Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
БУЛАТОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
МЕТОДИКА СОГЛАСОВАННОЙ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ
Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Иркутск - 2012
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Братский государственный университет (ФГБОУ ВПО БрГУ)
Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Игнатьев Игорь Владимирович
Официальные оппоненты: Бардушко Валерий Данилович - д.т.н., профессор, ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС), заведующий кафедрой Электроснабжение железнодорожного транспорта Томин Никита Викторович - к.т.н., старший научный сотрудник, отдел Электроэнергетических систем, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН)
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет (НИ ИрГТУ).
Защита диссертации состоится 18 апреля 2012 г. в 13-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС) по адресу:
664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.
тел: (8-3952) 63-83-11, (8-3952) 38-76-факс: (8-3952) 38-76-e-mail: mail@irgups.ru WWW:
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Иркутский государственный университет путей сообщения Автореферат разослан 15 марта 2012 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета.
Ученый секретарь диссертационного совета Тихий Иван Иванович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В современных условиях развития электроэнергетических систем (ЭЭС) повышается вероятность их работы в предельных по устойчивости режимах. В связи с этим актуальной задачей остаётся повышение системной надёжности и живучести ЭЭС, что требует усовершенствования подходов к обеспечению системной стабилизации и демпфирования электромеханических колебаний в ЭЭС.
Основными средствами повышения запаса статической устойчивости и улучшения демпфирования электромеханических колебаний традиционно являются автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) синхронных генераторов. Оптимальная и устойчивая работа электростанций в ЭЭС зависит от множества факторов и в том числе от выбора настроек АРВ генераторов. Значительный вклад в решение данных проблем внесли советские и российские ученые: Горев А.А., Жданов П.С., Соколов Н.И., Веников В.А., Ботвинник М.М., Щербачев О.В., Герценберг Г.Р., Левинштейн М.Л., Совалов С.А., Бушуев В.В., Баринов В.А., Овчаренко Н.И., Юрганов А.А., Воропай Н.И., Ушаков Е.И., Груздев И.А., Зеккель А.С., Рагозин А.А., Дойников А.Н. и многие другие. Из зарубежных следует отметить работы ученых: Park R.H., Cron G., Anderson P.M., Fouad A.A., Kundur P., Concordia D., Pai M.A., Klein M., Rogers G.J., Martins N. и др. Однако в настоящее время ещё не решены некоторые проблемы, связанные с настройкой систем АРВ с учётом работы других регуляторов, влияющих на статическую устойчивость ЭЭС. К таким устройствам в первую очередь нужно отнести первичные регуляторы скорости вращения турбины. До сих пор системы АРВ и автоматические регуляторы частоты вращения (АРЧВ) турбины рассматривались при их настройке как несвязанные. В то время как взаимное влияние АРВ и АРЧВ генераторов электростанций очевидно и требует пересмотра подходов к оптимальной настройке таких систем.
Актуальность исследований в этом направлении подтверждается положениями нового стандарта ОАО СО ЕЭС от 1.07.2010г., разработанного по результатам расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, где отмечены существующие проблемы обеспечения согласованной работы и соответственно настройки систем автоматического регулирования частоты и перетоков мощности и автоматики управления агрегатами гидроэлектростанций.
Целью диссертационной работы является обеспечение системной надёжности электроэнергетических систем путём повышения статической устойчивости на основе согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) провести обзор существующих методов и средств повышения статической устойчивости ЭЭС;
2) провести анализ влияния на устойчивость ЭЭС взаимосвязанной работы систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций;
3) разработать модели систем регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов для исследования методов повышения статической устойчивости ЭЭС;
4) разработать адаптивный генетический алгоритм для оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ;
5) разработать методику пассивной непараметрической идентификации системы лтурбинаЦгенератор в условиях эксплуатации с использованием выделенного шума регулятора при помощи технологии вейвлет-преобразования;
6) разработать методику согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ;
7) провести экспериментальные исследования по апробации разработанных алгоритмов и методов.
Объектом исследования являются генераторы электрических станций, работающие параллельно с электроэнергетической системой.
Предметом исследования являются процессы регулирования напряжения и частоты у генераторов электростанций и взаимное влияние на эти процессы систем АРВ и АРЧВ.
Методы исследования. При решении поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, математического моделирования, цифровой обработки сигналов. При имитационном моделировании функционирования ЭЭС использовались различные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве инструмента для реализации применяемого математического аппарата использовалась система компьютерной математики MATLAB.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением апробированного математического аппарата, а также соответствием полученных результатов с данными натурных экспериментов.
Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие результаты:
разработанные модели отечественных систем автоматического регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов, позволяющие детально изучать электромеханические переходные процессы при имитационном моделировании функционирования ЭЭС России;
разработанная процедура адаптивного генетического алгоритма (ГА) для поиска оптимальных настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций;
новое структурно-аналитическое описание системы АРЧВЦтурбинаЦАРВ - генератор на основе собственных и взаимных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее учёт связей отдельных подсистем;
разработанная методика пассивной непараметрической идентификации системы лтурбинаЦгенератор в условиях эксплуатации, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в диапазоне частот собственных колебаний, с применением технологии вейвлет-преобразования и методов цифровой обработки сигналов;
разработанная методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ группы генераторов электростанции, отличающаяся от известных методик учётом их взаимосвязанности.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные методики и алгоритмы направлены на практическое решение задачи повышения статической устойчивости ЭЭС. Они могут использоваться в проектных и исследовательских организациях при моделировании электроэнергетических систем для исследования электромеханических переходных процессов, а также при разработке технических требований, правил и рекомендаций к функциям и настройкам современных регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций.
