Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы внедрения нового управляемого силового оборудования электроэнергетических систем 21
1.1. Применение устройств управляемой поперечной компенсации на транзитных электропередачах высокого и сверхвысокого напряжения и в автономных системах электроснабжения 21
1.2. Развитие методов математического моделирования электроэнергетических систем для расчетов статической и динамической устойчивости 26
1.3. Проблемы обеспечения динамической устойчивости автономных ЭЭС нефтегазовых месторождений 33
1.4. Перспективы робастного принципа управления новым силовым оборудованием в условиях реструктуризации рынка электрической энергии 37
1.5. Обоснование целесообразности применения систем глобальных измерений в алгоритмах управления энергообъединений 42
1.6. Задачи диссертации 45
ГЛАВА 2. Математическое моделирование силовых элементов ЭЭС и их составных частей 47
2.1. Математическое моделирование первичных двигателей
электростанций объединенных и автономных систем 49
2.1.1. Уточнение математических моделей паровых турбин электрических станций
2.1.2. Математическое моделирование газотурбинных, газопоршневых и дизельных установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийного управления
2.2. Математическое моделирование устройств управляемой поперечной компенсации в расчетах электромеханических и электромагнитных переходных процессов .'
2.3. Выводы
ГЛАВА 3. Оптимизация автоматических регляторов силовых устройств различного вида для демпфирования электромеханических переходных и квазиустановившихся процессов 80
3.1. Повышение уровня статической устойчивости протяженных электропередач переменного тока за счет совместного применения установок
продольной емкостной и поперечной компенсации 83
3.2. Обобщенная расчетная методика получения областей )-разбиения для произвольных параметров систем регулирования и конфигурации ЭЭС 92
3.3. Оптимизация работы тихоходных дизель-генераторов большой мощности в автономных системах электроснабжения 96
3.4. Обоснование целесообразности установки управляемых шунтирующих реакторов на станциях для компенсации избыточной реактивной мощности 111
3.5. Оценка целесообразности применения алгоритмов управления частотой и активной мощностью на основе системы глобальных измерений при тяжелых системных авариях 123
3.6. Применение теории робастного управления для построения адаптивных автоматических регуляторов силового оборудования ЭЭС 137
3.7. Применение методов нейронных сетей для автоматизации процесса проектирования адаптивных регуляторов возбуждения на основе нечеткой логики 149
3.8. Выводы 158
ГЛАВА 4. Обоснование необходимости применения устройств управляемой поперечной компенсации на транзитных электропередачах 500 KB 161
4.1. Методика выбора минимально необходимого объема управляемых устройств поперечной компенсации в широком диапазоне режимов работы транзитных электропередач переменного тока 165
4.2. Обоснование технических характеристик и законов управления УУПК на основе расчетов статической устойчивости 173
4.3. Вопросы обеспечения динамической устойчивости транзитных электропередач переменного тока с УУПК 182
4.4. Выводы 185
ГЛАВА 5. Снижение скручивающих моментов в системе газотурбинного привода генераторов автономной электростанции 188
5.1. Обоснование мероприятий по предотвращению появления опасных величин скручивающих моментов в системе газотурбинного привода 190
5.2. Демпфирование составляющих крутильных колебаний в автономных энергосистемах с преобладающей двигательной нагрузкой за счет «сильного» регулирования устройств продольной емкостной
компенсации 202
5.3 Выводы 212
ГЛАВА 6. Совершенствование методов анализа динамической устойчивости и разработка мероприятий по ее повышению в автономных системах электроснабжения 214
6.1. Анализ динамической устойчивости ЭЭС
на основе совместного применения правила площадей и методов численного интегрирования 216
6.2. Повышение динамической устойчивости автономных энергосистем нефтедобывающих комплексов на основе электрического торможения 222
6.3. Применение управляемых источников реактивной мощности для обеспечения устойчивости узлов нагрузки нефтедобывающих комплексов 230
6.4. Оптимизация настроечных параметров регуляторов частоты вращения газотурбинных и газопоршневых агрегатов в автономных энергосистемах 235
6.5. Исследование пусковых режимов асинхронных двигателей для оптимизации работы нефтеперекачивающих станций
с газопоршневыми агрегатами соизмеримой мощности 238
6.6 Выводы 246
Основные результаты работы 249
Список использованных источников
- Развитие методов математического моделирования электроэнергетических систем для расчетов статической и динамической устойчивости
- Математическое моделирование газотурбинных, газопоршневых и дизельных установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийного управления
- Применение теории робастного управления для построения адаптивных автоматических регуляторов силового оборудования ЭЭС
- Вопросы обеспечения динамической устойчивости транзитных электропередач переменного тока с УУПК
Введение к работе
Актуальность темы.
