алгоритму. Затем на 40-й секунде ЛСКМ был отключён.

В ходе опыта активная мощность нагрузки колебалась от 0,1 o.e. до 0,42 o.e. При этом питающее напряжение при отключённом ЛСКМ находилось на уровне 0,91-0,96 o.e.

При работе ЛСКМ колебания напряжения были полностью сня ты, а его уровень поддерживался номинальным (1 o.e.). Также были полностью сняты колебания активной мощности сети.

Таким образом, применение ЛСКМ позволяет полностью сгладить колебания как активной, так и реактивной мощности нагрузки.

-^--

лД^Ч^Ги^

_1_)_1_

_1_1-_I_1_

1 г—.......... "Г" ........ "Г ------------1....... Т--.......-Г"....... - 5...........Г...............1"............ 1 '..........(.....-I

_ " —' и ..... ■ .. ' и (■г) 'К Ь —и-ъгьп^ ^П ■ ГЦпПи " ии м иг1-1 : Г, 1 1 1 1

ю 15 гэ

ЭО 35

Рисунок. 7 Сглаживание колебаний активной нагрузки В пятой главе приведены результаты испытаний серийного АСК, а именно АСК-100-4, установленного на ПС «Бескудниково». Для проверки основных положений диссертации были проведены расчёты основного (асинхронизированного) и резервных (синхронного

и асинхронного) режимов АСК, а также определены условия его динамической устойчивости. На компьютерных моделях проведены исследования свойств АСК, касающихся его эксплуатационных характеристик, а именно изучено поведение АСК в статических и динамических режимах. Также изучено влияние конструкции обмотки ротора на динамические характеристики машины. Для расчётов использовалась универсальная математическая модель, а также компьютерный стенд ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС».

Затем все полученные данные были сравнены с результатами натурных испытаний АСК-100-4, проводившихся при участии автора. По результатам натурных испытаний проведена верификация математической модели.

Результаты расчётов установившихся режимов, проведённых автором на базе математической модели АСК, совпали с результатами натурных испытаний АСК-100-4, что говорит об адекватности используемой математической модели. Для примера на Рисунок. 8 приведены расчётные и экспериментальные данные по токам ротора и статора в зависимости от реактивной мощности.

]\ \ \

3 Чет"

.в'

* ¡АСК «иАСК

б) опытные данные

а) результаты моделирования

Рисунок. 8 Зависимость токов статора и ротора от реактивной мощности

Сравнение результатов расчётов динамических режимов, проведённых автором на специализированном компьютерном стенде, и результатов комплексных испытаний на ПС «Бескудниково» показало высокую степень адекватности разработанной в диссертации модели для работы в реальном времени (по методологии Н1Ь) и компьютерного стенда в целом. Для примера на Рисунок. 9 приведены

расчётные и экспериментальные данные при скачкообразном изменении уставки реактивной мощности.

-

||

------

б) опытные данные

а) результаты моделирования

Рисунок. 9 Скачкообразное изменение уставки реактивной мощности

Основные выводы и результаты

1. Исследована работа в энергосистеме асинхронизированного компенсатора как с постоянной, так и с переменной частотой вращения. Разработаны необходимые принципы регулирования и даны рекомендации по практическому использованию данного класса машин.

2. Установлено, что при регулировании АСК по традиционному закону регулирования множество устойчивых режимов имеет ограничения, поэтому работа АСК возможна только в части множества допустимых режимов.

3. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие статическую устойчивость во всём диапазоне допустимых режимов работы. При этом рассмотрена работа как при наличии информации о напряжении мощной сети, так и при её отсутствии, и доказано, что в обоих случаях разработанные законы регулирования обеспечивает множество устойчивых режимов работы, практически совпадающее с множеством

допустимых (по конструктивным ограничениям) режимов работы.

4. Рекомендовано построение закона регулирования АСК с использованием в качестве опорного вектора собственного напряжения. Рекомендуется использование в канале регулирования напряжения обратных связей по напряжению и углу по линии, а в канале регулирования момента - по скольжению и также углу по линии.

5. Показано, что разработанные в рамках настоящей работы законы регулирования АСК позволяют эффективно использовать его в энергосистеме не только в качестве источника реактивной мощности, но и в качестве демпфера колебаний активной мощности.