Основные результаты использованы на Братской ГЭС и в учебном процессе Братского государственного университета.
Теоретическая значимость. Разработанная методика является вкладом в развитие методов повышения статической устойчивости электроэнергетических систем.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях БрГУ (Братск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием ТПУ (Томск, 2009 г.), конференцииконкурсе научной молодежи Системные исследования в энергетике ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2009 г.), международной конференции Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития) НГТУ (Новосибирск, 2009 г.), международной научной конференции Моделирование-2010 (Киев, 2010 г.), всероссийской научно-практической конференции Братская ГЭС: история строительства, опыт эксплуатации, перспективы (Братск, 2011 г.).
ичный вклад. Все результаты, включенные в диссертацию из совместных публикаций, являются неделимыми, из которых автору принадлежит от 70 до 80 %. Результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 22 научных статьях, 6 из них в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 139 наименований. Основная часть работы изложена на 163 страницах, содержит 76 рисунков и 3 таблицы.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цели и задачи исследования, указана научная новизна, раскрывается основное содержание диссертационной работы.
В первой главе дан краткий обзор наиболее используемых критериев анализа статической устойчивости ЭЭС. Приведён исторический обзор развития систем АРВ и АРЧВ, а также методов их настройки. На основании проведённого обзора отмечается, что задача настройки систем АРВ совместно с АРЧВ до сих пор не решена и является актуальной.
С развитием систем АРВ большое внимание уделялось разработке методов и алгоритмов их настройки. Начиная с середины 50-х годов ХХ в. велись разработки алгоритмов и программ для ЭВМ расчёта колебательной устойчивости, которые в основном базировались на частотных методах и реализовывали процедуру D-разбиения в плоскости двух настроечных коэффициентов. Метод D-разбиения долгое время широко использовался на практике. Однако к 80-м годам ХХ в. стали заметно проявляться качественные недостатки метода, ограничивающие его применение для сложных многомашинных ЭЭС как для анализа устойчивости, так и оптимизации настроек АРВ.
Среди определяющих факторов, которые влияют на надёжность, эффективность функционирования и устойчивость работы крупного объединения синхронно работающих электростанций в ЭЭС, а также на выбор оптимальных настроек систем АРВ, большое значение имеет необходимость постоянного поддержания номинальной частоты в энергосистеме, что осуществляется на электростанциях с помощью систем первичного регулирования частоты вращения турбин - АРЧВ. В связи с этим появляется необходимость в согласованном выборе настроек АРВ и АРЧВ.
Разработка математических моделей, методов и алгоритмов координации настроек регуляторов сложных ЭЭС прежде всего ориентирована на применение современных средств математики и вычислительной техники. В частности, огромными ресурсами для проведения виртуальных экспериментов обладает программная среда разработки и моделирования MATLAB. Так, в диссертационной работе приводится описание созданных в среде MATLAB моделей различных Определение рабочего частотного ЭЭС, систем АРВ и АРЧВ для исследовадиапазона системы, ния электромеханических переходных процессов при решении задачи обеспечеИдентификация системы с помощью выделенного шума регулятора и оценка ния статической колебательной устойчисостоятельности полученной модели вости.
Во второй главе разработан алгоОпределение характеристического полинома системы, Dм(j) ритм оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций с исОпределение требуемого порядка полинома пользованием математического описания Баттерворта и его формирование ЭЭС на основе экспериментально полученной информации (рис.1). В основе аРешение задачи оптимизации 2 горитма лежит метод стандартных коэфJ ( j) min e фициентов, суть которого заключается в с помощью ГА приближении коэффициентов характериОценка запаса и степени устойчивости ЭЭС для стического полинома исследуемой систеполученных значений коэффициентов настройки систем АРВ и АРЧВ мы к стандартным (желаемым) формам, Рис.1. Алгоритм оптимальной настройки априори обладающими требуемыми парасистем АРВ и АРЧВ метрами переходного процесса и необхо димым запасом устойчивости. По результатам сравнительного анализа установлено, что в качестве желаемых наборов коэффициентов лучше всего подходят полиномы Баттерворта.
Для определения оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ и АРЧВ согласно приведённому алгоритму (рис.1) необходимо иметь математическое описание в виде характеристического полинома, отражающего динамические свойства исследуемой ЭЭС. В предлагаемом алгоритме используется метод непараметрической идентификации, согласно которому система рассматривается как лчёрный ящик и на базе априорной информации о процессе определяются численные значения частотных характеристик (ЧХ) как отношение спектров входных и выходных сигналов объекта.