Топливно-энергетический комплекс играет огромную роль в жизнеобеспечении населения и является важнейшей структурной составляющей развития производительных сил страны и ее регионов. В энергетической стратегии России на период до 2030 года ставится цель достижения максимальной эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора для роста экономики и повышения качества жизни. Особое внимание должно уделяться ускоренному технологическому обновлению энергетики, обеспечивающему выход ее на современные, отвечающие уровню развитых стран, рубежи энергоэффективности и энергосбережения.
Одной из стратегических целей развития электроэнергетики в рассматриваемой перспективе является повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе современных технологий. Для выполнения инновационной программы отрасли необходимо осуществить комплекс научных исследований и разработок, среди которых можно выделить такие направления как развитие межсистемных электрических передач с повышенной пропускной способностью и гибких электрических передач переменного тока (FACTS).
Проблемы увеличения пропускной способности системообразующих связей, ограничиваемой по условиям устойчивости и роста потерь в системах, приводящего к снижению эффективности использования мощных линий электропередачи, решаются во всем мире за счет повсеместного внедрения устройств автоматического регулирования возбуждения сильного действия, а также регулируемых устройств компенсации реактивной мощности, таких как статические тиристорные компенсаторы (СТК) и управляемые шунтирующие реакторы (УШР). Сказанное подчеркивает актуальность разработки комплексных методов обоснования необходимости применения устройств управляемой поперечной компенсации (УУПК) для межсистемных транзитных линий электропередачи переменного тока, а также создание новых непротиворечивых законов управления (для АРВ и АРЧМ генераторов, устройств FACTS и т.п.), избирательно воздействующих на опасные для устойчивости составляющие движения, в том числе крутильные колебания валопроводов.
Структурная политика в сфере энергообеспечения исходит из необходимости совершенствования структуры производства, передачи и потребления энергоресурсов и предусматривает, в частности, формирование новых нефтегазодобывающих регионов на севере, юге и востоке России. В то же время, основным нефтедобывающим районом России на рассматриваемую перспективу останется Западная Сибирь, а после 2011 г. масштабная добыча нефти начнется в Восточной Сибири, на Дальнем Востоке и в ряде других регионов. Основной приоритет при проектировании систем электроснабжения новых месторождений, во многих случаях автономных, отдается обеспечению бесперебойной, надежной и качественной выработке электроэнергии, а также живучести энергокомплекса при всех возможных вариантах аварийных ситуаций.
Важным направлением в электроэнергетике в современных условиях является развитие распределенной генерации на базе строительства электростанций небольшой мощности, в первую очередь небольших ТЭЦ с парогазовыми, газотурбинными установками и т.п. Указанные обстоятельства требуют решения проблем анализа динамических свойств автономных электроэнергетических систем (ЭЭС) нефтедобывающих комплексов с преобладающей двигательной нагрузкой, включающих в себя дизельные, газотурбинные и газопоршневые первичные двигатели, и построением алгоритмов управления, адекватных этим свойствам с целью обеспечения статической и динамической устойчивости, а также механической прочности валопроводов агрегатов электрических станций.
Использование указанных разработок позволит повысить обоснованность решений, принимаемых при проектировании ЭЭС, синхронных машин, а также устройств противоаварийного и режимного управления.
Цель диссертационной работы заключается в разработке и совершенствовании методов и алгоритмов для решения научно-технической проблемы анализа и выявления особых динамических свойств транзитных электропередач переменного тока и автономных электроэнергетических систем с преобладающей двигательной нагрузкой, а также обеспечения статической и динамической устойчивости их режимов за счет оптимального управления силовым оборудованием и синтеза новых законов регулирования во всем диапазоне возможных режимов в условиях ограничений на варьируемые параметры системы.