6. Разработана методика оптимизационного расчёта необходимого соотношения мощности системы возбуждения и момента инерции маховика АСКМ с учётом ограничений, накладываемых по технологическим и экономическим соображениям.

7. Даны методические рекомендации по внедрению АСКМ в энергосистеме как демпфера колебаний активной мощности.

Статьи и авторские свидетельства:

Публикации по перечню ВАК

1. Довганюк И.Я., Сокур П.В., Плотникова Т.В., Тузов П.Ю., Мнев Р.Д. Настройка автоматического регулятора возбуждения АРВ-2МА для турбогенераторов ТЗФАУ-160 и ТЗФСУ-320 на компьютерном стенде ВНИИЭ // «Электротехника» - 2010. - №2 - с.51-55.

2. Лохматов А.П., Мнев Р.Д., Сокур П.В. О применении маховичных асинхронизированных компенсаторов в энергосистеме // «Электрические станции» - 2011. - №1 - с. 4850.

3. Володарский Л.Г., Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В., Тузов П.Ю. Результаты испытаний

асинхронизированных компенсаторов типа АСК-100-4УХЛ4 на ПС 500 кВ «Бескудниково» // «Электрические станции» -

2013.-№7-с.'43-52.

4. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.Ю. Электромеханический накопитель энергии на базе асинхронизированного компенсатора // «Электротехника» -

2014.-№1 - с. 54-60.

5. Довганюк И.Я., Мнев Р.Д., Сокур П.В., Тузов П.Ю. Способы пуска асинхронизированного компенсатора с маховиком // «Электротехника» - 2014. - №1 - с. 60-64.

Свидетельства о регистрации

6. Сокур П.В., Плотникова Т.В., Тузов П.Ю., Мнев Р.Д. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012615920 «Расчётная модель для исследования установившихся и переходных режимов АСК (статика и динамика АСК)» Дата регистрации: 5 мая 2012 года.

Остальные публикации

7. Мнев Р.Д., Плотникова Т.В., Сокур П.В. Испытания асинхронизированных компенсаторов на подстанции «Бескудниково» // «Энергия единой сети» - 2013. - №1 - с. 1217.

Личный вклад соискателя. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежит универсальная математическая модель (1, 4), алгоритмы управления АСКМ (2, 4, 5), обобщение результатов (3), расчёт режимов АСК (7).

Подписано в печать 21.02.2014 Формат 60x84/16

Бумага офсетная Усл. п. л._

Тираж 100 экз. Заказ № 104

Типография ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС» 115201, г. Москва, Каширское ш., д.22, корп.З

Открытое акционерное общество «Научно-технический центр Федеральной Сетевой Компании Единой Энергетической Системы» (ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»]

На правах рукописи

04201456874

Мнев Роман Дмитриевич

Законы регулирования и режимы работы асинхронизированного компенсатора в энергосистеме

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Шакарян Юрий Гевондович

Москва-2013

Оглавление

Введение 4

1 Математическое моделирование асинхронизированного компенсатора 13

1.1 Задачи, решаемые в главе......................................................................................................13

1.2 Асинхронизированный принцип управления......................................................................13

1.3 Общие положения моделирования.......................................................................................17

1.4 Модель в ортогональной системе осей................................................................................25

1.5 Трёхфазная модель.................................................................................................................30

1.6 Комбинированная модель......................................................................................................33

1.7 Сравнение различных типов моделей..................................................................................35

1.8 Выводы по главе.....................................................................................................................36

2 Исследование статической устойчивости асинхронизированного компенсатора 37

2.1 Задачи, решаемые в главе......................................................................................................37

2.2 Расчётная схема и принятые условия...................................................................................38

2.3 Регулирование по напряжению мощной сети.....................................................................46

2.4 Регулирование по «собственному» напряжению................................................................63

2.5 Работа системы в характерных точках.................................................................................80

2.6 Выводы по главе.....................................................................................................................88

3 Режимы работы асинхронизированного компенсатора с маховиком 89

3.1 Задачи, решаемые в главе......................................................................................................89

3.2 Электромеханический накопитель энергии.........................................................................89

3.3 АСКМ: отличия от АСК, новые возможности....................................................................91

3.4 Регулятор АСКМ....................................................................................................................92

3.5 Компьютерный стенд...........................................................................................................100

3.6 Выводы по главе...................................................................................................................103

4 Технико-экономические показатели асинхронизированного компенсатора с маховиком 104

