Быстродействие устройства подчиненного регулирования частоты и напряжения электроэнергетических систем Виницкий Андрей Львович

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Состояние прошемы. задача исследования

1.1. Обзор систем управления некоторых электроэнергетических объектов 10

1.2. Принцип подчинённого регулирования 20

1.3. Использование принципа подчинённого регулирования для синтеза САР электрических машин переменного тока 32

1.4. Постановка задач исследования 43

ГЛАВА 2. Синтез систм автоматического регулирования частоты и перетока мощности электроэнергетической системы с быстродействующим накопителем энергии

2.1. Структура электроэнергетической системы как объекта регулирования 45

2.2. Синтез регулятора частоты электроэнергетической системы 61

2.3. Синтез системы стабилизации частоты и перетока мощности 71

2.4. Синтез системы компенсации кратковременного небаланса активной мощности 79

2.5. Взводы 87

ГЛАВА 3. Синтез систем автоматического регулирования частоты и напряжения автономной энергосистемы

3.1. Особенности режима автономной элект роэнергетической системы и. задачи регулирования 89

3.2. Разработка устройств для быстродействующей стабилизации частоты автономной электроэнергетической системы J00

3.3. Синтез системы автоматического регулирования модуля напряжения автономной электроэнергетической системы 109

3.4. Выводы 123

ГЛАВА 4. Анлиз процессов в энергосистемах с синтезированными сар

4.1. Переходные процессы в системе компенсации кратковременного небаланса активной мощности 125

4.2. Переходные и установившиеся про -цессы в системе стабилизации частоты и перетока мощности электроэнергетической системы 140

4.3. Анализ процессов автономной электроэнергетической системы 156

4.4. Выводы 170

ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования

5.1. Описание экспериментальной установки '172

5.2. Система регулирования возбуждения СГ автономной электроэнер -гетической системы 177

5.3. Методика проведения эксперимента 185

5.4. Экспериментальные характеристики 190

5,5. Выводы 203

Литература

• Обзор систем управления некоторых электроэнергетических объектов
• Структура электроэнергетической системы как объекта регулирования
• Особенности режима автономной элект роэнергетической системы и. задачи регулирования
• Переходные процессы в системе компенсации кратковременного небаланса активной мощности

Введение к работе

Актуальность работы. Современная тенденция развития электроэнергетики заключается в укрупнении электроэнергетических систем вплоть до организации единой энергетической системы страны. Одной из главных задач совершенствования подобных систем оказывается улучшение качества электрической энергии и повышение надёжности электроснабжения потребите -лей. Эта задача успешно может быть решена лишь в результате автоматизации функционирования электроэнергетических систем с широким использованием устройств автоматического регулирования на различных иерархических уровнях управления системами. Именно это обстоятельство обуславливает актуальность настоящей работы, которая посвящена решению вопросов совершенствования систем регулирования на самом нижнем иерархи -ческом уровне, а именно: систем поддержания баланса активных мощностей, регулирования частоты, перетока мощности и модуля напряжения электроэнергетических систем. При этом положительного эффекта удаётся достигнуть за счёт использования принципов подчинённого регулирования, хорошо зарекомендовавших себя в электроприводе, и применения быстродействующих накопителей энергии, в частности, электромеханического накопителя на основе асинхронизированной синхронной машины (АСМ).

Разработка указанных выше систем автоматического регулирования подчинённого типа с быстродействующими накопителями энергии произведена в результате решения задач синтеза, так что системы регулирования при любых возмущениях и произвольных начальных условиях обеспечивают желательный характер процессов в электроэнергетической системе.

Цель работы. Создание быстродействующих устройств подчинённого регулирования частоты и напряжения, использующих быстродействующий накопитель на основе АСМ для управления частотой энергосистемы на самом нижнем иерархическом уровне.

Методы исследования. Поставленные задачи решались в рамках следующей схемы: математическое описание объекта управления - синтез САР подчинённого типа - анализ работоспособности всей системы в целом - экспериментальные исследования некоторых из синтезированных систем. При этом в работе применялись методы теории нелинейных многосвязных систем, аппарат переда -точных функций и алгебра матриц, методы теории электрических машин переменного тока, метод математического моделирования на цифровых вычислительных машинах. Проверка теоретических результатов осуществлялась на испытательном стенде автономной электроэнергетической системы предприятия п/я Г 4128.