Для достижения поставленной цели были решены следующие логически связанные задачи
разработаны методологические основы анализа собственных динамических свойств транзитных электропередач переменного тока и автономных энергосистем с преобладающей двигательной нагрузкой, доведенные до единого инструментария, пригодного к использованию в инженерной практике;
выполнено теоретическое обоснование эффективности применения устройств управляемой поперечной компенсации в объединенных и автономных энергосистемах;
усовершенствованы методы анализа динамической устойчивости автономных энергосистем с двигательной нагрузкой на основе совместного применения методов численного интегрирования и энергетических критериев;
выявлены специфические динамические свойства автономных электроэнергетических систем, связанные с крутильными колебаниями валопроводов газотурбинных агрегатов и колебательными процессами генераторов с дизельным приводом, а также определены требования к совместной работе силового оборудования и средств автоматического регулирования;
подтверждена целесообразность внедрения в системы управления частотой и активной мощностью агрегатов электрических станций дополнительных каналов регулирования по взаимным углам между ЭДС генераторов с использованием систем глобального позиционирования;
6) оценены возможности применения методов робастного управления в системах регулирования нового силового оборудования для обеспечения высоких демпферных свойств во всем диапазоне возможных режимов в условиях неопределенности параметров системы и ограничений на варьируемые параметры.
Развитие методов математического моделирования электроэнергетических систем для расчетов статической и динамической устойчивости
Решение задач противоаварийного управления электроэнергетическими системами требует внедрения в практику моделирования универсальных гибридных систем. Это означает, в частности, что известные модели отдельных элементов ЭЭС должны быть дополнены возможностью имитации полноценной логики событий, происходящих в системе при развитии аварийных ситуаций различной степени сложности, действии устройств противоаварий-ной автоматики и т.п.
За последние 20 лет разработан значительный объем программного обеспечения для моделирования динамических систем [195], причем часть из них, такие как ACSL, Simulink и System Build являются универсальными (то есть разработчик позиционирует продукт для использования в различных областях знаний), основанными на методологии входных-выходных блоков. Однако, в основном, программное обеспечение разрабатывается ориентированным на конкретную область применения, например, химических процессов (ASPEN Plus, SpeedUp), многомодульных систем (ADAMS, SIMPACK) и т.д.
Такой подход обосновывается следующими соображениями. При ограничении области применения, разработчик может создать среду моделирования чрезвычайно дружественную пользователю. Модель системы собирается простым соединением компонентов из заранее созданных библиотек. Основная идея состоит в освобождении пользователя от процесса разработки отдельных компонент за счет предоставления определенного набора готовых элементов, из которых собирается необходимая для исследования модель системы в целом. В частности, в области электротехники и энергетики можно выделить несколько продуктов, соответствующих вышеуказанным соображениям. Система SPICE была разработана в середине 70-х годов XX века для моделирования электронных схем, при этом электрическая сеть формируется простым соединением резисторов, конденсаторов, транзисторов и т.п. Разработанный в середине 90-х годов институтом инженеров электротехники и электроники IEEE язык VHDL-AMS является расширением языка моделирования дискретных цепей VHDL для комбинированных аналогово-цифровых моделей. Основной областью применения данных языков является проектирование электронной аппаратуры. Программа ЕМТР , вместе со своими расширениями АТР и EMTDC, является промышленным стандартом для моделирования электромагнитных переходных процессов [163] в электроэнергетических системах, первоначально разработана Доммелем в конце 60-х годов прошлого века в Bonneville Power Administration. Аналогично, программный комплекс PSS/E является широко используемой программой для расчета режимов и электромеханических переходных процессов.
Исследования статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем традиционно проводятся с использованием хорошо известных программных средств, таких как ПОИСК [194], PSS/E [191], Eurostag [134] и т. п. Данные системы основаны на высокоэффективных вычислительных методах и имеют с своем составе крупные библиотеки моделей — элементов ЭЭС. Вместе с тем, основными недостатками подобных программ являются невозможность изучения и модификации заложенных в них математических моделей, а также чрезвычайная сложность освоения, что затрудняет, например, их применение персоналом ЭЭС и в учебном процессе.