4.1 Задачи, решаемые в главе....................................................................................................104

4.2 Датчик углового положения ротора...................................................................................104

4.3 Выбор параметров АСКМ...................................................................................................119

4.4 Области возможного применения АСКМ в энергосистеме.............................................128

4.5 Выводы по главе...................................................................................................................142

5 Исследование режимов работы АСК на примере ПС «Бескудниково» 143

5.1 Задачи, решаемые в главе....................................................................................................143

5.2 АСК-100-4.............................................................................................................................143

5.3 Исследование режимов работы АСК на математической модели..................................148

5.4 Свойства АСК.......................................................................................................................151

5.5 Выводы по главе...................................................................................................................163

6 Заключение 164

7 Список литературы 166 Приложение А. Протокол испытаний натурного образца АРВ на компьютерном стенде 169

Введение

Актуальность темы

Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС) требует введения новых способов и методов управления режимами ЭЭС, а также новых устройств, позволяющих обеспечить выполнение непрерывно возрастающих требований к качеству электроэнергии и надёжности энергоснабжения. Эти тенденции нашли своё выражение в концепции интеллектуальных сетей [1].

На сегодняшний день основной технологией реализации концепции интеллектуальных сетей является технология FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems — гибкие системы передачи переменного тока). К технологии FACTS относится целый ряд устройств, выполняющих различные функции, различного принципа действия и исполнения. Классификация устройств FACTS согласно [1] приведена на Рисунок 1.

В устройствах FACTS возможна реализация двух принципов регулирования: скалярного и векторного. Под скалярным принципом регулирования понимается способ управления, при котором для регулирования доступна только одна величина (напряжение или реактивная мощность). Векторный принцип предполагает управление двумя независимыми параметрами режима устройства. В случае устройств FACTS, как правило, регулируемыми величинами являются напряжение (реактивная мощность) в качестве одной и активная мощность (электромагнитный момент) в качестве другой.

Оба принципа регулирования могут быть реализованы на базе как статических, так и электромашинных устройств. К электромашинным устройствам FACTS относят следующие машины и агрегаты:

о синхронные машины (СМ):

■ синхронный компенсатор (СК);

■ синхронный компенсатор с отрицательным возбуждением (СКО); о асинхронизированные машины (АСМ):

■ асинхронизированный генератор (турбо- или гидро-);

■ асинхронизированный компенсатор (АСК);

■ асинхронизированный компенсатор с маховиком (АСКМ);

■ асинхронизированный электромашинный преобразователь частоты (АС ЭМПЧ).

Рисунок 1 Классификация устройств FACTS

Режимы работы статических устройств FACTS исследованы достаточно подробно [1], тогда как свойства сетевых электромашинных устройств FACTS с векторным управлением изучены ещё недостаточно.

Традиционно основными электромашинными компенсирующими устройствами были синхронные компенсаторы, однако в процессе развития ЭЭС всё яснее становятся их недостатки, главный из которых - несимметрия рабочего диапазона: в режиме потребления СК может нести не более 40% номинальной мощности, а также СК имеет ограниченный диапазон устойчивых режимов, тогда как при работе на длинную линию этот недостаток приобретает важное значение. Несмотря на то, что работа на длинную линию с точки зрения режима работы машины совпадает с режимом выдачи реактивной мощности, работа на длинную линию принципиально отличается от режима потребления реактивной мощности с точки зрения статической и динамической устойчивости.

Для того, чтобы сохранить достоинства СК и в то же время уменьшить его недостатки, а именно расширить диапазон регулирования реактивной мощности, был разработан компенсатор с отрицательным возбуждением. Серийно выпускались компенсаторы мощностью 50-160 МВАр серии КСВБО (компенсатор синхронный с водородным охлаждением с бесконтактным возбудителем и отрицательным возбуждением) [2]. Действующие компенсаторы этой серии были установлены, в частности, на подстанциях московского региона «Ногинск», «Пахра», «Голутвин» и «Дровнино». Однако опыт их эксплуатации показал, что конструктивные решения и исполнение в части отрицательной обмотки возбуждения были не совсем удачными. В большинстве случаев отрицательное возбуждение было выведено из работы. 6