Научная новизна работы определяется:

- структурой регулятора частоты электроэнергетической системы в подчинённой САР;

- структурой регулятора перетока мощности объединённой электроэнергетической системы;

- структурой перераспределения нагрузки с накопителя на синхронный генератор;

- структурами восстановления энергетических ресурсов накопителя энергии;

- структурой системы регулирования модуля напряжения автономной электроэнергетической системы;

- полученными рекомендациями по настройке быстродействующего и медленнодействующего каналов регулирования при управлении частотой;

- экспериментальным подтверждением работоспособности САР модуля напряжения автономной электроэнергетической системы/ .

Автор защищает:

I, Разработанную структурную схему быстродействующего канала регулирования частоты и перетока мощности электроэнергетической системы с накопителем энергии.

2 Синтезированную на основе принципа подчинённого регулирования структуру канала загрузки синхронного генератора и восстановления энергетических ресурсов накопителя.

3. Структурную схему подчинённой системы компенсации кратковременного небаланса генерируемой активной мощности узла нагрузки.

4. Структуру подчинённой САР модуля напряжения автоном -ной электроэнергетической системы, обеспечивающей управление напряжением посредством стабилизации неискажённой ЭДС.

5. Полученные рекомендации по настройке медленнодейст -вующего и быстродействующего каналов регулирования при управлении частотой.

Практическая ценность работы. Полученная структурная схема быстродействующего канала стабилизации частоты и перетока мощности электроэнергетической системы позволяет получить желательные характеристики процессов при регулировании указанных величин, что приводит к значительному уменьшению их отклонения от заданного уровня. При таком управлении частотой существенно увеличивается надёжность работы электро -энергетической системы в случае возникновения небаланса активной мощности. Использование в электроэнергетической системе структуры передачи нагрузки с накопителя энергии на синхронный генератор и восстановление энергетических ресурсов накопителя приводит к постепенной, то есть в реально возможном темпе, загрузке генератора, а также позволяет сохранить работоспособность такой системы управления при повторяющихся возмущениях. Синтезированная на основе принципа подчинённого регулирования структура компенсации кратковременного небаланса активной мощности повышает надёжность электроснабжения потребителей за счёт предотвращения снижения частоты в узле нагрузки. Полученные рекомендации по настройке каналов разного уровня быстродействия облегают наладку разработанных систем. Подчинённая САР напряжения автономной электроэнергетической системы осуществляет заданное воздействие на модуль напряжения при питании мощного преобразователя часто -ты от шин синхронного генератора и формирует фазные значения неискажённой ЭДС, которые могут быть использованы в качестве опорного напряжения в системе импульсно-фазового управления преобразователя частоты.

Реализация в промышленности. Исследования проведённые в работе, использованы предприятием п/я Г-4Х28 в эскизном проекте системы электродвижения на переменном токв крупного морского судна. Экономический эффект от внедрения согласно полученному акту составляет 840 тыс. рублей.

Апробация работы. Основные положения работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на У1,УП научно-технических конференциях Уральского политехнического ин -ститута им. С.М.Кирова (г. Свердловск, 1980, 1984 г.г.); на У научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу переменного тока с полупроводниковыми преобразователями (г. Свердловск, 1980 г.); на научно-техническом семинаре "Частотноуправляемые синхронные и асинхронизированные машины в электроприводе и электроэнергетике" (г Свердловск, 1981 г,); на Всесоюзной научно-технической конференции "Динамические режимы работы электрических машин и электроприводов" (г. Грозный, 1982 г;0.

Публикации; По результатам исследований опубликовано 9 работ, в том числе получено три авторских свидетельства на изобретения и два положительных решения на заявки об изобретениях

Объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и трёх приложений.

Работа содержит 127 страниц машинописного текста, 87 рисунков и осциллограмм, 5 таблиц и II страниц приложений. Список использованной литературы включает ПО наименований. 