Система математического моделирования MATLAB/Simulink является на сегодняшний день стандартом программ численных расчетов и применяется в различных областях знаний. На протяжении последних лет MATLAB используется в научной работе кафедры «Электрические системы и сети» СПбГПУ для решения задач статической и динамической устойчивости ЭЭС. На основе программы моделирования динамических систем Simulink разработана открытая библиотека элементов ЭЭС [34], применявшаяся в исследованиях адаптивных АРВ на основе нечеткой логики и нейронных сетей [31], дальних электропередач переменного тока [79], сверхпроводниковых накопителей [76], крутильных колебаний [125] и т. п. Открытая архитектура среды MATLAB/Simulink, а также большой набор комплектов инструментальных средств (так называемых тулбоксов и блоксетов) позволяет в короткие сроки освоить и эффективно применять в учебной и научной работе широкий спектр современных математических методов.
На основе разработанной в Simulink библиотеки элементов ЭЭС может быть получена нелинейная модель энергообъединения, рассчитан установившийся режим, построены графики переходных процессов для различных возмущений. Кроме того, для анализа демпферных свойств ЭЭС и проектирования оптимальных систем регулирования при помощи встроенных команд языка системы MATLAB выделяется линеаризованная модель ЭЭС, соответствующая конкретным схемно-режимным условиям.
Наибольшее распространение в MATLAB получают алгоритмы классического и современного управления (Control System Toolbox, Robust Control Toolbox, Model Predictive Control Toolbox и т.д.). Традиционно при оценке динамических свойств энергообъединений для линеаризованной модели системы определяются собственные значения и вектора матрицы переменных состояния, показатели управляемости и наблюдаемости (как решения соответствующих уравнений Ляпунова), а также, при помощи тех или иных методов оптимизации, определяются настройки традиционных АРВ или рекомендуется совершенствование законов регулирования. Все описанные задачи решаются при помощи тулбокса «Системы Управления» (Control System Toolbox) программы MATLAB.
Математическое моделирование газотурбинных, газопоршневых и дизельных установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийного управления
Одним из основных показателей конкурентоспособности машиностроительных и других предприятий является в настоящее время энергетическая эффективность их продукции. Важным резервом в решении проблемы ресурсосбережения является оптимальное по минимуму затрат топлива управление динамическими объектами, проектирование машин и аппаратов, которые при своем функционировании требуют меньших энергозатрат по сравнению с существующими аналогами.
Теоретические исследования и практические результаты показывают, что при оптимальном управлении уменьшение затрат энергии (расхода топлива) может достигать от 10 до 40% по сравнению с традиционно используемыми управляющими воздействиями [10, 37, 59, 123]. Кроме того, в динамических режимах, характеризуемых меньшими энергетическими затратами, снижаются механические и тепловые нагрузки, что ведет к повышению долговечности и безопасности эксплуатации объектов.
Насыщенность современных ЭЭС высокоэффективными быстродействующими устройствами автоматического управления обеспечили возможность полного использования связей по условиям статической и динамической устойчивости и интенсивного подавления электромеханических колебаний. Ранее под такого рода устройствами понимались почти исключительно автоматические регуляторы возбуждения сильного действия и, лишь в некоторых случаях, системы автоматического управления мощностью паровых турбин.
Развитие силовой электроники, микропроцессорной техники и широкополосных каналов связи (в том числе, беспроводной) приводит в современных ЭЭС к взаимодействию различных управляемых силовых устройств ме жду собой. Сюда можно отнести устройства продольной (TCSC, UPFC и т.д.) и поперечной (УШР, СТК, СК и т.п.) компенсации, широко внедряемые в настоящее время (особенно в автономных системах) высокоманевренные газотурбинные и газопоршневые агрегаты, а также системы управления по взаимным параметрам (системы глобальных измерений). Даже в случае применения только АРВ-СД генераторов было показано, что неудачный выбор законов управления или неточная настройка регуляторов, учитывая большие потенциальные возможности силовой части систем управления, существенным образом влияет на протекание переходных процессов, снижая пределы динамической устойчивости и приводя к непредсказуемому развитию аварий в условиях многократных возмущений [15, 96, 116, 125, 144, 157, 166, 183, 187,222,224,225,227].