Получить спектральные характеристики объекта позволяет аппарат дискретного преобразования Фурье (ДПФ), с помощью которого можно определить комплексную передаточную функцию W ( j) как отношение прямого преобразования Фурье выходного сигнала с объекта к прямому преобразованию входного сигнала:
X ( j) W ( j) , (1) Y( j) где Y ( j) - спектр входного сигнала; X ( j) - спектр выходного сигнала.
Регулируемую ЭЭС можно представить в виде структурной схемы замкнутой системы (рис.2), где передаточная функция реXзад + X Y X W ( j) Wоб ( j) гулятора Wp ( j), как правило, известна, а p передаточная функция объекта Wоб ( j) определяется экспериментально.
Рис.2. Структурное представление регулируемой ЭЭС Представив известную комплексную B( j) передаточную функцию регулятора в виде дроби Wp ( j) и осуществив элеменC( j) тарные преобразования, получим характеристический полином регулируемой ЭЭС в следующем виде:
D( j) Wоб ( j) B( j) C( j). (2) Для определения рабочего диапазона частот исследуемой ЭЭС предлагается использовать метод, основанный на волновом подходе. Согласно этому методу, полоса пропускания ЭЭС определяется волновым числом различных мод свободного движения и зависит от жёсткости связей отдельного генератора с системой:
Ki i 2 sin(i / 2) , (3) pi 1 4Ki sin (i / 2) где pi - парциальная частота (частота собственных колебаний ротора i-го генератора) [Гц]; - волновое число (изменение фазы пространственной гармоники между двумя i смежными узлами цепочечной схемы) [рад]; Ki - коэффициент относительной жесткости связей i-го генератора с системой [о.е.].
Так как волновое число может изменяться от 0 до , то (3) определяет диапазон частот свободных колебаний [min, max], т.е. полосу пропускания системы.
Поскольку нарушение нормального процесса эксплуатации крайне нежелательно в ЭЭС, предлагаемая методика идентификации ориентируется на пассивный подход, при котором в качестве тестового воздействия на систему используется выделенный с помощью вейвлет-преобразования шум регулятора. Вейвлет-преобразование представляет собой амплитудно-временное масштабное преобразование сигнала:
1 t dt W (s, ) f (t) , (4) s s t где f (t) - исходный сигнал; - базисный вейвлет; - сдвиг; s - масштаб; t - вреs мя.
Процедура выделения шума регулятора для пассивной идентификации ЭЭС состоит в следующем:
1) выбирается вейвлет и уровень разложения N. Вычисляется вейвлетразложение исходного сигнала f (t) до уровня N;
2) для каждого уровня от 1 до N выбирается порог, и применяется пороговая обработка детализирующих коэффициентов;
3) производится вейвлет-реконструкция, основанная на первоначальных аппроксимирующих коэффициентах уровня N и модифицированных детализирующих коэффициентах уровней от 1 до N;
4) выделяется шумовая составляющая сигнала, используемая для идентификации: fv (t) f (t) fw(t), где fw (t) - полезная составляющая сигнала, полученная с помощью вейвлет-преобразования; fv (t) - шумовая составляющая сигнала.
Построенные ЧХ по экспериментальной оценке (1), полученной с помощью выделенного шума регулятора, как правило, оказываются весьма лизрезанными. В связи с этим предлагается использовать методику сглаживания эмпирической оценки комплексной передаточной функции системы, основанную на применении весовых окон при последовательном усреднении каждого спектра дискретной выборки исследуемых сигналов системы:
W W () Y (i) 2 (i) W ( j) i1, (5) W () Y (i) iгде W (i) - экспериментальная комплексная передаточная функция системы (1), полученная при идентификации с помощью выделенного шума регулятора; Y (i) - спектр входных сигналов идентифицируемой системы; W () - весовая функция или весовое окно.
Для анализа состоятельности модели, полученной в виде комплексной передаточной функции, используется функция спектра квадрата когерентности:
Sxy ( j) () , (6) xy Sx ()S () y где Sx (), S () - функции плотности спектров мощности; S ( j) - функция плотноy xy сти кросс-спектра.
Для идеальной линейной связи лвходЦвыход во всем диапазоне частот выполня2 ется равенство () 1. Используя (), можно вычислить среднюю квадратичную xy xy случайную ошибку в определении модуля частотной характеристики системы:
1 () xy W ( j), (7) () xy где 1/ l - статистическая ошибка при определении частотных спектров, l - количество точек в частотном диапазоне.
В соответствии с представленным алгоритмом оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ (рис.1, пункт 5), необходимо иметь определённый критерий оптимизации, который позволит определить коэффициенты регулирования, обеспечивающие требуемые параметры переходного процесса и необходимый запас устойчивости. Для этого предлагается воспользоваться минимизацией следующего квадратичного критерия:
J ( j)d min, (8) e м где e( j) Dж ( j) D ( j) - рассогласование между желаемым набором значений ж м D ( j) и модельным набором значений D ( j) характеристических полиномов;
- текущее значение частоты из диапазона полосы пропускания ЭЭС.