Конструкция СКО в целом подобна конструкции традиционного СК, за исключением дополнительной обмотки на роторе. МДС этой обмотки составляет примерно 15% от МДС основной обмотки, причём её вектор направлен встречно по отношению к вектору основной обмотки [2]. Совместное использование обеих обмоток, каждая из которых может создавать МДС только одного направления, позволяет получить знакопеременное возбуждение компенсатора. Знакопеременное же возбуждение, в свою очередь, позволяет компенсатору работать с ненулевым углом ротора, вплоть до 90 эл. град. Такое положение ротора существенно увеличивает магнитное сопротивление машины, а значит, для её намагничивания требуется потребление большей мощности, чем для намагничивания традиционного СК при нулевом возбуждении. Это объясняется тем, что если максимальное потребление у СК определяется сопротивлением по продольной оси xj, то у СКО ограничивающим параметром является xq:

U2C

Q = l.Uc=-±

Xq

Поскольку сопротивление xq, как правило, значительно меньше, чем Xd, потребляемая мощность СКО в режиме работы с отстающим током составляет до 80% от номинальной. Регулирование реактивной мощности СКО происходит путём изменения угла ротора [3].

Благодаря такому решению диапазон возможных режимов работы СКО существенно расширяется по сравнению с СК. Однако поскольку изменение реактивной мощности СКО связано как с изменением тока в обеих обмотках, так и с механическим поворотом ротора, этот процесс происходит достаточно медленно. Так, включение регулятора угла синхронного компенсатора, предварительно установленного для поддержания угла 5 = 90°, занимает порядка 3 с [4].

В целом СКО присущ тот же набор достоинств и недостатков, что и традиционному СК, хотя его бесспорным преимуществом является расширенный диапазон регулирования реактивной мощности. Однако способ реализации регулирования накладывает ограничение на скорость регулирования реактивной мощности и на пределы устойчивости.

Среди электромашинных КУ глубокое потребление реактивной мощности (вплоть до номинального значения) могут обеспечить только асинхронизированные машины (АСМ).

Конструктивно статор асинхронизированной машины не отличается от синхронной машины, а на роторе располагается многофазная система обмоток [5]. В частном случае конструкция АСМ аналогична AM с фазным ротором. Наличие на роторе АСМ многофазной системы обмоток позволяет осуществлять раздельное управление двумя независимыми параметрами режима, например напряжением статора и активной мощностью машины. Такое управление достигается за счет т.н. асинхронизированного принципа управления -формирование напряжения, подводимого к кольцам ротора с частотой скольжения ротора относительно поля статора [6].

Наиболее распространёнными асинхронизированными машинами в России являются турбогенераторы (АСТГ). Им посвящено значительное количество исследований. АСТГ являются уникальной отечественной разработкой, начатой во ВНИИЭ более 50 лет назад по идее и под общим руководством проф. Ботвинника М.М. Большой вклад в теорию и практику АСТГ внесли исследования, выполненные отечественными учёными Шакаряном Ю.Г., Блоцким Н.Н., Мамиконянцем Л.Г., Лабунцом И.А., Кузьминым В.В., Плотниковой Т.В., Лохматовым А.П., Пинчуком Н.Д. и др.[5][6][7][8][9]

Первый в мировой практике АСТГ мощностью 200 МВт был разработан и изготовлен в 1985 г. на НПО «Электротяжмаш» и был установлен на Бурштынской ГРЭС (Львовэнерго, Украина). В 1990 г. на той же ГРЭС был введён в эксплуатацию второй такой же

турбогенератор. На станциях московского энергоузла АСТГ установлены на ТЭЦ-22, ТЭЦ-27, ТЭЦ-21 и Каширской ГРЭС.

Использование дополнительной (поперечной) обмотки на роторе СК как средства повышения управляемости рассматривалось в работах Соколова Н.И. [4], [10] и продолжены Каспаровым Э.А. [11]. Однако при предложенных ими принципах управления машина оставались синхронной.

В то же время асинхронизированные компенсаторы в российских энергосистемах практически отсутствуют - в настоящий момент в работе находится только два АСК, мощностью 100 MB Ар каждый, установленные на ПС «Бескудниково» и введённые в эксплуатацию в 2012 году. Теоретическая база АСК также проработана в недостаточной степени.

Кроме того, не проводилось исследований, посвящённых особенностям работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения.

Под термином «АСК» (асинхронизированный компенсатор) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора с постоянной частотой вращения.

