Содержание к диссертации
Введение
1. Описание объекта управления 15
1.1. Интеллектуализация систем электроснабжения 15
1.2. Системы электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации 25
1.3. Анализ технологических схем установок распределенной генерации 33
1.3.1. Паровые машины 33
1.3.2. Ветрогенерирующие установки и микро ГЭС 38
1.3.3. Электрические панели 41
1.3.4. Топливные ячейки 43
1.4. СЭЖД, построенные на основе сетевых кластеров 44
1.4.1. Высоковольтные сетевые кластеры 44
1.4.2. Низковольтные сетевые кластеры 53
Выводы 54
2. Управление режимами сэжд с установками РГ 56
2.1. Моделирование СЭЖД с установками РГ 56
2.2. Динамические модели сетевых кластеров 65
2.3. Управление режимами высоковольтного кластера
2.3.1. Нормальные режимы высоковольтного кластера 74
2.3.2. Фильтрация высших гармоник на входе вставки постоянного тока 80
2.3.3. Аварийные режимы в сетевых кластерах
2.4. Управление режимами низковольтного кластера 89
2.5. Управление сетевыми кластерами с асинхронными генераторами 97
2.6. Управление провалами напряжения в сетевых кластерах 102
Выводы
3. Автоматические регуляторы для установок РГ 112
3.1. Эффективность автоматического регулирования установок распределенной генерации 112
3.2. Автоматические регуляторы возбуждения и частоты вращения генераторов 118
3.3. Взаимосвязанная настройка автоматических регуляторов синхронных генераторов 123
3.4. Нечеткие регуляторы для ветрогенерирующих установок 148
Выводы 159
Заключение 160
Библиографический список
- Системы электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации
- СЭЖД, построенные на основе сетевых кластеров
- Нормальные режимы высоковольтного кластера
- Взаимосвязанная настройка автоматических регуляторов синхронных генераторов
Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап развития электроэнергетики характеризуется переходом на технологическую платформу, которая базируется на концепции интеллектуальных энергосистем с активно-адаптивными электрическими сетями (ИЭЭС ААС). Центральный аспект этой концепции состоит в масштабном использовании наряду с традиционными электростанциями генерирующих устройств, создаваемых потребителями электроэнергии - установок распределенной генерации. Реализация концепции ИЭЭС ААС (smart grid) невозможна без разработки новых подходов, обеспечивающих более эффективное решение задач управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения и потребления электрической энергии (ЭЭ).
Значительный вклад в решение проблемы создания активно-адаптивных сетей внесли О.М. Бударгин, В.Н. Вариводов, Н.И. Воропай, В.В. Дорофеев, Т.В. Иванов, СИ. Иванов, Б.Б. Кобец, В.Г. Курбацкий, Ю.Н. Кучеров, Е.И Логинов, А.А. Макаров, М.Ш. Мисриханов, Ю.И Моржин, Э.Б. Наумов, В.Н. Рябченко, В.Н. Седунов, В.Ф. Ситников, В.А. Скопинцев, Ю.Г. Шакарян, М. Donnelly, C.W. Gelling, J.M. Guerrero Zapata, N.D. Hatziargyriou, S.A. Papathanassiou, J.A. Pecas Lopes. J. Schmid, Z. Styczynski и другие.
Вопросам применения технологий распределенной генерации (РГ) посвящены работы В.К. Аверьянова, М.О. Арсентьева, Б.Б. Кобеца, А.В. Праховника, А.В. Федяева и других исследователей.
Надежная работа установок РГ, в особенности построенных на нетрадиционных источниках энергии, невозможна без разработки новых подходов к формированию законов автоматического управления возбуждением и скоростью вращения генераторов РГ. Решению задач создания эффективных автоматических регуляторов синхронных генераторов посвящены работы В.А. Баринова, М.М. Ботвинника, В.В. Бушуева, В.А. Веникова, Г.Р. Герценберга, А.А. Горева, И.А. Груздева, А.Н Дойникова, П.С. Жданова, А.С. Зеккеля, М.Л. Левинштейна, Н.И. Овчаренко, А.А. Рагозина, С.А. Совалова, Е.И. Ушакова, О.В. Щербачева, А.А. Юрганова и др.