Обзор систем управления некоторых электроэнергетических объектов

Развитие электроэнергетических систем (ЭЭС), их объединение, увеличение количества межсистемных связей требует развития и совершенствования устройств системной автоматики. Функции этих устройств весьма разнообразны, поскольку они осуществляют автоматизацию большого числа процессов, имеющих место в энергетическом производстве. Широкое распространение по -лучила противоаварийная автоматика [54, 75, 5, 13J . Большое внимание уделяется разработке автоматики, обеспечивающей ста -билизацию заданного режима работы электроэнергетических систем Г 69, 47, 16, 12, 64j .

К числу указанных устройств относятся комплексы автоматического включения резерва (АВР), автоматического повторного включения линий и шин (АПВ), автоматической частотной разгрузки (АЧР), автоматические системы регулирования напряжения и реактивной мощности (АСРН и РМ), автоматический регулятор возбуждения сильного действия (АРВ СД), автоматические системы регулирования частоты и мощности (АСРЧ и М) [3]

Первые автоматические системы являлись простейшими систе- мами с неизменной структурой и настройкой регуляторов. Требо -вания практики к повышению качества регулирования и сложность выполняемых задач обусловили появление оптимальных систем многоцелевого назначения [41] . В настоящее время управление электроэнергетическими системами осуществляется в рамках мно -гоуровневой иерархической системы. Для современных систем ре -гулирования характерна ориентация разделения управляющей стра тегии на три основных направления: - профилактическое управление, применяемое до наступне -ния события, когда система ещё находится в заданном исходном режиме [I, 100, 94, 105, 71] ; - коррекционное управление, вступающее в действие с возникновением возмущения, приводящего электроэнергетическую систему к новому нормальному режиму 64, 14, 77, 63] ; - инвариантное управление, полностью уничтожающее воз -мущение и сохраняющее состояние системы в заданном исходном режиме l06, 43, 42, 66J ;

Инвариантное управление предполагает независимость регулирования величины от одного или нескольких возмущений и не -зависимость рассогласования следящей системы от задающего воздействия. С использованием терминологии теории автоматическо -го регулирования, принцип инвариантности формулируется следующим образом: координата Хк инвариантна по отношению к воз -мущениго f , если передаточная функция системы относительно этого возмущения, составленная для координаты Хк равна нулю Г44J , Внедрение приведенного принципа в практику разра -ботки систем автоматического регулирования (САР) электроэнергетических систем позволяет решать задачи полной или частичной компенсации влияния возмущений на системы автоматического ре -гулирования и приближаться к идеальному воспроизведению в них задающих воздействий 73, 45, 68, 106J .

Широкое распространение получили идеи коррекционного управления, основывающиеся на принципе регулирования по отклонению. Этот способ управления заключается в том, что при изменении управляемой величины регулятор оказывает воздействие на объект регулирования, направленное на устранение возникшего отклонения.- Такие системы создаются на основе замкнутых САР, В современных ЭЭС по мере развития и совершенствования применяемых управляющих устройств повышается роль установок, работающих в замкнутом контуре регулирования. Наличие таких сие -тем гарантирует требуемые показатели качества электроэнергии. Особенно перспективно использование САР, синтезированных на основе методов, позволяющих получить желательные характерне -тики любых процессов [8] . В этом плане проводятся работы 40, 4, 3lJ по объединению действия автоматики, работающей в нормальном режиме электроэнергетической системы и противоава-рийной автоматики, а также создания на основе этого объединения единых САР способных функционировать как в нормальном , так и в аварийном режиме. Сложность разработки таких устрой -ств заключается в следующем. Для обеспечения устойчивости САР нормального режима коэффициенты регуляторов, обычно ограничиваются, что приводит к невозможности нейтрализовать последствия аварийных возмущений и вести управление электроэнерге -тической системы с желаемым темпом [4j . Поэтому необходимо вводить быстродействующие устройства,способные реагировать на отклонение управляемого параметрами включать их в структуру замкнутой системы автоматического регулирования ЭЭС. Так , например, переходный процесс генератора, снабжённого комбинированным устройством регулирования возбуждения и электричес -кого торможения, может быть сделан апериодическим, тогда как при обычном регулировании этот процесс будет неустойчив в сопоставимых условиях Г 3lJ . К аналогичному результату может привести создание единой САР для регулирования возбуждения и скорости турбоагрегата .