Под термином «АСКМ» (асинхронизированный компенсатор с маховиком) будем понимать асинхронизированную электрическую машину, работающую в режиме компенсатора, с переменной частотой вращения.

Термин «асинхронизированный компенсатор» является общим и включает в себя как собственно АСК, так и АСКМ, поскольку отличие между этими машинами заключается в работе с постоянной либо переменной частотой вращения, что отражается только в особенностях структуры регулятора возбуждения, как будет показано ниже. Наличие либо отсутствие маховика диктуется конкретными условиями работы машины. Использование терминов «АСК» и «АСКМ» подчёркивает только функциональные особенности конкретной машины.

Функционально АСК с постоянной частотой вращения является компенсатором реактивной мощности, а с переменной частотой вращения - кроме того, демпфером колебаний активной мощности, т.е. АСКМ может выполнять функции АСК и дополнительно нести ряд функций как демпфер колебаний активной мощности.

Как известно, любая АСМ конструктивно может быть выполнена в одном из следующих исполнений:

• с шихтованным ротором и симметричными обмотками ротора;

• с массивным ротором и симметричными обмотками ротора;

• с массивным ротором и несимметричными обмотками ротора.

Конструкция машины с массивным ротором не позволяет ей работать с переменной частотой вращения, а значит, такая машина может выполнять только функции регулятора реактивной мощности. Обмотки ротора при этом могут быть как симметричными, так и несимметричными, что определяется конструкторскими соображениями. Важно отметить, что, несмотря на работу только с синхронной частотой вращения, АСК остаётся асинхронизированной машиной по принципу управления.

В то же время шихтованный ротор позволяет работать как с постоянной, так и с переменной частоту вращения, а значит, машина такого исполнения может выполнять функции АСКМ.

В настоящей работе изучена работа АСК в простейшей энергосистеме, впервые установлены пределы статической устойчивости при традиционном регулировании возбуждения, и разработан новый закон регулирования, расширяющий эти пределы.

Рассматривается работа АСКМ как демпфера колебаний активной мощности. Предложены и рассмотрены варианты его применения в ЭС, разработаны специфические алгоритмы работы регулятора возбуждения, а также даны методические рекомендации по внедрению АСКМ в ЭС.

Теоретические выводы настоящей работы проверены экспериментально в ходе испытаний АСК на ПС «Бескудниково».

Цели и задачи работы

Целями настоящей работы являются: разработка законов регулирования АСК при работе в энергосистеме, исследование режимов работы в энергосистеме АСК с переменной частотой вращения, а также выработка практических рекомендаций по применению АСК как демпфера колебаний активной мощности.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

1. Исследование режимов работы АСК в энергосистеме.

2. Разработка законов регулирования АСК с обеспечением выполнения условий статической устойчивости в зависимости от наличия либо отсутствия информации об эквивалентном напряжении мощной сети.

3. Разработка законов регулирования АСК с переменной частотой вращения как демпфера активной мощности.

4. Исследование возможных областей применения АСК с переменной частотой вращения в энергосистеме и выработка методических рекомендаций по его внедрению в ЭЭС.

Методы решения задач

1. Математическое моделирование АСК. Построенная модель включает в себя модель собственно электрической машины, выполненную по уравнениям Парка-Горева, модель системы возбуждения и управления, реализующую разработанные законы управления, и модель энергосистемы.

2. Исследование статической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме методом малых приращений с анализом по алгебраическому критерию Гурвица (анализ коэффициентов характеристического полинома).

3. Исследование динамической устойчивости АСК в эквивалентной расчётной схеме численным методом.

4. Моделирование в реальном времени прототипа АРВ в цикле HIL (hardware in the loop, программно-аппаратное моделирование) на специализированном компьютерном стенде.

5. Проектирование и конструирование программно-аппаратного комплекса на базе программного продукта Matlab хРС для проверки в режиме реального времени законов управления АСК и АСКМ, реализованных в реальном прототипе АРВ.

Научная новизна

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие новые результаты:

1. Доказана недостаточность традиционного закона регулирования АСК в простейшей энергосистеме.

2. Разработаны законы регулирования АСК, обеспечивающие максимальный диапазон статически устойчивых режимов в простейшей энергосистеме как при наличии, так и при отсутствии информации о напряжении мощной сети.

3. Проведён сравнительный анализ различных вариантов исполнения датчика положения ротора АСКМ и даны рекоме