Работы перечисленных выше авторов создают методологический базис, обеспечивающий проведение исследований по разработке и модернизации методов и средств управления режимами систем
электроснабжения железных дорог (СЭЖД), включающих в свой состав установки РГ.
Цель диссертационной работы состоит в разработке эффективных методов управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
проанализировать сферы использования установок распределенной генерации на железнодорожном транспорте и возможности решения на их основе задач управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог;
предложить технологии управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, основанные на использовании сетевых кластеров, представляющих собой электрические сети с установками РГ, отделенные от тяговых подстанций автоматически управляемыми вставками постоянного тока (ВПТ);
разработать систему автоматического управления для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевого кластера;
предложить методику согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения синхронных генераторов, работающих в составе сетевых кластеров;
разработать алгоритмы управления режимами сетевых кластеров, построенные с использованием интеллектуальных регуляторов;
предложить методику настройки нечёткого автоматического регулятора для ветрогенерирующих установок, работающих в составе сетевых кластеров.
Объект исследования. Системаэлектроснабжения железной дороги, построенная с использованием интеллектуальных технологий управления режимами и качеством электроэнергии в технологических процессах производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии.
Предмет исследований. Методы управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации.
Методы исследования базируются на математическом моделировании режимов систем электроснабжения железных дорог с использованием аппарата теории автоматического управления и методов решения систем дифференциальных уравнений. В качестве
основного инструмента для реализации применяемого математического аппарата использовалась система MATLAB.
Достоверность и обоснованность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается корректным применением математических методов и алгоритмов. В сопоставимых случаях выполнено сравнение результатов моделирования с данными, полученными другими авторами, а также с измерениями в реальных системах электроснабжения железных дорог.
Научная новизна состоит в том, что в диссертации получены следующие положения, которые выносятся на защиту:
технологии управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, основанные, в отличие от известных, на использовании сетевых кластеров, выполненных с помощью автоматически регулируемых вставок постоянного тока;
система автоматического управления, предназначенная, в отличие от известных, для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевого кластера, и построенная на основе согласованно настроенных автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения;
методика согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения синхронных генераторов, предназначенная, в отличие от известных, для установок распределенной генерации, работающих в составе сетевых кластеров;
алгоритмы управления режимами сетевых кластеров, построенные с использованием интеллектуальных регуляторов;
методика настройки нечёткого автоматического регулятора для ветрогенерирующей установки, позволяющая синтезировать базу правил для эффективной работы этой установки в составе сетевого кластера.
Теоретическая и практическая значимость. Разработана методология управления режимами и качеством электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог, которая может применяться при решении научно-технических задач, связанных с повышением эффективности технологических процессов выработки, передачи и распределения электрической энергии.
С помощью предложенных в диссертации методов и алгоритмов настройки автоматических регуляторов можно решать следующие практические задачи управления режимами систем электроснабжения:
повышение надежности электроснабжения нетяговых
потребителей;
улучшение качества электроэнергии и повышение энергоэффективности.
Реализация результатов работы. Результаты моделирования районов электроснабжения нетяговых потребителей и практические рекомендации по улучшению качества электроэнергии с помощью применения сетевых кластеров использованы в научно-технических разработках ООО «Энергостройконсалт». Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедрах «Электроэнергетика транспорта» ИрГУПСаи «Электроснабжение и электротехника» ИРНИТУ.
Апробация работы. Научные результаты, полученные в процессе диссертационных исследований, обсуждались на международных научно-практических конференциях «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012, 2013, 2014 и 2015 г.); всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2012, 2013, 2014, 2015 г.); XVIII и XIX Байкальских всероссийских конференциях (Иркутск, 2013, 2014 г.); IV международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Новочеркасск, 2013 г.); XVII Межвузовской научно - технической конференции студентов и магистрантов «Молодая мысль - развитию энергетики» (Братск, 2014, 2015 гг.).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 25 работах, из них 8 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и одна монография. В работах, которые опубликованы с соавторами, автору диссертации принадлежит от 25 до 75 % результатов. Положения, которые определяют научную новизну, получены лично автором.