Функционал (8) представляет собой сложную функцию, имеющую множество локальных экстремумов, среди которых требуется найти единственный глобальный или близкий к нему, что трудно, а иногда невозможно достичь с помощью классических методов оптимизации. В связи с этим для решения поставленной задачи используется современный метод оптимизации - генетический алгоритм (ГА). Однако, как показали исследования, использование ГА с общепринятыми настройками при оптимизации сложных функций может приводить к неоднозначному решению и большим затратам компьютерного времени. Поэтому для решения задачи настройки систем АРВ и АРЧВ сложных ЭЭС был разработан адаптивный алгоритм, выявляющий оптимальные настройки ГА для данной целевой функции. Суть этого алгоритма заключается в двукратном выполнении ГА. На первом этапе для заданной целевой функции формируется диапазон поиска и начальная точка отсчёта вблизи глобального решения. Затем, используя полученные на первом этапе настройки и гибридную функцию, формируется глобальное решение. Адаптивный ГА позволяет:
1) значительно уменьшить затраты компьютерного времени при поиске глобального решения;
2) увеличить точность результата при использовании гибридной функции, которая начинает процесс оптимизации с некой наиболее подходящей точки, полученной после применения ГА;
3) автоматизировать процесс выбора оптимальных опций ГА для конкретной задачи.
Степень устойчивости ЭЭС в предлагаемом алгоритме оценивается по показателю скорости изменения фазы характеристического годографа (2), предложенного Бушуевым В.В.:
dD () V () , (9) d где D () - фазово-частотная характеристика (ФЧХ), определяемая по частотному годографу системы D (j). При частоте , отражающей эквивалентную частоту собстp венных колебаний системы, характеристика (9) определяет действительную часть некоторого эквивалентного корня, по которой можно оценивать степень устойчивости системы. При этом оценка (9) при частоте, равной нулю, позволяет характеризовать удалённость системы от границы устойчивости и определять запас апериодической устойчивости ЭЭС.
Рассмотрим эффективность работы ном Г Г WАРВ предлагаемого алгоритма оптимальной наWЭЭС стройки систем АРВ и АРЧВ на созданной в MATLAB имитационной модели ЭЭС, представляющей собой одномашинную сисРис.3. Структурная схема исследуемой ЭЭС тему, работающую на шины бесконечной мощности. Структурная схема исследуемой системы с АРВ-СДП представлена на рис.3.
Здесь передаточная функция WЭЭС содержит информацию о динамических свойствах ЭЭС, а также каналах регулирования АРВ по напряжению. Комплексная передаточная функция выделенного канала стабилизации имеет следующий вид:
K0 (0.2 j 1)(0.02 j 1) 0.4K1 j 0.535 j WАРВ . (10) (0.037 j 1)(0.0047 j 1)(2.24 j 1)(0.2 j 1)(0.02 j 1) В результате идентификации была получена комплексная передаточная функция WЭЭС ( j), по которой были построены частотные характеристики (рис.4). Затем с учётом передаточной функции выделенного канала АРВ-СДП (10) был получен следующий характеристический полином:
м D ( j) j0.00000165 0.000464 ( j0.00214 K0 WЭЭС j0.030104)3 (0.214 K1 WЭЭС 0.1177 K0 WЭЭС 0.5996)2 ( j2.5017 j0.535 K0 WЭЭС ) 1, где - рабочий частотный диапазон системы.
Соответствующий полином Баттерворта имеет вид:
ж 4 3 D ( j) j5 3.2361 j5.2361 5.2361 j3.2361 1.
В результате решения задачи оптимизации с помощью ГА с учётом ограничений K0 0...1 и K1 0...1 были найдены следующие значения коэффициентов стабилизации выделенного канала АРВ-СДП: K0 0.408, K1 0.
После подстановки полученных значений коэффициентов АРВ-СДП и проведения эксперимента по имитационному моделированию работы регулируемой ЭЭС в MATLAB на момент подключения крупного потребителя наблюдалось приемлемое демпфирование колебаний напряжения генератора (рис. 5).
Кроме исследований на математической модели ЭЭС в MATLAB были проведены соответствующие опыты с целью определения оптимальной настройки системы АРЧВ на физической модели, представляющей собой автономную электрическую систему, содержащую генератор (синхронная машина), приводимый во вращение первичным двиРис.4. Частотные характеристики гателем - турбиной (машина постоянного тока), а ЭЭС также активную и индуктивную нагрузки. Сравнительный анализ настроек системы АРЧВ, полученных с помощью представленного алгоритма, и настроек, полученных классическим методом расширенных амплитудно-фазовых частотных характеристик (РАФЧХ), показывает повышение степени устойчивости исследуемой физической модели ЭЭС в 10 раз, а запаса апериодической устойчивости - в 1,9 раза.
Таким образом, как показали исследования Рис.5. Осциллограмма изменения напряжения генератора на математических моделях ЭЭС в MATLAB, а также на физической модели автономной электрической системы предложенный алгоритм оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций позволяет значительно повысить запас и степень устойчивости электроэнергетической системы.
В третьей главе разработана методика учёта взаимосвязанности систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций при их совместной настройке, позволяющая обеспечить более высокую степень устойчивости ЭЭС по сравнению с развязанной настройкой АРВ и АРЧВ. Предложено структурно-аналитическое описание и методика непараметрической идентификации системы АРЧВЦтурбинаЦАРВЦгенератор.
