Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы тенденция развития энергосистем направлена на создание так называемых «гибких систем передачи переменного тока» (FACTS). Устройства продольной емкостной компенсации (УПК), как одна из составляющих концепции гибких передающих систем переменного тока, являются эффективным средством повышения пропускной способности электрических сетей и снижения потерь. Примерами внедрения такого рода устройств являются электропередачи в России, Швеции, Бразилии и других странах.
Однако, наличие линий электропередачи (ЛЭП) с УПК создает потенциальную опасность резонансного взаимодействия электромагнитной колебательной системы, состоящей из последовательно соединенных емкости и индуктивности, и ротора турбоагрегата. Впервые разрушительные последствия указанных явлений были зафиксированы на американской ТЭС Мохэв в 1970 и 1971 годах. Оба случая были связаны с нарушением механической прочности роторов, что побудило выполнить широкомасштабные исследования резонансных явлений и мероприятий по борьбе с ними.
Явление возникновения нежелательных колебаний на подсинхронных частотах, которые могут привести к разрушению вала турбогенератора или потере синхронизма, получило название «электромеханический резонанс» (ЭМР).
В результате появилось значительное количество работ, отражающих различные направления исследования ЭМР: 1) теоретические работы, рассматривающие физику явлений, характеризующих ЭМР; 2) работы, предлагающие численные методы и модели для исследования как ЭМР, так и крутильных колебаний, возникающих при работе турбогенератора в энергосистеме с УПК; 3) работы, в которых рассматриваются мероприятия по предотвращению ЭМР.
Необходимо отметить, что, несмотря на значительный объем публикаций по вопросам изучения ЭМР турбогенераторов, принадлежащих как отечественным (Беляев А.Н., Глебов И.А., Казовский Е.Я., Смоловик СВ. и др.), так и зарубежным (Barati Н., Fouad А.А., Larsen E.V. и др.) исследователям, остаётся значительное количество вопросов, требующих дальнейшей проработки. К ним относятся:
проблема возникновения ЭМР вследствие бифуркаций и следующих за ними хаотических колебаний параметров режима энергосистемы с УПК, в частности угловой частоты турбогенераторов;
определение качественных и количественных характеристик процессов, сопровождающих ЭМР;
исследование эффективности мероприятий, направленных на подавление ЭМР.
Изложенные выше соображения указывают на актуальность избранной темы диссертационной работы.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы университета. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета №77 Международной электротехнической комиссии (МЭК) «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединенного к общей электрической сети»; с постановлением Правительства РФ №588 от 15.06.1998г. «О
дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России»; с научной хоздоговорной комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надежности работы электрооборудования в условиях неопределенности исходной информации (раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств электроэнергетических систем») ОмГТУ Гос. регистр. №0651 и «Планов развития научных исследований на 2009-2012 гг. ОмГТУ» (раздел 1.15 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем электроснабжения России»).
Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является исследование явления ЭМР в энергосистемах при бифуркациях параметров режима, разработка мероприятий, предотвращающих возникновение ЭМР для обеспечения надежного производства электроэнергии, ее транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом количестве и требуемого качества.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
Определить причины появления и характер резонансных взаимодействий в энергосистемах на подсинхронных частотах.
Исследовать возникновение ЭМР в энергосистеме, математическая модель которой включает демпферные обмотки и насыщение стали генератора.
Создать систему управления, уменьшающую амплитуды колебаний на подсинхронных частотах в области, близкой к возникновению режима ЭМР.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются энергосистемы, имеющие в своем составе ЛЭП с УПК.
Предметом исследования является новое физическое явление, заключающееся в возникновении ЭМР вследствие бифуркаций и следующих за ними хаотических колебаний параметров режима энергосистемы.
Методы исследований.
Анализ собственных векторов матрицы линеаризованных дифференциальных уравнений модели турбогенераторов и сети дает информацию о частотах собственных колебаний и возможности возникновения резонансов. В рамках этого подхода используется теория бифуркаций и теория Флоке.
Чтобы избежать линеаризации дифференциальных уравнений при анализе режимов ЭМР, используется численное интегрирование системы нелинейных дифференциальных уравнений, определяющих поведение энергосистемы. С помощью данного метода исследуются слабодемпфированные составляющие движения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Обнаружен физический эффект возникновения ЭМР как следствие хаотического режима энергосистемы, вызванного бифуркациями параметров режима.
Проведен численный анализ возникновения режимов ЭМР в энергосистеме в зависимости от уровня продольной компенсации ЛЭП с УПК.
Обнаружены и идентифицированы режимы ЭМР, возникающие при работе турбогенераторов на подсинхронных частотах с учетом демпферных обмоток и насыщения стали генератора при проведении компьютерного моделирования.
Выявлено, что рождение и угасание предельных циклов, характеризующих динамическое равновесие энергосистемы, могут стать причиной бифуркаций, приводящих к возникновению хаотических колебаний роторов, и, как следствие, связанному с ними возникновению режима ЭМР.
Определены по результатам компьютерного моделирования численные значения уровня продольной компенсации для отыскания коэффициента усиления и постоянной времени контроллера в системе АРВ генератора, оптимальных для подавления колебаний, приводящих к ЭМР.
Практическая ценность Практической ценностью работы является выявление и анализ свойств режимов ЭМР в энергосистемах и обоснование возможности управления и стабилизации хаотических колебаний в энергосистемах для предотвращения режимов ЭМР.
Реализация и внедрение результатов работы
Алгоритм идентификации режимов ЭМР турбогенераторов, связанных с переходными хаотическими колебаниями, применяется на Омской ТЭЦ-4 в системе управления турбогенераторов.
Разработан и внедрен в учебный процесс лабораторный стенд, моделирующий хаотические колебания в нелинейных энергосистемах, позволяющий наглядно продемонстрировать свойства и особенности возникновения ЭМР.
Личный вклад Исследование режимов ЭМР в энергосистемах, постановка задачи и методология ее решения, основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, разработаны и получены автором самостоятельно.
Основные положения, выносимые на защиту:
Результаты численного анализа режимов ЭМР в энергосистеме.
Результаты исследований основных свойств и особенностей функционирования энергосистемы с собственными частотами ниже синхронной частоты.
Способы управления и стабилизации хаотических колебаний параметров режима (угловой частоты) в энергосистеме, связанных с возникновением ЭМР.
Результаты исследований основных свойств и особенностей применения нелинейного контроллера для предотвращения режимов ЭМР.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением для полученных выводов математического аппарата; качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных экспериментов; апробацией как предварительных, так и окончательных результатов диссертационной работы.
Апробация работы Материалы работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии - в промышленность» (Омск, 2009, 2010, 2011),
Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009, 2010),
Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электротехники и электротехнологии» (Тольятти, 2009),
XVIII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и студентов (с международным участием) «Инновации. Интеллект. Культура» (Тюмень, 2010),
Международной научно-технической конференции «Энергосбережение, энергоэффективность, экономика» (Омск, 2010),
Заседаниях и семинарах кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Омского государственного технического университета (Омск, 2009, 2010,2011).
Публикации По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе: 5 тезисов докладов на научно-технических конференциях, 9 статей, из них 6 статей в периодических изданиях из перечня ВАК. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет более 50%.
Структура и объем диссертации Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, список литературы и приложение. Общий объем составляет: 143 страницы, в том числе 64 рисунка, 2 таблицы, 87 литературных источников.