Объём и структура диссертации. Диссертация включает следующие разделы: введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 184 наименований. Объем диссертации 180 страниц, в тексте содержится 159 рисунков,17 таблиц и 3 приложения.
В процессе диссертационных исследований автор получал научные консультации кандидата технических наук, доцента Ю.Н. Булатова.
Системы электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации
Реализация интеллектуального управления базируется на применении микропроцессоров, терминалов удалённого доступа, IED; при этом предусматривается возможность координации этих устройств не только через автоматизированные системы управления верхнего уровня, но и «по горизонтали» - путем связей устройств друг с другом. Широкие возможности для практического воплощения такого подхода дают мультиагентные технологии управления.
В качестве примера интеллектуального силового оборудования можно привести трансформаторы, которые оснащены устройствами контроля активной части, масла, вводов, систем охлаждения, устройств регулирования напряжения под нагрузкой, технологических защит и др. Эти устройства, управляемые развитой микропроцессорной системой осуществляют самодиагностику и выдачу рекомендаций при возникновении развивающегося повреждения или при ненормированном внешнем воздействии на трансформатор. Кроме того, интеллектуальный трансформатор имеет систему управления (СУ) регулируемыми устройствами, обеспечивающими управление из удалённых центров, с полным контролем правильности исполнения команд. Такая возможность очень важна для цифровых, необслуживаемых подстанций.
Важный сегмент ИЭЭС ААС образуют специальные силовые устройства, которые обеспечивают необходимый уровень надёжности и качество электроснабжения [31, 49]. К ним можно отнести: вольтодобавочные трансформаторы, статические тиристорные компенсаторы, автоматизированные батареи конденсаторов, ограничители тока, накопители энергии и реклоузеры. Вольтодобавочные трансформаторы (бустеры) используются для автоматического регулирования напряжения. Возможности такого регулирования могут быть расширены, если бустеры применять совместно с управляемыми батареями статических конденсаторов.
Статические тиристорные компенсаторы являются эффективными устройствами, обеспечивающими повышение энергоэффективности работы и качества электроэнергии в системах передачи и распределения электрической энергии. Их применение в распределительных сетях обеспечивает динамическую стабилизацию напряжения, повышения пропускной способности, снижения колебаний напряжения, поддержания требуемого уровня напряжения в установившемся режиме. Статические тиристорные компенсаторы позволяют изменять напряжение в сети как минимум в пределах ±5%. Такие компенсаторы целесообразно устанавливать рядом с основными центрами нагрузки, вблизи крупных заводов и в узлах сети, где возможно снижение напряжения до критического значения, что характерно для удалённых участков сети.
При формировании интеллектуальных распределительных электрических сетей должны широко использоваться ограничители тока короткого замыкания. В настоящее время в высоковольтных электрических сетях наблюдается рост токов КЗ до величин, которые превышают отключающую способность коммутационной аппаратуры. Для решения проблемы ограничения токов КЗ требуются новые технические разработки, основанные на высокотемпературных сверхпроводниковых и полупроводниковых технологиях. Применение таких токоограничителей обеспечивает не только ограничение значения ударного и установившегося тока КЗ, но и поддержание на высоком уровне напряжения в узлах сети в аварийных режимах.
Накопители электрической энергии, устанавливаемые в распределительных электрических сетях, дают возможность существенно повысить надёжность электроснабжения. Мощность эксплуатируемых накопителей энергии достигает 50 МВт и более. В распределительных электрических сетях могут применяться литий-ионные аккумуляторы, суперконденсаторы, а также кинетические и сверхпроводящие накопители энергии.