При идентификации систему лтурбинаЦгенератор в виде отдельного блока на электростанции необходимо представить как двухсвязную, имеющую два входных воздействия, поступающих от регуляторов, и в общем случае две регулируемые величины - частоту вращения ротора Г и напряжение генератора U (рис.6). На рисунке обознаГ чены передаточные функции: турбины WT, возбудителя WB, матричная передаточная функция генератора, состоящая из основных каналов и перекрёстных связей W11 WWГ , матричная передаточная функция лобщего регулятора, отражающего W21 W WАРЧВ WАРВ взаимосвязь систем АРВ и АРЧВ Wp , где WАРЧВ - передаточная функция U 0 WАРВ U АРЧВ; WАРВ - передаточная функция канала АРВ по частоте; WАРВ - передаточная функция канала АРВ по напряжению.
WАРВ U WАРВ Рис.6. Структурная схема регулируемой системы лтурбинаЦгенератор Для идентификации рассматриваемой системы в условиях эксплуатации предлагается снимать входные и выходные сигналы для нескольких режимов с целью получения необходимого количества уравнений, равного числу неизвестных.
Предположим, что передаточные функции АРВ, АРЧВ, турбины и возбудителя известны. Обозначим через y1, y2 спектры выделенного шума входных сигналов, а через x1, x2 - спектры выделенного шума выходных сигналов. На рис.6 показаны точки снятия сигналов (точки а, б, в, г), отношение спектральных характеристик выделенных шумов которых позволяет выявить необходимые комплексные передаточные функции основных каналов и перекрёстных связей. В частности, в рассматриваемой системе достаточно снять спектры входных и выходных сигналов для двух режимов работы системы и получить в итоге две системы уравнений:
х1 W11 y1 W21 y2, х1 W11 y1 W21 y2, 1 режим: ; 2 режим:
W12 y1 W22 y2 x2 x W12 y1 W22 y2.
Из этих четырёх уравнений определяются комплексные передаточные функции основных каналов W11, W22 и перекрёстных связей W12, W21 генератора.
Предлагаемая методика непараметрической идентификации была апробирована на созданной в среде MATLAB двухсвязной системе. В результате установлено, что данная методика может быть использована для получения достоверной математической модели системы лтурбина - генератор с целью определения оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ и АРЧВ.
Алгоритм согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ можно представить так же, как и для отдельных подсистем регулирования частоты и напряжения генератора (рис.1) с той только разницей, что идентификация будет выполняться как для многосвязной системы по описанной выше методике. При этом характеристический полином можно получить, приравняв нулю определитель характеристической матрицы замкнутой системы:
D( р) det[E Wоб ( р) Wр ( р)], (11) где Е - единичная матрица; Wоб ( p) - матричная передаточная функция многосвязного объекта управления; Wp ( p) - матричная передаточная функция многосвязного регулятора.
Для группы параллельно работающих генераторов электростанций идентификацию и согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ предлагается проводить в два этапа (рис.7). Так как связь по частоте генераторов электростанции и различных частей ЭЭС очевидна, то целесообразно на первом этапе проводить оптимизацию настроек систем АРЧВ группы генераторов с учётом этих связей. В этом случае при идентификации целесообразно представлять всю систему так, чтобы были учтены связи агрегатов, работающих на общую системную нагрузку.
Необходимо отметить, что если рассматривается группа агрегаРис.7. Схема идентификации и согласован- тов, работающих на общие шины, то ной настройки систем АРВ и АРЧВ они, как правило, являются однотипными и, следовательно, характеризуются близкими динамическими свойствами. При этом, как известно, для устойчивости однотипной связанной системы необходимо и достаточно, чтобы были устойчивы все n однотипные подсистемы. Это обстоятельство позволяет перейти к рассмотрению такой системы, как эквивалентной, что даёт возможность существенно снизить порядок характеристического уравнения. Для этого предлагается выбрать один из параллельно работающих агрегатов, который принимается за лведущий, представить всю эквивалентную систему так, как показано на рис.8, и определить одинаковые настройки АРЧВ для всей системы.
Если же на электростанции имеется несколько систем шин, т.е. можно выделить несколько групп параллельно работающих агрегатов, то для идентификации такой системы на первом этапе её необходимо представить как многосвязную и использовать метод, основанный на получении уравнений для нескольких режимов, описание котоном Рмех Г рого приведено выше.
WАРЧВ WГ WТ После идентификации и получения характеристического полинома эквиваРис.8. Структурная схема эквивалентной лентной системы регулирования частоты системы группы параллельно работающих генераторов электростанции группы параллельно работающих генера торов электростанции можно осуществлять настройку АРЧВ всех агрегатов. Затем в соответствии с представленным алгоритмом (рис.7) можно перейти ко второму этапу и определить оптимальные настройки АРВ и АРЧВ с учётом их взаимосвязанности. Для этого необходимо провести идентификацию отдельных подсистем лтурбинаЦгенератор электростанции с настройками АРЧВ, полученными на первом этапе. После определения характеристических полиномов отдельных регулируемых подсистем можно проводить согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ по алгоритму, описанному выше (рис.1).