Таким образом, улучшение демпферных свойств систем, обеспечение устойчивости и высокого качества регулирования во всем многообразии схемно-режимных и аварийных условий с точки зрения взаимодействия управляемых силовых устройств различного вида (например, АРВ-СД генераторов с УШР или УПК) по-прежнему является чрезвычайно важной и актуальной задачей, решение которой способствует повышению надежности энергоснабжения потребителей и живучести энергообъединения.
Несмотря на значительные достижения последних десятилетий в развитии различных направлений теории оптимального автоматического управления (Н2, Яда-оптимизации и т.п.), в настоящее время в промышленности наиболее популярными являются простые регуляторы низкого порядка с фиксированной структурой. Объяснением популярности таких регуляторов являются следующие соображения [37]: они более привычны для понимания инженерами, занимающимися непосредственно разработкой и эксплуатацией конкретных систем; содержат ограниченное количество элементов и, следовательно, имеют более высокую надежность; не требовательны к вычислительным ресурсам, что означает меньшую вероятность появления программных ошибок.
Самой распространенной структурой, ставшей почти универсальной в промышленных системах управления, является ПИД-регулятор. Несмотря на то, что простота ПИД-регуляторов является одновременно и их слабостью, поскольку ограничивает диапазон объектов, которыми можно управлять, многосторонность и робастность ПИД-управления обеспечивает в течение длительного времени значительную популярность такого рода регуляторов.
Появление любого нового подхода к синтезу оптимальных систем автоматического регулирования ставит в настоящее время перед разработчиками вопрос о возможности его использования для проектирования регуляторов фиксированного (низкого) порядка и фиксированной структуры. В настоящее время широкое распространение получили методы, комбинирующие синтез регулятора произвольной структуры с последующим его редуцированием к элементарной структуре (или, наоборот, уменьшение порядка исходной модели, синтез регулятора и попытка его применения к исходному объекту). Основная проблема состоит лишь в том, что качество замкнутой системы для регуляторов пониженного порядка не гарантируется и необходима ее дополнительная проверка на правильность функционирования.
Таким образом, оптимизация традиционных систем управления и разработка новых поколений регуляторов на основе последних достижений математики является важным направлением повышения эффективности энергетического оборудования. 3.1. Повышение уровня статической устойчивости протяженных электропередач переменного тока за счет совместного применения установок продольной емкостной и поперечной компенсации
Во многих зарубежных энергосистемах для повышения пропускной способности достаточно протяженных высоковольтных линий переменного тока применяются устройства продольной емкостной компенсации. Одна из первых установок УПК была использована в СССР при сооружении линии электропередачи 400 кВ Куйбышевская ГЭС - Москва. После повышения номинального напряжения электропередачи до 500 кВ установка была выведена из работы. Однако, применение УПК весьма эффективно с экономической точки зрения и количество таких установок в мире постоянно растет.
В первую очередь это происходит за счет быстрого развития технологии управляемых электропередач переменного тока, которая в западной литературе обозначается термином FACTS [175]. Применение продольной емкостной компенсации считается безопасным на электропередачах от мощных гидростанций [167]. В частности, УПК получили широкое распространение на линиях электропередачи 500 кВ и 765 кВ в Бразилии. Следует, однако, указать, что распределение напряжений на линии электропередачи с несколькими УПК является далеким от оптимального [137], и величины напряжений могут являться ограничивающим фактором с точки зрения реализации некоторых установившихся режимов работы. Таким образом, вопрос об улучшении характеристик линий электропередачи с установками продольной емкостной компенсации является достаточно актуальным для современной мировой энергетики.
Применение теории робастного управления для построения адаптивных автоматических регуляторов силового оборудования ЭЭС
Методология грубого или робастного управления неоднократно показывала свою эффективность в различных областях знаний при учете неопределенностей модели объекта регулирования [37, 172, 188, 197, 219, 230]. Проектирование системы управления, как известно, основано на использовании обычных упрощений модели объекта управления в исходном установившемся режиме, таких как линеаризация в окрестности точки режима и пренебрежение эффектами немоделируемой динамики, шума датчика/исполнительного механизма и нежелательных внешних возмущений в различных частях системы. Результатом упрощений является приближенная модель объекта регулирования или, до некоторой степени, объект с неопределенностями. Таким образом, основная проблема проектирования состоит в качественном взаимодействии регулятора с фактическим объектом для достижения желаемых целей, а также в поиске возможности получения такой системы управления, в которой учтены заданные неопределенности объекта. Это и привело к разработке теории робастного (грубого или способного работать в изменяющихся схемно-режимных условиях) управления.