Структура электроэнергетической системы как объекта регулирования

В современных электроэнергетических системах большое внимание уделяется вопросу непрерывного поддержания соот -ветствия производства и потребления электроэнергии при заданной частоте. Эта задача решается путём использования системы автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ) [76, 92] При этом наряду с задачей поддержания баланса потребляемой и генерируемой мощности всей энерго -системы существует проблема стабилизации мощности в отдельных районах Гзз] . В связи с этим все большее значение приобретает создание быстродействующих устройств стабилизации частоты и перетока мощности, способных осуществлять управление указанными величинами электромеханических переходных процессов Для обеспечения эффективного регулирования пере -тока мощности при аварийном дефиците в приёмной электроэнергетической системе требуется быстрое (за секунды или доли секунды) увеличение: генерируемой мощности или уменьшение её, если речь идёт о передающей системе Такие задачи экстренного регулирования не могут быть решены в рамках существующих систем АРЧМ, вследствие большой инерционности регуляторов турбо и гидро - агрегатов [53, 29J Задача аварийного сни -жения генерируемой мощности может решаться путём использования импульсной разгрузки турбин [2, 32] или электрического тормокения [49, 70J , но это средства,позволяющие осуществлять воздействие только одного знака, в то время как для получения желательных переходных процессов при регулировании перетока мощности и частоты необходимо воздействие как для уменьшения, так и для увеличения генерируемой мощности. Та -кое управление можно осуществлять при использовании быстро -действующей системы стабилизации частоты и перетока мощности. Для разработки указанной системы необходимо провести анализ ЭЭС как объекта регулирования.

Обобщённая структурная схема рассматриваемой энергосис -темы приведена на рис, 2,1, ЭЭС представлена двумя подсисте -мами соединенными линией электропередачи. Мощности каждой из них Pj и Р2 могут быть различные: от больших (10 10 МВт) до самых малых ( I 10 МВт и менее), Принципиаль -ное значение в данном случае имеет конфигурация ЭЭС. В рас -сматриваемой структуре ЭЭС в первую энергосистему включён накопитель энергии, позволяющий в некоторой степени разнести во времени процесс производства и потребления электроэнергии. Накопитель может быть использован для решения различных за -дач, при этом он должен иметь соответствующие параметры. Так в [86] приведены данные накопителей для решения трёх задач (см, таблица 2,1)

Существуют различные типы накопителей энергии: ёмкоет -ные, индуктивные, химические, инерционные. Наиболее перспективными для решения приведённых задач являются индуктивные и инерционные (электромеханические) накопители [18] . Исполь -зование индуктивных накопителей наталкивается на ряд труд -ностей: - высокая стоимость, которая для установленной мощности больше, чем у гидроаккумулирующих станций; - экранирование внешних магнитных полей, так как поле соленоида может простираться на I 2 км; - исполнение системы бандажа обмотки, так например, использование в качестве бандажа горных пород при запасаемой ТО энергии 10х Дж требует погружения соленоида на глубину 500 1000 м; - проблема надёжности магнитной системы, так как вы о свобождение энергии 10 Дж аналогично землетрясению силой примерно 6 баллов б0J .

Использование электромеханических накопителей не встречает таких, в настоящее время серьёзных, затруднений. Так, например, фирмой "Сименс" ФЕГ внедрены инерционные накопители для питания электрофизических установок запасающих энер о гшо 1,4 1(г Дж. Существуют проекты электромеханических на -копителей для покрытия пиков нагрузки. Один из пиковых генераторов (проект Великобритании) запроектирован на отдачу мощности 7 МВт в течение 2-3 минут, а другой (проект США) - на запасаемую энергию 10 - 20 тыс. кВт«ч» При этом стоимость установленной пиковой мощности ниже, чем для гидроаккумули -рующих станций [107, Iioj .

Электромеханический накопитель является многомерным многосвязным объектом (см.рис. 2.5). Поэтому его применение в электроэнергетической системе приводит к наиболее сложной структуре (по сравнению с вариантами других накопителей) ЭЭС (см.рис. 2.6). Такая структура энергосистемы при синтезе САР определяет создание наиболее общей системы управления час -тотой ЭЭС на самом нижнем иерархическом уровне и, в связи с этим, использование других видов накопителей не нарушает основных принципов построения систем регулирования.

Особенности режима автономной элект роэнергетической системы и. задачи регулирования

Проблема разработки системной автоматики имеет ряд особенностей при управлении процессами автономных электроэнергетических систем. Такие энергосистемы обычно отличаются срав -нительно простой конфигурацией и имеют специфику в регулировании модуля и частоты напряжения. К указанному типу ЭЭС относятся системы электродвижения (СЭД) крупных морских судов. Так проектируемые в настоящее время и перспективные СЭД на переменном токе строятся по следующему принципу. Синхронный генератор (СГ), приводимый в движение паровой турбиной,пита -ет через непосредственный преобразователь частоты (НПЧ) синхронный двигатель (СД), на валу которого находится гребной винт. Возможен вариант, автономной ЭЭС, в котором от одного турбоагрегата питается несколько безтрансформаторных блоков НПЧ - СД, причём,в обоих вариантах мощность нагрузки, как правило, соизмерима с мощностью СГ. Каждый блок снабжен САР, которая обеспечивает работу СД в необходимом режиме.; При этом частота вращения двигателя и момент на его валу могут изменяться в широких пределах, а это означает, что и ток генератора при переходе от режима к режиму работы СЭД претер -певает значительные изменения, т.е. СГ работает с переменной нагрузкой.

В рассматриваемой электроэнергетической системе можно выделить три основные функции СГ: во-первых, функцию источника - потребителя активной мощности, во-вторых, функцию источника реактивной мощности, обеспечивающего коммутацию ти -ристоров, в-третьих, функцию источника системы опорных напряжений, использующихся в системе импульсно-фазового управления (СШУ) тиристорных преобразователей.

Реализация этих функций возможна лишь при наличии автоматического управления активной и реактивной мощностями авто -номной ЭЭС, При этом большую роль играет автоматика поддер -жания баланса потребляемой и генерируемой активных мощностей. Дело в том, что в рассматриваемой энергосистеме возможны различные режимы, определяемые характером нагрузки. Так, напри -мер, рабочими режимами гребных синхронных электродвигателей является торможение и реверс. В этих режимах происходит уменьшение потребляемой мощности и,следовательно,возникает неба -ланс активных мощностей. Кроме того,при реверсе СД гребной винт на некоторое время превращается в гидротурбину, а дви -гатель переходит в генераторный режим. Выделяемая энергия расходуется на потери и разгон турбоагрегата, критичного к от -клонению скорости от номинальной. Таким образом,темп реверса и торможения двигателей определяется возможностями турбоаг -регата. В настоящее время достигнутые уровни быстродействия при регулировании активной мощности турбоагрегата являются недостаточными для обеспечения требуемого темпа реверса и торможения гребных электродвигателей.1 Поэтому в рассматри -ваемой автономной энергосистеме для регулирования активной мощности должны быть предусмотрены быстродействующие устройства, обеспечивающие возможность требуемого темпа реверса и торможения гребных двигателей при заданной скорости изменения активной мощности турбоагрегата.

Следует отметить, что в рассматриваемой энергосистеме ток нагрузки генератора и напряжение на его зажимах носят ярковыраженный несинусоидальный характер. Несинусоидальность кривой напряжения обусловлена в основном коммутационными искажениями, связанными с работой тиристорних преобразователей, мощность которых соизмерима с мощностью генератора Характер этих искажений достаточно наглядно иллюстрируется осциллог -раммой на рис, 3.1, на котором дана кривая линейного напря -жения генератора, работающего на преобразователь частоты большой мощности, В реальной СЭД, когда от одного источника питается несколько блоков НПЧ - СД эти искажения появляются в несколько раз чаще, носят практически недетерминированный характер и искажают кривую напряжения на зажимах СГ в ещё большей степени.

Изменения напряжения на зажимах СГ влияют на режим каждого из синхронных двигателей, САР СД реагирует на эти изменения и в определенной мере подавляет их влияние на режим двигателя. Однако,подавление не является полным, и для его реализации необходим дополнительный запас по напряжению НПЧ. Из-за этого ухудшаются технико-экономические показатели, т.е. увеличивается габаритная мощность НПЧ и -СГ, понижается коэффициент мощности. Особенно неблагоприятно влияние разных СД друг на друга через напряжение на шинах генератора, поскольку это влияние имеет практически случайный характер.

Переходные процессы в системе компенсации кратковременного небаланса активной мощности

На стадии синтеза САР компенсации кратковременного не -баланса активной мощности объект регулирования, т.е. электроэнергетическая система с накопителем энергии, рассматривался с учётом ряда допущений. Синтез этой системы, также как и других, приведённых в предыдущих главах, производился в несколько этапов, предполагающих разделение процессов, проис -ходящих в энергосистеме по различным уровням быстродействия. Эти предположения позволяют получить приближённые структуры, к которым оказывается возможным применить процедуру синтеза подчинённых систем, В связи с этим необходимо произвести исследование синтезированных структур на математических моде -лях, наиболее полно учитывающих свойства систем регулирова -ния и объектов управления.

Рассматриваемые электроэнергетические системы являются многомерными, многосвязными структурами. Они описываются системами нелинейных дифференциальных и алгебраических уравне -ний высокого порядка, поэтому исследования целесообразно производить на цифровых математических моделях.

Исходными для расчёта переходных процессов в системе компенсации кратковременного небаланса активной мощности являются уравнения 2,8 и 2,44, в которых алгебраические урав -нения решены относительно токов, т,е. соответствуют системе (2.15).

Соотношения (2,8), (2,9), (2,44), записанные для уста -новившегося режима с учётом выражений (2,15), позволяют определить начальные условия для составляющих потокосцеплений ротора и статора АСМ, скорости АСМ, отклонения частоты электроэнергетической системы: %.г= .. = п. (4.1) СО = COcp.gr cof = о.

Для расчёта процессов в моделируемой ЭЭС необходимо от операторных уравнений системы регулирования перейти к диф -ференциальным уравнениям, В соответствии со структурной схемой подчинённой САР, представленной на рис, 2,9 , искомые уравнения записываются следующим образом: В статическом режиме при фиксированном значении частоты узла нагрузки a) s cons і (4.7)

баланс активной мощности обеспечивается за счёт работы синхронных генераторов, вырабатывающих мощность Рсг (см. рис. 4.2) и электроснабжения узла по линиям электропередачи с мощностью Рлдп . Мощность накопителя Ps при этом под -держивается нулевая.

В этих условиях за счёт работы регуляторов установившегося значения скорости АСМ, 2, регулятора частоты энергосистемы 3, регулятора скорости и тока АСМ 4 обеспечивается работа накопителя с нулевой активной составляющей тока на скорости = ± cp.cf (4.10)

Реактивная составляющая тока электромеханического накопителя равна нулю, если модуль напряжения узла нагрузки Us остаётся постоянным и соответствует заданному уровню.

Динамика электроэнергетической системы определяется взаимодействием всех рассмотренных ранее контуров регулирования. Процесс компенсации кратковременного небаланса ак -тивной мощности узла протекает следующим образом. При от -ключении, например, одной из ЛЭП, питающих узел, в системе возникает небаланс активной мощности

Рнагр.-1 Рген (4.П) и частота cof начинает понижаться, приводя через датчик частоты (I) по линии обратной связи в действие регулятор частоты, воздействующий на управляющий вход регулятора 4 . На этом входе появляется сигнал, вызывающий понижение ско -рости накопителя и выдачу в систему активной мощности Ps в точности соответствующей возникшему дефициту, т.е.