Апробация предложенной методики непараметрической идентификации группы параллельно работающих генераторов электростанции и настройки взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ проводилась в интегрированной среде MATLAB на созданных моделях ЭЭС, представляющих собой двух- и трёхмашинные системы, работающие на шины бесконечной мощности.
Используя предложенный подход, два агрегата, работающие на общие шины, были заменены одним эквивалентным, для которого были получены частотные характеристики турбины и генератора, после чего, согласно алгоритму (рис.7), были определены соответствующие коэффициенты регулирования АРЧВ: kp = -29.04, ki = -0.05, kd = -2.27. Затем на втором этапе после Рис.9. Полученные АЧХ системы идентификации системы лтурбинаЦгенератор, лтурбина-генератор результаты которой в виде амплитудночастотных характеристик (АЧХ) показаны на рис.9, были определены оптимальные коэффициенты взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ: kp = -78.86, ki = 1.20, kd = -2.18, k0u = 177.54, k1u = 5.97, k0 = 1.07 и k1 = 0.72.
Анализ полученных настроек систем АРВ методом их согласования с настройками АРЧВ и без согласования показывает, что в первом случае, как видно из табл. 1, ЭЭС получила больший запас устойчивости. Кроме этого, улучшились демпферные свойства электромеханических колебаний системы, что видно из фрагментов осциллограмм изменения частоты вращения ротора и напряжения синхронных генераторов после подключения дополнительной нагрузки (рис.10).
Таким образом, как показали исследования на моделях ЭЭС в MATLAB, предложенная методика согласованной настройки взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ группы параллельно работающих генераторов электростанции позволяет повысить степень устойчивости и демпферные свойства электроэнергетической системы.
Для исследования влияния на внутригрупповое движение генераторов многомашинной станции настроек АРВ и АРЧВ, полученных с помощью предлагаемой методики, была разработана модель электростанции, работающей параллельно с системой. Оптимальные настройки АРВ определялись с помощью разработанного алгоритма. Для этого эквивалентные агрегаты, работающие на разные шины, были представлены как двухсвязная система, для которой была получена комплексная передаточная функция частотного канала регулирования генератора WГ, показанная на рис.11 в виде АЧХ и ФЧХ. Затем был составлен характеристический полином и соответствующий ему полином Баттерворта.
Таблица Запас устойчивости ЭЭС при различных настройках АРВ Коэффициенты регули- Запас апериодической усМетод настройки АРВ рования АРВ тойчивости ЭЭС, V(0) k0u =55, k1u = 5, k0 =2.65, Без учёта влияния АРЧВ 0.k1 = -0.Согласованная настройка с k0u = 177.54, k1u = 5.97, 0.АРЧВ k0 = 1.07, k1 = 0.Рис.10. Осциллограммы изменения частоты вращения ротора и напряжения генератора а) АРВ настроены без учёта влияния АРЧВ;
б) согласованная настройка АРВ и АРЧВ В результате работы генетического алгоритма были определены следующие коэффициенты регулирования системы АРЧВ: kp = 932.66, ki = -30.52, kd = 31.24. Используя полученные настройки АРЧВ, была проведена идентификации системы лтурбина - генератор шин 500 кВ, результаты которой в виде АЧХ показаны на рис.12. После этого был составлен характеристический полином системы и определены оптимальные коэффициенты регулирования аналоговых и микропроцессорных АРВ, например, для системы 500 кВ настройки АРВ-СДП составили: k0u = 1, k1u = 0.97, k0 = 0.64 и k1 = 0.17, а для АРВ-М - k0u = 50, k1u = 0.16, k0 = 5.67 и k1 = 1.58.
Рис.12. Полученные АЧХ системы Рис.11. Частотные характеристики лтурбинаЦгенератор генератора Анализ устойчивости рассматриваемой электростанции в рамках внутригруппового движения проводился путём наблюдения за изменением взаимных углов роторов генераторов 12 и напряжения на шинах станции при вносимых возмущениях в систему.
Как видно по осциллограммам (рис.13, 14) внутренние качания в системе быстро затухают, что говорит об эффективности предлагаемой методики настройки систем АРВ.
Рис.13. Изменение взаимных углов Рис.14. Изменение напряжения роторов генераторов шин 500 кВ на шинах 500 кВ Для определения влияния на пропускную способность электропередачи согласованной настройки АРВ и АРЧВ, полученной с помощью предлагаемой методики, в соответствие с методическими указаниями по устойчивости энергосистем СО 15334.20.576-2003 осуществлялось утяжеление режима путём последовательного увеличения перетока мощности по линии 500 кВ. При этом использовался сбалансированный по мощности способ утяжеления режима, при котором частота оставалась практически неизменной, что позволило достичь границы области устойчивости и определить предел мощности электропередачи. По результатам исследований, которые в виде перетока мощности и частоты для различных способов настройки АРВ показаны на рис.15, был определён коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности в сечении. При настройке АРВ без учёта влияния АРЧВ коэффициент запаса устойчивости составил 26%, а при согласованной настройке увеличился до 32%.