Существует несколько различных методик получения оптимальной ро-бастной системы регулирования (метод весовых функций, линейные матричные неравенства, линейно-квадратичное Гауссово управление с восстановлением регулятора пониженной размерности и т.п.), описывающих объект управления в терминах неопределенностей моделирования и возмущений [37, 80, 131, 162, 172, 188, 197, 229, 230]. Неоспоримым достоинством линейных робастных систем управления является, как уже было отмечено, строгая математическая доказуемость оптимальности полученного регулятора при условии его существования для установленных неопределенностей.
Исследование возможностей применения современных алгоритмов робастного управления для проектирования регуляторов элементов энергосис 137 тем (АРВ генераторов, системы управления УШР, УПК и т.п.) производилось автором на моделях ЭЭС различной степени сложности [21, 27, 147]. Отработка базовых принципов проектирования робастных стабилизаторов с использованием метода весовых функций [229] и, в частности, современных алгоритмов на основе линейных матричных неравенств [37], была осуществлена на примере простейшей электропередачи «машина-линия-шины бесконечной мощности» в том числе для длинной линии с промежуточным синхронным компенсатором [27, 98]. Возможности робастных систем регулирования (на примере методики линейно-квадратичного Гауссова управления с восстановлением регулятора пониженной размерности или LQG/LTR [130]) демонстрируются ниже на примере подавления крутильных колебаний вало-проводов турбоагрегатов в электропередаче с УПК и УШР [21, 77], свойства которой при использовании традиционных регуляторов являются хорошо известными.
Рассмотрим одну из возможных методик синтеза робастных регуляторов на примере расчетной схемы электропередачи с УПК, представленной на рис. 3.35. Данная модель применяется для исследования эффективности различных мероприятий по подавлению резонансных явлений при малых возмущениях, а также для изучения переходных процессов и определения максимума крутильных колебаний валопровода турбоагрегата при больших возмущениях. Для упрощения исследований и однозначной трактовки получаемых результатов принималось, что параметры всех индуктивных элементов электропередачи постоянны [115, 125]. Исследования резонансных процессов в компенсированной электропередаче проводились в основном для турбогенератора ТВВ-200 [21, 22, 77].
На рис. 3.36 показана схематичная диаграмма робастной системы управления. Блок «Объект управления» помимо исходной модели ЭЭС включает в себя системы регулирования АРВ генератора (только каналы по отклонению напряжения и ее производной), УШР (аналогично АРВ) и УПК (только канал по отклонению напряжения). Основная цель получения робастного регулятоpa (по методике LQG/LTR [131]) состоит в том, чтобы компенсировать изменение частоты вращения ротора (сог) за счет трех управляющих воздействий на АРВ генератора (Us/), УПК (Usc) и УШР (Usr). Преимущество такой системы управления состоит в использовании минимальной входной информации, а также в сравнительно простой реализации на практике для достижения высокого качества переходных процессов [21, 22, 77].
Вопросы обеспечения динамической устойчивости транзитных электропередач переменного тока с УУПК
В настоящее время существуют различные варианты схем подавления субсинхронного резонанса [77, 115, 125]. Первый вариант состоит из активного сопротивления сравнительно большой величины, включенного через управляемый тиристорный коммутатор параллельно конденсаторным батареям. Второй вариант (рис. 5.10) представляет собой последовательно включенные конденсаторы с тиристорным управлением (TCSC) за счет изменения тока в параллельно включенной индуктивности. Ток в индуктивности, а, следовательно, и степень компенсации продольного сопротивления ВЛ изменяется путям варьирования угла зажигания тиристоров. Третий вариант предусматривает включение управляемого шунтирующего реактора вблизи одного из зажимов емкости. Возможен также вариант включения УШР вблизи генераторов. В четвертом варианте рассматривается включение активного сопротивления большой величины на землю вблизи емкости. Величина тока, протекающего по сопротивлению, регулируется тиристорным устройством, ограничивающим ССР.
В автономных ЭЭС, имеющих связи между генерацией и нагрузкой сравнительно небольшой длины, проблема повышения пропускной способности линий отсутствует, поэтому наиболее целесообразно применение второго варианта схемы подавления ССР (рис. 5.10). Основной задачей решаемой далее является выбор величины компенсации и адекватного закона управления, позволяющего эффективно демпфировать рассматриваемые составляющие движения. Оптимизация настроечных параметров производилась на основе получения заданных кривых переходных процессов по анало 207 гии с процедурами, представленными в Nonlinear Control Design Blockset программы MATLAB [20, 34]. Для контроля правильности выполнения указанных операций на каждом этапе производился и расчет собственных значений матрицы переменных состояния.
Подключение УПК производилось между эквивалентным генератором станции (Г1-Т1) и линией электропередачи (ВЛ1), что является единственно возможным решением для месторождений, расположенных преимущественно в районах крайнего севера. Расчеты показали, что минимально возможное значение проводимости УПК в установившемся режиме равно Вуик = 22 о.е., что при индуктивном сопротивлении линии Хл = 0,05 о.е. соответствует 90% степени ее компенсации. Учитывая тот факт, что длина большинства ЛЭП автономных ЭЭС месторождений не превышает 30 км, а индуктивные сопротивления чаще всего находятся в диапазоне 0,001-Ю ,01 о.е., мощность указанного УПК может быть сравнительно небольшой. В то же время необходимо отметить, что нижнее ограничение проводимости УПК в переходном процессе (переменная Втіп на рис. 5.11) составила 10 о.е., что более чем в 2 раза повышает мощность рассматриваемого устройства.
Схема демпфирования субсинхронного резонанса с управляемой тиристорами устройством последовательной компенсации (TCSC)
По аналогии с обоснованной ранее системой управления УШР (рис. 2.8) рассмотрим схему регулирования УПК, имеющую вид, представленный на рис. 5.11, где в качестве параметров стабилизации используются сигналы, пропорциональные отклонению частоты напряжения и ее производной в точке присоединения устройства к сети. Примеры результатов оптимизации настроечных параметров системы регулирования УПК в виде расчетов показа 208 телей статической устойчивости и кривых переходных процессов при двухфазном коротком замыкании на шинах генератора длительностью 0,1 с приведены ниже.
Основным параметром регулирования в зарубежных УПК является сигнал отклонения тока в линии [167, 168]. В данном случае для простоты рассматривался безынерционный канал регулирования с общей постоянной времени Тр, соответствующей суммарному запаздыванию системы регулирования в целом. Первой парой оптимизируемых параметров были величины коэффициента KIL (-60 ед.) и постоянной времени Тр (0,02 с). В этом случае составляющая крутильных колебаний все еще является неустойчивой, однако обеспечивается определенный сдвиг соответствующей ей пары корней в сторону границы устойчивости, а также корректная работа устройства при различных переходных процессах (т.е., корректное изменение проводимости УПК, например, при коротких замыканиях). Кроме того, оказалось, что условия функционирования не требует от рассматриваемого УПК чрезмерно высокого быстродействия, что может повлиять на его технико-экономические показатели.
В этом случае, как показано ниже, все составляющие движения (как крутильные колебания, так взаимное движение роторов электрических машин) обладают достаточно большим запасом статической устойчивости, что подтверждается и расчетами переходных процессов при больших возмущениях (рис. 5.12). При этом необходимо подчеркнуть, что АРВ генератора не содержит дополнительных каналов регулирования (только АРН).
Таким образом, наиболее эффективным средством демпфирования рассматриваемых составляющих движения является применение управляемого тиристорами устройства продольной компенсации, оборудованного как основным каналом регулирования по току линии, так и дополнительным системным стабилизатором с входными сигналами отклонения частоты напряжения и ее производной. Параметры указанных цепей выбраны на основе оптимизации кривых переходных процессов при малых возмущениях. В то же время, применение дополнительных каналов регулирования АРВ генератора, как отечественного, так и зарубежного исполнения несмотря на существенный опыт по демпфированию крутильных колебаний валопроводов, накопленный в крупных объединенных ЭЭС, в данном случае не является адекватным средством подавления рассматриваемой составляющей движения.