Реклоузер имеет коммутационный аппарат, обеспечивающий возможность проведения многократных операций включения и отключения, и систему управления, объединяющую различные виды РЗ и противоаварийной автоматики: автоматическое повторное включение, автоматический ввод резерва, МТЗ и защиту от замыканий на землю. Кроме того в состав реклоузера может входить устройство плавки гололёда и др. На базе реклоузеров реализуются децентрализованные системы защиты и автоматического управления, в которых целый ряд функций центрального управления передаётся удалённым технологическим устройствам.
Системы диспетчерского управления и сбора данных SCADA обеспечивают мониторинг состояния оборудования, быстрое обнаружение аварийных элементов, позволяет дистанционно следить за изменением напряжения, тока, активной и реактивной мощности, гармонических составляющих и других параметров переходных процессов, а также дистанционно изменять уставки реклоузеров, регуляторов напряжения и ИРМ.
Таким образом, на основе современных технологий управления может быть реализована интеллектуальная система электроснабжения, обеспечивающая повышение надежности, энергоэффективности и качества электроэнергии. Одним из важных элементов интеллектуальной СЭС являются установки распределенной генерации, в том числе реализованные на основе нетрадиционных возобновляемых источников ЭЭ. Для практической реализации интеллектуальных СЭС на железнодорожном транспорте необходимо научно-обоснованно решить следующие задачи:
СЭЖД, построенные на основе сетевых кластеров
Одним из эффективных решений по улучшению качества электроэнергии и повышению надежности электроснабжения нетяговых потребителей является размещение установок РГ вблизи центров нагрузок. При этом снижаются риски дефицита мощности при потери электроснабжения от питающей подстанции основной сети, снижаются потери мощности и электроэнергии.
Ниже подробно рассмотрены вопросы влияния установок распределенной генерации на несимметрию и несинусоидальность в РЭС нетяговых потребителей. Решение поставленной задачи осуществлялось на основе компьютерного моделирования в системе Matlab, применительно к схеме, показанной на рис. 2.1. В отличие от моделей, использованных в работах [92, 93], результаты получены с учетом потребителей электроэнергии, питающихся от сетей РЭС.
Фрагмент СЭЖД Для исследования влияния РГ на качество электроэнергии были разработаны динамические модели (рис. 2.2...2.5) применительно к исходной схеме, показанной на рис. 2.1. В этой схеме представлена тяговая подстанция, имеющая распределительные устройства ПО, 27.5 и 6 кВ. К районной обмотке 6 кВ подключена потребительская подстанция 6/0.4 кВ. Установка РГ включается на шине РУ 0,4 кВ. Источником электроэнергии является синхронный генератор мощностью 1320 кВА, работающий параллельно с сетью.
Для изучения совместного влияния установки РГ и питающихся от нее потребителей электроэнергии на качество ЭЭ использовались компьютерные модели, реализованные в среде Matlab с использованием библиотеки SimPowerSystems . Модели для изучения совместного влияния установки РГ и питающихся от нее потребителей электроэнергии на качество ЭЭ показаны на рис. 2.2...2.5. 3-Phase Series RLC Load - для моделирования нагрузки, подключенной к шинам 6 кВ тяговой подстанции; состоит из трех последовательных i LC-нагрузок, соединенных в треугольник; 17= 6 кВ, S= 5 + ./2.4 MB А, /"= 50 Гц; этот блок использовался также для моделирования низковольтной нагрузки, подключенной к шинам РУ; 11= 0.4 кВ, S = 1 +./0.6 МВА,/=50Гц;
Synchronous Machine, представляющий собой модель синхронного генератора с демпферной обмоткой, имеющего следующие параметры: S= 1320 кВА, [/=0.4 кВ; cos =0.8; 1500 об/мин. асинхронный двигатель представлен блоком Asynchronous Machine, который представляет собой модель асинхронной машины с короткозамкнутым ротором. Использовались параметры асинхронного двигателя 4А250М4УЗ: Р = 90 кВт; [/=0.4 кВ;/= 50 Гц.
В первой модели на шинах РУ отсутствовала нагрузка и синхронный генератор выдавал мощность в сеть высокого напряжения. Эта модель обозначена ниже как «РГ». Во второй схеме к шинам 0.4 кВ РУ подключался асинхронный электродвигатель 4А250М4УЗ, мощностью 90 кВт. Эта схема обозначена как «РГ-АЭД». В третьей схеме, обозначенной как «РГ-СПЧ», этот же асинхронный электродвигатель подключался к выходным зажимам статического преобразователя частоты. В четвертой схеме («РГ-ССН») от шин 0.4 кВ питалась статическая симметричная нагрузка мощностью 90 +у41 кВ-А.
Результаты моделирования при токах на вводах тяговой подстанции /ас=300 А, /ьс=300 А и мощности генератора 1320 кВ.А представлены в табл. 2.1 и 2.2 и проиллюстрированы на рис. 2.6...2.11.
Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы: при включении установки РГ улучшаются показатели качества электроэнергии по несимметрии и несинусоидальности; наибольшее снижение несимметрии (32 % на шинах РУ) имеет место в схеме «РГ-АЭД», что можно объяснить дополнительным симметрирующим эффектом асинхронного электродвигателя [112]; максимальное снижение несинусоидальности (33 %) на шинах РУ наблюдается в схеме «РГ», отвечающей отсутствию нагрузки на шинах 0.4 кВ РУ;
Нормальные режимы высоковольтного кластера
Одним из главных условий обеспечения надежности работы нетяговых потребителей является питание их электроэнергией, параметры которой соответствуют определенным требованиям к её качеству. Превышение предельно допустимых значений ПКЭ оказывает негативное влияние на работу нетяговых потребителей и приводит к экономическому ущербу. Искажение качества ЭЭ для устройств СЦБ непосредственно влияет на безопасность движения поездов.
Проблема пониженного качества электроэнергии в СЭЖД может быть решена на основе автоматически управляемых устройств, входящих в сетевой кластер. Методы управления качеством ЭЭ на основе автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов РГ рассмотрена в главе 3. Ниже рассматриваются вопросы управления динамическими режимами сетевого кластера на основе автоматических регуляторов коэффициента модуляции инвертора и литий-ионных накопителей электроэнергии.
Для управления качеством ЭЭ смоделированы ВПТ с автоматическим регулятором коэффициента модуляции инвертора. Структурная схема автоматического регулятора коэффициента модуляции, обеспечивающего стабилизацию напряжения на шинах РП, представлена на рис 2.73.
Установка литий-ионных накопителей энергии, оснащенных развитой системой автоматического управления, на стороне постоянного тока также позволяет управлять динамическими процессами в целях снижения длительности и глубины провалов напряжения.
Под провалом напряжения понимается кратковременное снижение или полная потеря его действующего значения [163]. Параметрами провала являются его длительность и значение минимальной величины остаточного напряжения, обычно выражаемое в процентах от номинального. При провале требуемая энергия не поступает к нагрузке в полном объеме, что может приводить к существенному экономическому ущербу.
В большинстве причиной возникновения провалов напряжения на шинах электроприемников являются короткие замыкания в схемах внешнего и внутреннего электроснабжения. Причинами провалов напряжения также могут быть включение больших нагрузок, пуск и самозапуск мощных электродвигателей, ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, ошибочные действия персонала и ряд других менее распространенных причин. Провал напряжения может приводить к частичной или полной остановке сложного автоматизированного производства. Прямые и косвенные убытки предприятий и организаций достигают миллионов и даже миллиардов рублей в год.
На предприятиях железнодорожного транспорта весьма велика доля оборудования для цифровой обработки данных, крайне чувствительного к провалам напряжения. Поэтому задача снижения ущербов от ПН в районах электроснабжения нетяговых потребителей имеет несомненную актуальность. Применение технологий сетевых кластеров позволяет получить ряд положительных эффектов, связанных с повышением надежности электроснабжения и качества электроэнергии на зажимах электроприемников по отклонениям, несимметрии и несинусоидальности напряжения. Ниже приведены результаты исследований, направленных на ликвидацию провалов напряжения значительной глубины с помощью ВПТ.
Схема сетевого кластера представлена на рис. 2.74. В состав ВПТ входит выпрямитель и инвертор. Для повышения гибкости системы электроснабжения потребителей, объединенных в сетевой кластер, может использоваться связь, шунтирующая ВПТ - байпас.
На основе ВПТ может быть решена задача уменьшения длительности провалов напряжения, а также их полной ликвидации. Для этого можно использовать следующие методы:
Результаты моделирования в виде осциллограмм мгновенных и действующих значений напряжений на шинах 6 кВ сетевого кластера представлены на рис. 2.76...2.79. Провал напряжения создавался отключением основного питания в момент времени t = 1 с. При t = 2 электроснабжение восстанавливалось. Моделирование осуществлялось в двух вариантах:
Результаты моделирования в виде осциллограмм мгновенных и действующих значений напряжений на шинах 6 кВ сетевого кластера представлены на рис. 2.81...2.84. Провал напряжения создавался подключением дополнительной нагрузки 6 +у4 MB-А в момент времени t = \ с. Действующее значение напряжения снижалось примерно на 17 % от средненоминального значения иср-63кВ. При t = 2 с дополнительная нагрузка отключалась. Моделирование осуществлялось в двух вариантах:
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: с помощью литий-ионных накопителей энергии и вставок постоянного тока может быть решена задача обеспечения надежного электроснабжения потребителей при отключении основного питания; показана принципиальная возможность снижения длительности провалов напряжения небольшой глубины на основе регулирования коэффициента модуляции инвертора; такие провалы могут часто возникать в РЭС, например, вследствие пуска электродвигателей; достоинство данного способа состоит в незначительных дополнительных затратах, связанных с установкой устройства автоматического регулирования величины kMOD; при отключении дополнительной нагрузки наблюдается кратковременное повышение напряжения; в рассматриваемой модели величина U достигает ПО % от значения иСР, что является вполне допустимым; следует отметить, что наблюдаемый всплеск напряжения может быть снижен на основе ограничителей напряжения.
Взаимосвязанная настройка автоматических регуляторов синхронных генераторов
На рис. 3.29 представлена схема модели СЭЖД. Генераторы установки РГ (Synchronous Machine) моделируются высоковольтными синхронными машинами мощностью 3 MB А и номинальной частотой вращения ротора 3000 об/мин, приводимого во вращение паровой турбиной (Steam turbine), математическая модель которой без учёта промежуточного перегрева пара представлена следующей передаточной функцией: (3.13)
Для регулирования частоты и напряжения турбогенераторов используются модели микропроцессорного АРВ и АРЧВ. Измерение параметров турбогенератора и напряжения на шинах потребителя в модели осуществляется с помощью осциллографов (Scope l-Scope5). Для измерения несинусоидальности и несимметрии в модели используются стандартные блоки пакета SymPowerSystems: Total Harmonic Distortion и 3-phase Sequence Analyzer соответственно. Согласование настроек АРВ и АРЧВ турбогенераторов установки РГ осуществлялось с помощью программного комплекса «Оптимизация коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ...» [17]. В результате были определены коэффициенты настройки регуляторов и запас устойчивости системы, представленные в табл. 3.4.
С помощью программного комплекса исследовались переходные процессы в РЭС при отключении основного питания, что может быть вызвано различными причинами. Полученные результаты показали эффективность методики согласованной настройки АРВ и АРЧВ турбогенераторов установки РГ, заключающейся в снижении времени регулирования и перерегулирования частоты и напряжения. Соответствующие осциллограммы представлены на рис. 3.30 и 3.31.
Результаты моделирования показали также, что при отключении ВПТ со стороны инвертора, выполненного на IGBT-транзисторах, шунтированных обратными диодами, наблюдаются перенапряжения (рис.3.32), снижение частоты вращения ротора генератора (рис. 3.33) и потеря устойчивости турбогенераторов. Для защиты от перенапряжений установок РГ и нетяговых потребителей были использованы нелинейные ограничители перенапряжений, модели которых входят в стандартную библиотеку SimPowerSy stems системы MATLAB. Результаты компьютерного моделирования показывают эффективность работы согласованно настроенных АРВ и АРЧВ при перенапряжениях, ограниченных с помощью ОПН. При отсутствии регуляторов система теряет устойчивость (рис.3.34, 3.35).
Таким образом, методика согласованной настройки АРВ и АРЧВ параллельно работающих турбогенераторов установки распределённой генерации в системе электроснабжения железной дороги позволяет обеспечить необходимый запас устойчивости, нормативное качество электроэнергии и высокую надёжность электроснабжения потребителей.
В последние годы начато широкое использование возобновляемой энергии ветра. Мощность ВГУ за период к 2012 году достигла в мире 282 ГВт. В целом ряде стран реализуются напряженные планы создания ветроэнергетики на перспективу 2020...2030 гг. [176]. Основное препятствие для использования энергии ветра состоит в непостоянстве его скорости, что требует совершенствование конструкций ВГУ. В современной ветроэнергетике применяются следующие типы генераторов:
Начальный этап развития ветроэнергетики характеризовался применением асинхронных генераторов. Среднегодовая скорость ветра во многих регионах России составляет примерно 2...5 м/с. Поэтому перспективным является использование тихоходных синхронных генераторов (СГ) с электромагнитным возбуждением или постоянными магнитами.
Эффективность работы ВГУ возможно увеличить на основе применения систем автоматического управления. Однако решение этих задач связано с преодолением целого ряда затруднений. Преодолеть эти затруднения традиционными методами не представляется возможным. Так как ВГУ представляет собой нелинейный и нестационарный объект для управления его режимами можно применять нечёткие (fuzzy) регуляторы [128, 166... 168, 174, 175].
В данном разделе рассматривается задача моделирования и настройки системы fuzzy управления горизонтально-осевой ВГУ, оборудованной тихоходным генератором. Рассматриваются два варианта объекта управления:
Так как ВГУ работает по случайному графику, то при разработке системы управления возникает проблема неопределённости исходных данных, связанная с вариацией в широких пределах скоростей воздушного потока. механизмом поворота лопастей с помощью электропривода; при этом предполагается, что турбина ориентирована на ветер. Поэтому повороты гондолы не рассматриваются. Для данного способа регулирования мощности ВГУ за рубежом применяется термин pitch-регулирование.
Для моделирования ВГУ и системы управления углом /3 используется система MATLAB. Для поворота лопасти предполагается использовать сервопривод с редуктором. Модель этого устройства была реализована на основе пакета Simulink MATLAB (рис. 3.37). Передаточную функцию привода можно представить как апериодическое звено с параметрами Ks и Ts. Упрощенно редуктор моделируется в виде усилителя с коэффициентом Кг. При определении угла отклонения необходимо интегрирование сигнала по частоте. Особенность сервопривода состоит в наличии отрицательной обратной связи, которая позволяет стабилизировать заданное значение угла Р Pitch angle Рис. 3.37. Схема модели механизма, обеспечивающего поворот лопастей ВГУ Для управления углом поворота лопастей предлагается использовать модель fuzzy регулятора, которая была создана на основе пакетов Simulink и Fuzzy Logic Toolbox [128].
Нечёткий регулятор включает два основных сегмента: систему нечёткого логического вывода, состоящую из блоков фаззификации и деффазификации, а также базу знаний, которая содержит базу правил и блок вывода (рис. 3.38).
Для настройки нечеткого регулятора (HP) достаточно иметь представление о поведении объекта управления и не требуется его математического описания. На основе этих знаний составляется база правил, имеющая форму «Если-то». Отсутствие необходимости математического описания объекта управления (ОУ) является главным преимуществом HP. Для синтеза HP нужно определить диапазоны вариации входных и выходных параметров, выбрать функции принадлежности нечётких переменных и провести их лингвистическую оценку.