а) б) Рис.15. Результаты определения предела передаваемой мощности по сечению:
а) для несогласованной настройки АРВ и АРЧВ;
б) для согласованной настройки АРВ и АРЧВ Таким образом, предлагаемая методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ оказывает положительное влияние на внутригрупповые движения генераторов многомашинной станции и позволяет повысить запас статической устойчивости ЭЭС.
В четвертой главе в интегрированной среде MATLAB разработан программный комплекс, позволяющий решать следующие задачи: идентификация системы турбина - генератор в условиях эксплуатации; построение частотных характеристик исследуемой ЭЭС; оценка адекватности математической модели ЭЭС; оптимизация коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций путём согласования их настроек; оценка запаса устойчивости ЭЭС.
Основные окна программного комплекса показаны на рис.16.
В диссертации приведены исследования по использованию предлагаемых методов идентификации ЭЭС и настройки систем АРВ и АРЧВ с применением разработанного программного комплекса. В качестве объекта исследования выступает автономная электрическая система, представляющая собой лабораторную установку. В состав физической модели, структурная схема которой показана на рис.17, входит генератор (синхронная машина), приводимый во вращение первичным двигателем (машина постоянного тока), источник питания машины постоянного тока, возбудитель синхронной ма шины, преобразователь угловых перемещений, а также активная и индуктивная нагрузки.
а) б) Рис.16. Основные окна программного комплекса:
а) главное окно программного комплекса; б) результирующее окно Г зад U U упр n я об U U Uзад упр U в U Г Рис.17. Структурная схема исследуемой физической модели Плата сбора данных типа PCI 6025Е, встроенная в системный блок персонального компьютера, входящего в лабораторную установку, а также терминал, блок вводавывода цифровых сигналов и коннектор позволяют совместить данную физическую модель автономной электрической системы с программной средой разработки и моделирования MATLAB. Пакеты Simulink и Real-Time Windows Target позволяют обрабатывать сигналы системы и с помощью разработанных моделей АРВ и АРЧВ производить управление электрической установкой в реальном времени.
Настройка АРВ проводилась без учёта и с учётом влияния системы АРЧВ. При этом поиск коэффициентов регулирования осуществлялся только для канала стабилизации АРВ по частоте, а коэффициенты усиления канала по напряжению были приняты постоянными: k0u=10, k1u=5.
После того как были введены все исходные данные для настройки АРВ без учёта АРЧВ, была определена комплексная передаточная функция, учитывающая автономную электрическую систему и канал регулирования АРВ по напряжению. Полученные частотные характеристики показаны на рис.18. Далее, используя полученную модель, с помощью программного комплекса были определены соответствующие коэффициенты стабилизации АРВ по частоте k0w=0.151, k1w=0.172.
Рис.18. Частотные характеристики В соответствии с разработанной методикой системы для настройки АРВ оптимальная настройка АРВ проводилась с учётом влияния системы АРЧВ. Для этого были определены комплексные передаточные функции основных каналов и перекрёстных связей автономной электрической системы, которые в виде частотных характеристик показаны на рис.19. После ввода информации о структуре взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ были определены их оптимальные коэффициенты регулирования. Результаты работы программного комплекса показаны на рис. 20.
Рис.20. Результаты работы программРис.19. Частотные характеристики системы для согласованной настройки АРВ ного комплекса при согласованной настройке АРВ и АРЧВ и АРЧВ Как видно из табл. 2, коэффициенты стабилизации АРВ при согласованной настройке с АРЧВ значительно изменились, и при этом степень устойчивости системы возросла в 2,8 раза.
Таблица Анализ полученных результатов настройки системы АРВ Коэффициенты настройки Степень устойчивости, Метод настройки АРВ АРВ V(p) k0u=10, k1u=5, Без учёта влияния АРЧВ 0.k0w=0.151, k1w=0.1Согласованная настройка с k0u=10, k1u=5, 0.АРЧВ k0w=15, k1w= Проведённые исследования доказывают, что поиск оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ генераторов электростанций необходимо осуществлять, учитывая влияние систем АРЧВ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ На основе проведённых исследований решена актуальная задача повышения статической устойчивости ЭЭС за счёт согласования настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций. При этом получены следующие результаты:
1. Установлено, что учёт взаимосвязанной работы систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанции при их настройке позволяет значительно повысить запас статической устойчивости ЭЭС.
2. Разработаны модели отечественных систем автоматического регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов, позволяющие детально изучать электромеханические переходные процессы при имитационном моделировании функционирования ЭЭС России.
3. Разработан алгоритм поиска оптимальных настроек параметров стабилизации АРВ и АРЧВ генераторов электростанций, основанный на использовании процедуры адаптивного генетического алгоритма.
4. Предложено новое структурно-аналитическое описание системы АРЧВ - турбинаЦАРВЦгенератор на основе собственных и взаимных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее учёт связей отдельных подсистем.
5. Разработана методика пассивной непараметрической идентификации системы лтурбинаЦгенератор в условиях эксплуатации, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в диапазоне частот собственных колебаний с применением технологии вейвлет-преобразования и методов цифровой обработки сигналов.
6. Разработана методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ группы генераторов электростанции, отличающаяся от известных методик учётом их взаимосвязанности.
7. Разработан программный комплекс, позволяющий решать задачи идентификации энергосистем, оптимизации коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций и анализа устойчивости ЭЭС.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК 1. Булатов Ю.Н. Оптимизация коэффициентов регулирования системы АРЧМ с использованием генетического алгоритма / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2009. - №1(21). - С. 150Ц153.
2. Булатов Ю.Н. Разработка блока автонастройки АРЧМ на основе нечёткой логики / М.А. Приходько, Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. - 2010. - №2(6). - С.91Ц95.
3. Булатов Ю.Н. Программный комплекс для идентификации электроэнергетических систем и оптимизации коэффициентов стабилизации автоматических регулято ров возбуждения / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. - 2010. - №4(8). - С.106Ц113.
4. Булатов Ю.Н. Влияние согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций на устойчивость электроэнергетических систем / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В. // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - №2(10). - С. 85Ц90.
5. Булатов Ю.Н. Методика выбора оптимальных настроек систем АРЧВ генераторов электростанций / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В., Попик В.А. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. - №1(29). - С. 192Ц198.
6. Булатов Ю.Н. Методика повышения запаса устойчивости межсистемных связей электроэнергетических систем / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В., Стародубцев А.А.
// Системы. Методы. Технологии. - 2011. - № 3(11). - С. 101Ц105.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ 7. Свидетельство об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ №2010615862. Оптимизация коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций (ARE&ARRF v. 1.00) / И.В. Игнатьев, Ю.Н. Булатов // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2010.
8. Свидетельство об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ №2011615139. Нечёткая идентификация односвязных систем (FLI v. 1.00) / Ю.Н. Булатов, М.А. Приходько // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2011.
В других журналах и изданиях 9. Булатов Ю.Н. Моделирование автоматических регуляторов возбуждения генераторов электрических станций в среде MATLAB / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: межвуз.
темат. сб. тр. Вып.14 / СПбГАСУ. - СПб., 2008. - С. 18Ц24.
10. Булатов Ю.Н. Настройка АРВ-СД генератора методом стандартных коэффициентов с применением генетического алгоритма / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2008. - С. 18Ц24.
11. Булатов Ю.Н. Методика определения оптимальной настройки многосвязных систем автоматического управления / Ю.Н. Булатов // Молодежь и современные информационные технологии. Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием Молодёжь и современные информационные технологии. - Ч. 2. - Томск: Изд-во СПБ Графикс, 2009. - С. 16Ц17.
12. Булатов Ю.Н. Разработка адаптивной системы автоматического регулирования возбуждения генераторов электростанций / Ю.Н. Булатов // Системные исследования в энергетике. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. - С. 19Ц24.
13. Булатов Ю.Н. Методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ генератора / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Труды Братского государственного универси тета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2009. - С. 3Ц7.
14. Булатов Ю.Н. Алгоритм непараметрической идентификации ЭЭС для получения оптимальных коэффициентов стабилизации АРВ генераторов / Ю.Н. Булатов, С.А. Дьяконица // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2009. - С. 7Ц11.
15. Булатов Ю.Н. Определение оптимальных коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ по непараметрическим моделям турбогенераторов электростанций / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии.Ц2009. - №3. - С.70Ц74.
16. Булатов Ю.Н. Непараметрическая идентификация системы турбина - генератор в условиях эксплуатации / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Сборник материалов конференции: Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития). - Новосибирск: изд-во КАНТ, 2009. - С.
89Ц92.
17. Булатов Ю.Н. Моделирование гидротурбин и автоматических регуляторов частоты и активной мощности в среде MATLAB / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. - 2009. - №4. - С.67Ц70.
18. Булатов Ю.Н. Алгоритм сглаживания эмпирической оценки комплексной передаточной функции при идентификации электроэнергетических систем / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Информационные системы контроля и управления в промышленности и на транспорте: сб. науч. трудов / под ред. Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. - Вып. 17. - С. 18Ц23.
19. Булатов Ю.Н. Разработка модели АРВ-СДП в среде MATLAB и его настройка с помощью генетического алгоритма / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев, А.В. Аксеновский // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2010. - С. 19Ц25.
20. Булатов Ю.Н. Модель электростанции в MATLAB для исследования внутригруппового движения / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Моделирование и информационные технологии. - Киев: НАН Украины, 2010. - Сборник научных трудов (специальный выпуск). - Т.1. - С. 194Ц202.
21. Булатов Ю.Н. Разработка модели микропроцессорного автоматического регулятора возбуждения в среде MATLAB и оптимизация его настроек / Ю.Н. Булатов, В.А. Попик // Труды Братского государственного университета: Сер.:
Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. - Т.2. - Братск:
Изд-во БрГУ, 2011. - С. 3Ц8.
22. Булатов Ю.Н. Методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанции / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Сборник материалов конференции Братская ГЭС: история строительства, опыт эксплуатации, перспективы. - Братск: Изд-во БрГУ, 2011. - С. 130Ц138.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям