Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Гибьсие системы передачи переменного тока. Модель управляемой линии 22
1.1 Введение 22
1.2. Основные типы устройств FACTS 23
1.3 Статический тиристорный компенсатор 26
1.4 Управляемая продольная компенсация (УПК) 30
1.5 Статический компенсатор (СТАТКОМ) 32
1.6 Последовательный статический компенсатор SSSC 36
1.7 Комбинированные устройства. Unified Power Flow Controller 39
1.8 Математическая модель управляемой электропередачи 42
1.9 Выводы к Главе 1 51
Глава 2. Выбор основного канала регулирования 53
2.1. Введение 53
2.2. Расчетная схема 55
2.3. Структурная схема регулятора ОРПМ 57
2.4. Обеспечение точности синтезируемой САУ 62
2.5. Условия обеспечения апериодической статической устойчивости 65
2.6. Учет ограничений 69
2.7. Неоднородная схема 80
2.8. Выводы к Главе 2 88
Глава 3. Выбор системы стабилизации ОРПМ 91
3.1. Введение 91
3.2. Условия устойчивости системы автоматического регулирования высокой точности ОРПМ 93
3.3. Применение метода синтеза структуры каналов стабилизации для простейшей системы, содержащей управляемую электропередачу на базе ОРПМ 96
3.4 Статическая устойчивость электроэнергетической системы, содержащей управляемую электропередачу 103
3.5. Скоординированная настройка АРВ СД и системы стабилизации ОРПМ 112
3.6. Выводы к Главе 3 115
Заключение 117
Список используемой литературы
- Статический тиристорный компенсатор
- Последовательный статический компенсатор SSSC
- Структурная схема регулятора ОРПМ
- Применение метода синтеза структуры каналов стабилизации для простейшей системы, содержащей управляемую электропередачу на базе ОРПМ
Введение к работе
Электроэнергетика является основой функционирования экономики и жизнеспособности населения. Современная электроэнергетика России находится в состоянии фундаментальных преобразований, связанных с изменением отношений собственности, технологий, развитием процесса глобализации и участием в них государства, как субъекта мировой экономики, с переходом на рыночные принципы в организации и управлении ресурсами различных хозяйственных систем. Общая цель реформирования отрасли — обеспечение энергетической безопасности страны, предотвращение энергетического кризиса, а также повышение конкурентоспособности российской экономики. В ходе процесса реструктуризации электроэнергетики России существенно меняются условия развития отрасли, принципы и методы организации системы управления её развитием, роль государства в данном процессе.
Россия далеко не первая страна, пришедшая к осознанию необходимости либерализации энергетической отрасли. С начала 80-х годов во многих странах мира происходило преобразование энергетической отрасли, направленное на развитие рыночных отношений в электроэнергетике, т. к. государственный монополизм начал серьезно препятствовать рациональному распределению энергетических ресурсов. В настоящее время наблюдается общая тенденция к дерегулированию в электроэнергетике. К моменту разработки концепции реформирования в 2000 году уже были проведены преобразования в ряде стран. Введение конкурентных отношений в электроэнергетике — это мировая тенденция, и Россия двигается в этом направлении, где-то отставая, где-то опережая. Однако Россия получила бесценную возможность использования накопленного другими странами опыта.
Новая система организации управления электроэнергетики РФ предполагает, создание конкурентной среды, обеспечивающей: устойчивое
развитие отрасли, выделения конкурентных секторов, сокращения
инвестирования из государственного бюджета. При этом сохраняются
технологические требования обеспечения нормальной работы
энергосистемы, строгое выполнение которых в условиях конкурентных
отношений представляет собой более сложную задачу, чем в условиях
жесткого государственного регулирования.
Во-первых, в условиях либерализации рынка появились новые факторы, влияющие на условия нормальной работы современной энергосистемы РФ. Среди них можно выделить [1]:
усложнение решения вопросов, связанных с согласованием условий прохождения трасс линий электропередачи, при введении частной собственности на землю;
необходимость пересмотра условий использования противоаварийной автоматики (в частности САОН), связанная с созданием механизмов заинтересованности субъектов рынка в установке подобных устройств (создание рынка системных услуг);
возможность появления новых сечений с ограниченной пропускной способностью при развитии конкуренции в сфере производства и потребления энергии (за счет перераспределения загрузки генерирующих мощностей);
слабая управляемость электрической сети и недостаточный объем устройств регулирования напряжения и реактивной мощности.
Во-вторых, рыночные условия вносят дополнительные факторы неопределенности при планировании развития и эксплуатации электрических сетей, т. к. рынок электроэнергии, собственно, как и мировая экономика в целом трудно предсказуемы. Начавшийся летом 2008 г. мировой финансовый кризис подтверждает это. Действительно, замедление экономик США и Европы привело к снижению производства, что мгновенно отразилось и в снижении спроса на электроэнергию во всем мире. При этом
5 стратегия развития отрасли в нашей стране не учитывала такого резкого и внезапного его снижения. Теперь, принимая во внимание мировой финансовый кризис как свершившийся факт, необходимо пересмотреть всю стратегию развития отрасли, затрагивая и чисто технические вопросы.
При проектировании электроэнергетических систем опираются на прогнозные значения спроса, рассчитанные путем аппроксимации текущего тренда на несколько лет вперед. Такой подход не учитывает резких изменений нагрузок (изменений макроэкономического характера, не связанных с дневными и сезонными колебаниями), приводящих к изменению перетоков мощности по линиям. Следовательно, необходимо учитывать, что вновь сооруженная или модернизированная энергосистема не будет работать в тех режимах, которые закладывались на стадии проекта и, следовательно, ее режимы при эксплуатации могут не соответствовать техническим ограничениям и критериям оптимальности. Это приводит к необходимости в более полном объеме воздействовать на режимы методами и механизмами оперативно - диспетчерского управления для поддержания режима в допустимой области при любых изменениях, в том числе и макроэкономических. Иными словами, управление режимом энергосистемы приобретает большее значение в новых экономических условиях ее существования.
В-третьих, следует так же отметить тот факт, что с переходом к рыночной модели изменилась целевая функция управления режимами [2]. В условиях вертикально — интегрированной отрасли в качестве критерия оптимальности управления рассматривалось оптимальное распределение активной мощности между генераторами, обеспечивающее минимизацию расходов топлива (в самой простой формулировке) [3]. В новых условиях управление генерацией осуществляется с помощью ценовых сигналов, создаваемых рынком. Оптимальная загрузка генераторов реализуется при помощи модели «узловых цен», которая формирует ценовые сигналы с учетом технических ограничений и обеспечивает прозрачность процедуры
принятия решений о распределении генерации [4]. Следовательно, необходимо изменить технологии управления режимами, подходы и алгоритмы для оптимизации режимов и их планирование.
В-четвертых, одним из важнейших показателей, влияющих на конкурентоспособность и энергетическую безопасность нашей страны, является энергетический баланс. Для сектора электроэнергетики энергетический баланс — это показатель, отражающий распределение суммарной генерации мощности по видам генерации (тепловая, атомная генерации, гидрогенерация и др.). В условиях сильной конкуренции в секторе генерации развитие этого сектора, а, следовательно, и структура энергетического баланса определяются экономическими факторами. Только по причине недавнего становления сектора генерации на рыночный путь развития, изменения энергетического баланса и его структуры в России еще не начались. Однако, это наиболее вероятное следствие развития реформы отрасли. В этом вопросе можно опираться на опыт тех стран, где реформа уже давно свершившийся факт и электроэнергетика которых уже начинает испытывать ее последствия. В качестве примера рассмотрим проблемы, с которыми приходится сталкиваться уже сейчас в странах Европейского Союза (ЕС).
Сильная зависимость стоимости электроэнергии от мировых цен на энергоресурсы (и экологические требования) становится стимулом для развития нетрадиционных источников (НИ) энергии в ЕС. Стратегия развития электроэнергетики стран ЕС предусматривает увеличение доли нетрадиционных источников с нынешних 7% до 20% к 2020 году [5]. Основу нетрадиционной генерации в ЕС составляет ветроэнергетические установки и солнечная генерация. Интеграция в энергосистему такой доли нетрадиционных источников из-за их резко-переменного графика выдачи мощности, является достаточно сложной технической задачей, для решения которой требуется развитая инфраструктура электрических сетей. При этом в будущем планируется использовать электрические сети как систему
7 технологической связи разнесенных географически нетрадиционных источников и накопителей электроэнергии, необходимых для эффективного использования мощностей первых в будущем. В качестве последних, имеются в виду гидроаккумулируюшие электростанции и пневматические накопители [6].
НИ несомненно оказывают влияние на режимы электроэнергетических сетей и их развитие. Происходят изменения «привычных» перетоков мощности. В некоторых регионах исторически сложившиеся направления потоков мощности меняется на противоположные. Концентрация ветроэнергетических станций в разных регионах Европы уже приводит к увеличению транзита мощности [7-9].
Распределение потоков мощности по линиям электропередачи (ЛЭП) подчиняется физическим законам и не в полной мере управляемо. При этом резкое и чаще всего случайное увеличение выдаваемой ветроустановками мощности приводит к непредсказуемым и незапланированным перетокам [7-9]'.
Итак, в новых условиях требуются модернизация и повышение управляемости энергосистемы РФ. Решение приведенных проблем невозможно без перевооружения энергетического оборудования и сетей. Необходимость достижения повышенной управляемости режимом энергосистемы с целью его оптимизации с учетом технических ограничений определяет широкомасштабное внедрение управляемых устройств компенсации реактивной мощности. Развитие конкурентных отношений в секторах генерации и потребления невозможно без развитой инфраструктуры электрических сетей. Внедрение управляемых устройств — это один из вариантов развития инфраструктуры, т. к. появляется возможность передачи электроэнергии путем увеличения области
1 Примечание: Развитие ветроэнергетики является общемировой тенденцией. К концу 2006 года 75 000 МВт ветроустановок введено в эксплуатацию, 2/3 приходится на Европу и 15% на северную Америку [5].
8 существования режимов при сохранении конфигурации линий электропередач. Было показано, что дополнительные затраты, связанные с сооружением устройств продольной компенсации (УПК), в несколько раз меньше удельных затрат на строительство новых ЛЭП [10]. В современных условиях, при введении частной собственности на землю, разница между этими затратами увеличивается не в пользу последних. Иногда различные препятствия на пути строительства ЛЭП (финансовые, экологические и др.) делают глубокую продольную компенсацию параметров единственно возможным решением увеличения пропускной способности существующих ЛЭП [10, 11]. Это не означает, однако, что второй вариант - сооружение новых ЛЭП, всегда не конкурентоспособен первому. Может оказаться, что даже при глубокой компенсации, достигнут технологический предел, выше которого уже невозможна передача большей мощности. При этом нельзя сказать, что необходимость в управляемых устройствах отпадает, наоборот, они необходимы, хотя их функция становится несколько иной — поддержание режима в допустимой области при нагрузках близким к предельным.
Поэтапное развитие электроэнергетических сетей и
энергообъединений путем строительства новых ЛЭП различного номинального напряжения и различной протяженности, приводит к усложнению их структуры. Сети становятся сложнозамкнутыми с многослойной структурой номинальных напряжений. В результате сети оказываются неоднородными и неоднородность тем выше, чем больше различных классов напряжений используется в данной энергосистеме.
Влияние неоднородности в наибольшей степени проявляется в ЛЭП, состоящих из параллельных участков различного номинального напряжения. Неодинаковое соотношение активного и реактивного сопротивлений неоднородного участка приводит к такому распределению активной мощности по участкам, при котором ветвь с меньшим номинальным напряжением загружается до предела, при этом ветвь с большим
9 номинальным напряжением остается недогруженным [12]. Такое естественное распределение активной мощности не является оптимальным в соответствии с критерием минимума потерь. Для устранения этого эффекта могут быть использованы различные мероприятия, однако применение управляемых устройств в условиях либерализации наиболее перспективно.
Такие управляемые устройства, широкое применение которых, в свою очередь, повышает управляемость электроэнергетических систем, принято объединять под одним термином: гибкие (управляемые) системы передачи электроэнергии переменного тока или Flexible Alternating Current Transmission Systems (FACTS). Ранее в нашей стране использовались такие термины как гибкая межсистемная связь и управляемые источники реактивной мощности (ИРМ) [13-16].
Технология FACTS уже показала свою эффективность и широко используется во многих странах. В России такая технология только намечается к внедрению2.
Единая национальная энергетическая система (ЕИЭС) России является
самым крупным мире высокоавтоматизированным комплексом,
обеспечивающим производство, передачу и распределение электроэнергии, а так же централизованное оперативно — техническое управление этими процессами. Управление гигантской синхронно работающей электроэнергетической системой (ЭЭС), достигающей с запада не восток 7000 км и с севера на юг 3000 км представляет собой сложнейшую июкенерную задачу, не имеющую аналогов в мире. За более чем 40 лет функционирования ЕНЭС России накоплен огромный опыт надежного снабжения потребителей электроэнергией.
Для нормальной работы энергосистемы, одним из важнейших требований, является обеспечение устойчивости параллельной работы
2 см. Приказ РАО «ЕЭС России» №488 от 19.09.03. Создание в единой энергосистеме России гибких (управляемых) систем электропередачи переменного тока.
10 входящих в нее электрических станций, при этом энергосистема должна работать с некоторым запасом устойчивости [17].
Основными факторами развития электроэнергетики нашей страны, влияющими на условия устойчивости, были: рост протяженности линий электропередач (ЛЭП), увеличение установленной мощности электрических станций и укрупнение энергосистем путем создания объединений.
Объединение энергосистем дает существенную экономию ресурсов, за счет уменьшения резервов мощности, способствует внедрению более экономичных укрупненных агрегатов, позволяет оптимизировать работу гидро- и тепловых станций, использовать эффект несовпадения максимумов нагрузки различных регионов [18]. Известно, что с увеличением протяженности ЛЭП ее пропускная способность уменьшается. Это объясняется увеличением индуктивного сопротивления при увеличении ее длины. Увеличение мощности агрегатов приводит к увеличению их индуктивных сопротивлений, что сказывается на ухудшении условий устойчивости.
Обеспечение устойчивости в условиях развития рыночных отношений в секторах производства и потребления является более сложной задачей. Последствия применения традиционных средств автоматики (например, САОН) приобретает более четкие экономические последствия, выражаемых в виде материального ущерба от понесенных убытков. Решение проблемы с одной стороны лежит в области разработки прозрачной рыночной процедуры урегулирования таких убытков, с другой стороны в области улучшения условий устойчивости и недопущения появления аварийных режимов, связанных с ее нарушением.
Мероприятия по улучшению устойчивости принято разделять на два класса: капиталоемкие и не капиталоемкие. Например, к последним относятся автоматическое повторное включение (АПВ), быстродействующая селективная защитная автоматика, управление передачами и вставками
постоянного тока, противоаварийная автоматика разделения систем на части, автоматическое регулирование возбуждения сильного действия (АРВ СД).
Автоматическое регулирование возбуждения (АРВ) синхронных машин является одним из наиболее эффективных способов обеспечения устойчивости работы энергосистем. Первоначально АРВ выполняло только функцию поддержания требуемых уровней напряжения на зажимах синхронных генераторов, причем эти регуляторы имели зону нечувствительности [19]. Разработка и внедрение АРВ пропорционального действия (АРВ ПД) [20, 21], осуществляющего непрерывное регулирование возбуждения, качественно изменило условия статической устойчивости [19], обеспечило работу генераторов в широком диапазоне режимов, соответствующих поддержанию постоянной ЭДС за переходным реактивным сопротивлением. Дальнейшие исследования в этой области велись по пути снятия присущего АРВ ПД противоречия между статической устойчивостью и точностью регулирования [22]. В результате появился регулятор сильного действия (АРВ СД) [17-22], обеспечивающий устойчивую работу вплоть до мощностей, соответствующих пределу по ЛЭП. [22]
Эффективность сильного регулирования зависит от структуры регулятора и его настройки, которые, в свою очередь зависят от схемы электрической системы, ее параметров и режимов работы. Поэтому структура и настройки АРВ, обеспечивающей наилучшие показатели ее эффективности, в каждой отдельной энергосистеме будет различной.
Многообразие возможных параметров и режимов, даже в отдельно взятой энергосистеме,создают значительные препятствия на пути разработки оптимальных средств обеспечения устойчивости. Например, если взять АРВ СД как единственное такое средство, то в простой схеме «станция-шины» для определения его оптимальной структуры, которая обеспечит высокую степень устойчивости во всех режимах, применение существующих методов
12 более чем достаточно. Однако, в многомашинной схеме появляется проблема согласования настроек АРВ различных генераторов во всем многообразии режимов. Существование решения задачи согласования настроек не является очевидным. Таким образом, применение АРВ СД для обеспечения устойчивости в ряде случаев может оказаться недостаточным.
Применение FACTS может быть еще одним эффективным средством для решения вопросов обеспечения устойчивости работы энергосистем. Применение быстродействующих регуляторов FACTS снижает, или полностью устраняет потребность в осуществлении экстренных мер по обеспечению устойчивости, таких как, отключение генераторов, разделение системы, ограничение нагрузки, снижение напряжения и частоты. Однако, применение FACTS только с этой целью, очевидно, является экономически неоправданным из-за высокой их стоимости. Наибольшее время работы энергосистемы — это установившиеся режимы, следовательно, целесообразность установки FACTS определенной мощности в определенном месте должна рассматриваться по условиям работы в установившихся режимах. Возможность применения уже установленного устройства для улучшения устойчивости изучается дополнительно. Такой подход переводит мероприятия, связанные с использованием FACTS для улучшения условий устойчивости, из класса капиталоемких в класс не капиталоемких.
Основу конструкции устройств FACTS составляют
полупроводниковые преобразователи, вентили, емкостные и индуктивные накопители электромагнитной энергии. Последние обеспечивают потребление (выдачу) мощности от системы (в систему). Этот процесс можно контролировать при помощи вентилей, либо преобразователей, обеспечивая тем самым требуемые статические характеристики в установившихся режимах. В самом простом случае статические характеристики устройств FACTS обеспечивают поддержание какого-либо одного параметра релшма в заданных пределах, например, устройства
13 поперечной компенсации, регулирующие напряжение в узле подключения. Существуют, хотя реже применяются, устройства, контролирующие сразу несколько режимных параметров, например, модуль и фазу вектора напряжения или активную и реактивную мощность линии.
Оснащение устройства FACTS соответствующей системой автоматического управления (САУ) — необходимое условие его работы и обеспечения требуемых функций. Задача выбора подходящей структуры САУ решается методами синтеза
В общем виде выбор структуры САУ формулируется как задача синтеза, т. е. определение структуры и параметров САУ, удовлетворяющих заданным критериям (структурно-параметрический синтез). Существуют также частные задачи синтеза:
синтез параметров САУ при заданной структуре (параметрический синтез);
синтез только структуры САУ (структурный синтез).
Задачи первого типа находят свое применение в случаях, когда требуется найти оптимальную (с точки зрения заданных критериев) настройку регуляторов с учетом изменений в структуре объекта управления. Например, анализ устойчивости ЭЭС с АРВ СД с помощью построения областей устойчивости по выбранным параметрам (метод Д-разбиения) проводят для ряда характерных режимов работы энергосистемы с целью определения общей для всех рассматриваемых режимов области устойчивости. Если такая настройка не существует, то необходимо вносить изменения в структуру регулятора, т.е. переходить к решению полной задачи синтеза [23].
Наряду с методами структурного синтеза существуют методы структурного анализа. Они служат как необходимый инструмент процедуры синтеза, но при этом находят и самостоятельное применение. Применение методов анализа структуры позволяет:
описать процессы, происходящие в САУ на качественном уровне;
разложить сложную систему логически на простые элементы структуры, выделить основные каналы прохождения сигналов;
с помощью методов эквивалентирования привести сложную, многоэлементную структуру к более простой, содержащей меньшее количество элементов, тем самым уменьшить размерность решаемой задачи.
В исследованиях устойчивости, проводимых за рубежом, для анализа устойчивости колебаний энергосистем уже много лет используется хорошо зарекомендовавшая себя модель, известная под названием Phillis-Hefrron model (РН модель) [24-26]. Эта модель, по сути, является графической интерпретацией линеаризованной системы уравнений переходных процессов и состоит из элементарных звеньев, которые описывают соотношения сигналов на входе и выходе с помощью передаточных функций, являющихся коэффициентами линеаризованной системы. Преимущество этой модели заключается в том, что с ее помощью можно наглядно представить каналы взаимодействия внутри системы, структуру системы в целом. В частности, с помощью этой модели были выполнены исследования по выбору структуры и настройке параметров power system stabilizer (PSS) [27, 28] — аналога APB СД. Анализ структуры такой системы качественно объясняет действие демпфирующего момента PSS и возможности по его увеличению. Следует отметить, что вид структуры модели РН для рассматриваемого класса систем остается неизменным и принят за рубежом как классический. При изменении режимов рассматриваемой модели изменяются только коэффициенты ее передаточных функций, являющиеся частными производными параметров режима. Для различньтх по составу оборудования систем, эта модель в целом также сохраняет свою структуру, за исключением некоторых ее элементов. Можно выделить общую часть структуры этой модели для всего класса электроэнергетических систем. Эта часть системы описывается
15 одинаковыми по виду уравнениями: уравнение движения ротора, уравнение переходного процесса в обмотке ротора и уравнениями системы возбуждения. Основной недостаток такой модели проявляется в случаях, когда рассматривается подробная модель генератора, например 6-го порядка и выше, т.к. при этом теряются такие ее свойства, как наглядность и простота.
Ввиду того, что широкое применение FACTS получили за рубежом, основной объем проведенных исследований, связанных с анализом их влияния на устойчивость, и публикации на эту тему представлены в зарубежной литературе.
В опубликованных результатах исследований [29] показано наличие «мертвой точки» демпфирующего момента (точка, в которой демпферный момент обращается в ноль) для статического тиристорного компенсатора (СТК) в простой одномашинной схеме энергосистемы, модель генератора которой не учитывает действие АРВ. Это означает, что при уменьшении нагрузки демпферный момент СТК снижается и, проходя через мертвую точку, меняет свой знак, т.е. демпфирование СТК становится отрицательным. Было показано, что наличие «мертвой точки» связано с инерционностью генератора и зависит от режима энергосистемы. Позднее по результатам анализа структуры такой энергосистемы с помощью модели РН [29], было дано качественное объяснения причинам обращения в ноль демпферного момента СТК: обращение в ноль и смена знака частной производно электромагнитной мощности по переменной, характеризующей выходной сигнал стабилизатора, при изменении режима в сторону уменьшения мощности генератора. В публикации [30] показано, что такие устройства, как управляемая продольная компенсация (УПК) и фазорегулирующий трансформатор (ФРТ) обладают положительным демпфированием во всех режимах. Выявлены две составляющие демпферного момента устройства FACTS (СТК, УПК, ФРТ): прямая (direct) и косвенная (indirect) составляющие. Показано, что во всех режимах
наибольший вклад в суммарный демпферный момент вносит прямая составляющая. Продолжением этой работы являются публикации [31, 32], в которых применяемый подход расширен на случай многомашинной схемы [31] и рассматривается демпфирующие свойства комплексного устройства FACTS — объединенного регулятора потоков мощности (ОРПМ) [32]. Однако, в этих публикациях в моделях устройств FACTS не представлены основные каналы регулирования, действие которых основано на поддержании требуемых характеристик в установившихся режимах (ручное регулирование). При этом результаты исследования демпферных свойств FACTS можно охарактеризовать, как проведенные для разомкнутой по основному контуру САУ. Известно, что разомкнутые системы, охваченные обратными связями, существенно меняют свои статические характеристики, и характеристики протекаемых во времени процессов. Следовательно, результаты, полученные в [30-32] нельзя применить без дополнительных исследований для замкнутых систем, но при этом эти работы показывают, что качественные методы исследования, в частности, анализ структуры, могут существенно упростить понимание процессов, проходящих в САУ.
В нашей стране первые работы по синтезу стабилизации проводились применительно к АРВ синхронных машин. При отсутствии опыта вначале в качестве основного метода применялся простой перебор всевозможных вариантов [33]. Такие расчеты и экспериментальные исследования, проводимые на электродинамических моделях, создали базу для разработки в дальнейшем более точных методов синтеза, а так же на основе этих данных выявились некоторые закономерности, которые значительно уменьшили число возможных вариантов структур АРВ. Так, для АРВ СД наиболее эффективными параметрами режима, применяемыми для стабилизации оказались: напряжение на зажимах, ток статора и частота напряжения.
Многие известные методы синтеза, разработанные в ТАУ для линейных систем, имеют ограничения по применению. Большое практическое распространение нашли графоаналитические методы синтеза,
17 основанные на приближении частотных характеристик исследуемой системы к желаемым. Основными показателями в этих методах служат, запасы по модулю и фазе, частота среза и др. Преимущества этих методов заключались в том, что они не требуют построения математического описания переходных процессов в виде дифференциальных уравнений: частотные характеристики могут быть получены экспериментально [34-36]. Нашли свое применение в задачах синтеза САУ в электроэнергетике и группа методов, называемая аналитические методы синтеза. Постановка задачи в этих методах реализуется как поиск экстремума функционала качества при заданных ограничениях [37-39].
Общей особенностью этих методов является то, что они решают задачу либо структурно-параметрического синтеза, либо только параметрического синтеза. Поэтому постановка задачи в каждом случае будет разной, следовательно, на основе этих методов невозможно разработать универсального подхода, который позволил бы, не прибегая к громоздким вычислениям, получить удовлетворительный результат.
Определенную трудность в решении задачи выбора структуры САУ в электроэнергетике методами синтеза, представляет неполнота и недостаточная точность информации о параметрах энергосистемы, а также неизбежное применение в исследованиях упрощенных моделей. Применение последних продиктовано сложностью детального учета всех свойств исследуемых объектов (нелинейности, связанные с насыщением, зависимость параметров от таких факторов как температура окружающей среды, и т. п.). Поэтому результаты, получаемые на таких моделях, не гарантируют того, что в реальной энергосистеме будут получены такие же критерии качества и что оптимальная настройка расчетной модели, окажется таковой и для реальной энергосистемы.
С учетом изложенного, целесообразнее ставить задачу синтеза только структуры САУ в общем виде, не конкретизируя ее детали и не накладывая
18 ограничения на параметры, представив их в обобщенном виде. Только найдя полученное решение, и тем самым уменьшив число возможных вариантов, методом синтеза структуры, имеет смысл проводить детальные исследования и расчеты, в ходе которых произвести окончательную настройку параметров САУ.
Решению задачи синтеза применительно к устройствам FACTS посвящено много работ, в основном опубликованных за рубежом [30-32, 40-58]. В большинстве этих работ применяемые методы синтеза имеют частный характер. При общей своей формулировке: обеспечения устойчивости энергосистемы при помощи САУ FACTS, они отличаются тем, что предполагаются заданными различные элементы структуры САУ. Либо предполагается заданной структура САУ и требуется найти параметр режима, используемый на входе [40-41], либо осуществляется поиск оптимального места подключения системы стабилизации [30, 42]. В некоторых работах определяются только параметры САУ, по своей структуре похожей на PSS, при заданных параметрах на её входе и выходе [43-45].
Таким образом, с одной стороны необходимо повышать управляемость и надежность ЕНЭС в новых для энергетики России рыночных условиях. При этом с другой стороны, повышаются требования к устойчивости энергосистемы, а традиционных средств по ее обеспечению становится не достаточно. Наиболее экономически оправданным средством решения двух этих проблем является применение быстродействующих FACTS.
Целью данной работы является разработка системы автоматического
регулирования компенсирующего устройства (ОРПМ) для улучшения
условий устойчивости энергосистемы, содержащей управляемую
электропередачу.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие основные задачи:
Изучение основных типов компенсирующих устройств на базе полупроводниковых элементов и условий их работы в гибких системах передачи переменного тока
Разработка общего подхода к математическому описанию
управляемой электропередачи на базе ОРПМ и других устройств
Определение основных требований, предъявляемых к системе автоматического регулирования ОРПМ для обеспечения нормальной работы и статической устойчивости режимов электроэнергетической системы
Разработка системы автоматического управления (САУ) ОРПМ, удовлетворяющей предъявляемым требованиям
Экспериментальные исследования на ЭВМ режимов и устойчивости энергосистемы, содержащей управляемую электропередачу на базе ОРПМ
Совершенствование САУ ОРПМ для увеличения демпфирования свободных колебаний при малом возмущении параметров режима энергосистемы.
При этом, как уже отмечалось, решение поставленной задачи в каждом отдельном случае будет различным, поэтому в данной работе задача ставится в общем виде, не ограничиваясь какой либо конкретной схемой. Учитывая тот факт, что при составлении математических моделей элементов энергосистемы прибегают к упрощениям, сложные фрагменты схемы энергосистем эквивалентируются простыми схемами, целесообразно применять максимально простые расчетные схемы. Результаты, полученные для таких схем в ходе проводимых исследований должны соответствовать реальным объектам исследования — электроэнергетическим системам [17]. Обеспечение строгости и точности такого соответствия является неотъемлемой частью самих исследований и основывается на уже имеющемся опыте проведения исследований для данного класса изучаемых объектов.
В ходе проведенных исследований получены результаты, представляющие научную новизну. Разработана математическая модели
20 управляемой электропередачи на базе ОРПМ. Показана принципиальная возможность, при определенных условиях, использования этой модели для описания управляемой электропередачи на базе других устройств. Разработана структурная схема САУ ОРПМ. Показано, что наилучшее демпфирование колебаний обеспечивает структура САУ, в закон регулирования которой вводится первая и вторая производные угла напряжения на входе устройства.
Достоверность полученных теоретических положений
подтверждаются результатами расчета. Разработанные программы расчета режимов и устойчивости проверялись на схемах, для которых достоверные результаты уже были известны. Кроме того, достоверность подтверждается совпадением полученных данных с результатами расчетов, выполненными в других программах: РАСТР, Simulink.
Существует целый ряд устройств FACTS, отличающихся по своему назначению, принципам функционирования, составом основного оборудования. Однако, в основе функционирования FACTS лежат общие для всего ряда устройств принципы продольной и/или поперечной компенсации. Быстродействие, а соответственно способность FACTS вносить определенный вклад в улучшение условий устойчивости, является общим (за редким исключением) для устройств FACTS свойством. В связи с этим, в первой главе приводится анализ ряда устройств FACTS, при этом подробно рассматриваются комбинированные устройства продольно-поперечного включения, как представляющие больший интерес, ввиду недостаточности проведенных на данный момент исследований, как в области установившихся режимов, так и устойчивости.
Статическая устойчивость электроэнергетической системы — это устойчивость ее установившегося режима. Расчеты, связанные с исследованиями статической устойчивости предваряют расчеты параметров установившихся режимов. Это необходимо для проведения процедуры
21 линеаризации режима в окрестности точки установившегося режима. Координаты этой точки, т.е. параметры режима, должны удовлетворять техническим ограничениям, накладываемым на них исходя из условий надежности и качества поставляемой электроэнергии. При этом основная роль управляемой электропередачи как раз и заключается в обеспечении надежности и качества. Для задач синтеза структур САУ FACTS это означает, что параметры и структура основного канала должны выбираться по условиям и в результате исследования установившихся режимов. Этой задаче посвящается вторая глава данной работы.
Изучение влияния FACTS на условия статической устойчивости, а так же синтез структуры канала стабилизации САУ FACTS с целью их улучшения представлены в третьей главе.
Статический тиристорный компенсатор
Полное сопротивление СТК, определяемое сопротивлениями реакторов и конденсаторов, ограничивает рабочий диапазон СТК по току и напряжению. Вольт-амперная характеристика СТК (Рис. 1.5) имеет три области. Внутри регулировочного диапазона напряжение в точке подключения СТК поддерживается постоянным (точнее изменяется с малым етатизмом). Вне этого диапазона при низком напряжении характеристика имеет тот же вид, что и у нерегулируемой БК, а при высоком напряжении характеристика такая же, как и у нерегулируемого реактора. Такая характеристика может быть реализована при параллельном включении управляемого реактора (Рис. 1.1) с нерегулируемой емкостью (Рис. 1.6а) либо с дискретно регулируемой емкостью (Рис. 1.66).
Необходимость установки такого устройства определяется необходимостью решения следующих задач: стабилизация напряжения при наличии резко-переменной нагрузки; увеличение запаса по статической устойчивости, демпфирование качаний; компенсация реактивной мощности; поддержание заданного уровня напряжения в установившемся режиме. СТК имеет очень широкую область применения, как в магистральных, так и в распределительных сетях.
Основной проблемой при эксплуатации магистральных сетей, является балансирование реактивной мощности в узлах. Это вызвано большими потоками реактивной мощности линий высокого и сверхвысокого напряжения. Отсюда вытекает необходимость в компенсации реактивной мощности в таких сетях. По причине сильной зависимость генерации (потребления) реактивной мощности линиями от передаваемой активной мощности, режим работы СТК в таких сетях характеризуется большой установленной мощностью и широким диапазоном регулирования, как в режиме потребления, так и в режиме генерации реактивной мощности.
Существующий опыт эксплуатации СТК в распределительных сетях позволяет выделить три основные области применения этого устройства. Во-первых, это районы с большой плотностью нагрузки, такие как городские районы. Во-вторых, это отдаленные от центров питания районы. И, в-третьих, это точки питания промышленной и тяговой нагрузки.
Основная причина установки СТК в районах с большой плотностью нагрузки — это уменьшение эффекта от воздействия на чувствительную нагрузку различного рода возмущений в сетях, таких как короткие замыкания и отключения линий электропередачи. В качестве примера рассмотрим опыт эксплуатации СТК мощностью 320 Мвар, установленный в 1993 г. на подстанции 400 кВ на юго-западе Осло в Норвегии [61].
Если происходит короткое замыкание в системе, регулятор СТК реагирует на резкое падения напряжения на стороне 400 кВ на подстанции и регулирующий орган воздействует на СТК и изменяет его реактивное сопротивление с целью восстановления напряжения в городских районах. В результате короткого замыкания генераторы также увеличивают выдачу реактивной мощности. При восстановлении установившегося (нормального или послеаварийного) режима работы после короткого замыкания могут возникнуть перенапряжения в результате запаздывающего действия системы возбуждения генераторов. СТК также противодействует этому. Тем самым благодаря воздействию СТК как во время короткого замыкания, так и сразу после него, изменения напряжения не происходит на стороне городской нагрузки. Можно говорить о том, что СТК изолирует город от возмущений со стороны питающей его сети. Осциллограмма тока СТК, снятая при эксплуатационных испытаниях (Рис. 1.7) показывает этот эффект. СТК также играет роль регулятора напряжения в течении суточных изменений нагрузки. При увеличении нагрузки, напряжение в распределительных и районных сетях уменьшается. Автоматическое регулирование напряжения под нагрузкой (РГШ), вовлекающее большое количество трансформаторов, противодействует этому уменьшению. В результате напряжение в питающих сетях высокого напряжения сильно уменьшается. РПН не решает проблему, вызванную падением напряжения, а переносит ее в сети с большим номинальным напряжением. Здесь реактивная мощность СТК помогает избежать чрезмерного падения напряжения.
Последовательный статический компенсатор SSSC
Схема включения инвертора напряжения может быть последовательной. Такое устройство называется последовательный статический компенсатор или просто последовательный компенсатор.
На Рис. 1.12 показан последовательный компенсатор, включенный через трансформатор в линию. Управление реактивной мощностью осуществляется по тому же принципу, что и у СТАТКОМа — изменением величины напряжения АС/, фаза которого либо +90, либо —90 градусов по отношению к току линии, в зависимости от того потребляется или выдается реактивная мощность.
Область применения последовательного компенсатора такая же, как и у УПК, а именно, SSSC может использоваться для увеличения пропускной способности, демпфирования качаний и увеличения запаса статической устойчивости.
Подобие SSSC синхронной машине дает некоторые функциональные преимущества при продольной компенсации, которые не могут быть достигнуты с устройствами с регулируемым сопротивлением.
С функциональной точки зрения использование SSSC предпочтительнее, чем УПК, т. к. статический синхронный компенсатор имеет одинаковые диапазоны регулирования, как в индуктивном, так и в емкостном режиме (Рис. 1.13), причем его характеристики не зависят от величины тока линии. Внешние характеристики УПК, а именно, добавочное напряжение зависит пропорционально от тока линии, поэтому рабочий диапазон УПК значительно меньше, чем у SSSC (Рис. 1.14). При наличии внешнего источника активной мощности последовательный компенсатор способен компенсировать и активное сопротивление линии, с целью поддержания оптимального соотношения этого сопротивления к реактивному сопротивлению линии. Еще одним преимуществом SSSC в том, что все оборудование SSSC находиться устанавливается на потенциале земли, т.к. необходимую изоляцию обеспечивает трансформатор связи. Основное оборудование УПК устанавливается на платформе и находится под потенциалом линии. Системы охлаждения и управления УПК так же имеют повышенные требования к изоляции. Vc і Рис. 1.13. Вольт-амперная характеристика последовательного кимпенсатора.
Преимущество управляемой УПК заключается в том, что в схеме устройства используются обычные тиристоры. Эти тиристоры в настоящее время имеют самые лучшие показатели по длительно допустимым значениям тока, напряжения, и току термической стойкости. В преобразователях SSSC используются запираемые тиристоры, соответствующие показатели которых значительно хуже, и, следовательно, появляется необходимость во внешних защитных устройствах на основе все тех же обычных тиристоров, либо ограничителей перенапряжений. С другой стороны, схема и применяемые полупроводниковые элементы в устройствах с тиристорно-регулируемым сопротивлением позволяют обходиться без дополнительного защитного оборудования.
В предыдущих разделах данной главы было показано, что существует два основных принципа реализации управляемой емкостной компенсации на основе силовых полупроводниковых элементов: с переменным регулируемым реактивным сопротивлением и регулируемым источником напряжения. Независимо от типа устройства, все они осуществляют либо продольную, либо поперечную компенсацию.
В любой энергосистеме необходимо наличие устройств как продольной, так и поперечной компенсации. Каждое из таких устройств выполняет свои локальные функции (локальное регулирование). Однако, для оптимизации режима энергосистемы в целом, требуется наличие возможности одновременного управления всеми регулируемыми компенсирующими устройствами. Наличие такого управления можно охарактеризовать как комплексная компенсация. Очевидно, что комплексная
компенсация позволяет более эффективно управлять режимом энергосистемы, чем локальное регулирование.
Преимущества комплексной компенсации привело к развитию многоуровневой системы управления режимом, в рамках которой все регулируемые устройства объединяются на логическом уровне. При этом характеристики системы претерпевают значительные изменения в сторону улучшения качества, надежности и экономичности передаваемой электроэнергии.
Применение комплексной компенсации с использованием быстродействующих регулируемых устройств (Рис. 1.1 —Рис. 1.4, Рис. 1.6, Рис. 1.8, Рис. 1.9, Рис. 1.12) как продольного, так и поперечного включения позволяет в достаточно полной мере реализовать концепцию гибких систем передачи переменного тока. Однако, в максимальной степени добиться эффекта «гибкости» возможно при физическом объединении устройств продольного и поперечного включения, при котором существует не только компенсация реактивной мощности, но и также возможен обмен активной мощностью между ними.
Такое объединение можно осуществить на базе двух статических синхронных генераторов (ССГ), один из которых включаются параллельно с ЭСС, второй - последовательно в линию, соединив их на стороне постоянного тока. Такое устройство известно как unified роег flow controller (UPFC)PHC. 1.15.
Структурная схема регулятора ОРПМ
Значения коэффициента mxKTXUxU d/XT} в (2.1) определяет максимум рабочей характеристики РпХ (Д) шунтового преобразователя.
Из (2.1) и (1.8) следует, что поддерживать постоянное значения напряжения Ud можно при охвате основных цепей преобразователя обратной связью по этому напряжению, формирующей сигнал, пропорциональный углу зажигания Д. В качестве такой обратной связи может выступать регулятор тока шунтового преобразователя. На входе регулятора измеряется напряжение Ud. Затем при помощи органов сравнения сигнал, пропорциональный напряжению Ud, сравнивается со значением уставки - Ud0 и ошибка сравнения UdQ - Ud формирует выходной сигнал регулятора - АД. Исходное значение величины Д = Д0 корректируется на величину АД: Д=Д0+АД. В соответствии с (2.1) для увеличения Ud необходимо уменьшать Д, и наоборот, для уменьшения Ud, Д необходимо увеличивать. Таким образом, действие регулятора в установившемся режиме будет описываться уравнением: A=fho-Kwd{UdQ-Ud\ #ош 05 где K0U(J - коэффициент усиления основного канала регулирования напряжения Ud.
Оставшиеся управляющие воздействия: тх, Д2, т2, могут использоваться для управления режимом вставки постоянного тока, путем изменения Unl, (рп2, Un2 соответственно. Однако, внешние характеристики ОРПМ при этом будут зависеть от токов 1п1, 1п1. Для того чтобы исключить эту зависимость, а также исключить влияние сопротивлений трансформаторов ОРПМ, целесообразнее ввести обратные связи по внешним параметрам ОРПМ: обратная связь напряжения U2 и регулирующего воздействия щ -регулятор напряжения шунтового преобразователя; обратная связь напряжения At/ и регулирующего воздействия т2 -регулятор напряжения последовательного преобразователя; обратная связь угла р (Рис. 1.15) и регулирующего воздействия Д2 -регулятор тока последовательного преобразователя.
ОРПМ оснащенный всеми четырьмя перечисленными регуляторами позволит поддерживать три параметра управляемой электропередачи на заданном уровне, а именно: модуль напряжения на отправном конце, модуль и фазу добавочного напряжения. Все четыре регулятора в совокупности образуют внешний регулятор ОРПМ (Рис. 2.2) с несколькими главными обратными связями, причем эти четыре регулятора не связаны вне объекта управления (несвязная САУ [62]), но при изменении одного из регулируемых параметров происходит изменение остальных (зависимая САУ [62]).
Требуемая точность поддержания заданного значения регулируемого параметра обеспечивается при использовании принципа регулирования по отклонению от заданного значения [62]. САУ, работающие по такому принципу имеют преимущества, т. к. учитывают все возмущения, возникающие в ЭЭС в любой ее точке.
Мерой статической точности замкнутой САУ является отношение, называемое етатизмом АЛ где Ау0- приращение выходной величины САУ (регулируемого параметра), вызванное приращением внешнего воздействия - Af0. Под внешним воздействием понимается любые изменения режима. Причем т. е. етатизм равен значению передаточной функции W3(p) замкнутой САУ между точкой приложения возмущающего воздействия и выходом регулятора (передаточная функция замкнутой по возмущению САУ) при /7=0. В случае нескольких (/и) внешних воздействий суммарное статическое отклонение где 5t - етатизм системы по возмущению fQi. Сильная статическая зависимость регулируемой величины от внешних воздействий иногда является нежелательной, например, отрицательный етатизм по напряжению, поскольку создает погрешность управления, а самое главное, уменьшает запас статической апериодической устойчивости. Поэтому етатизм САУ необходимо уменьшать. Наиболее простой путь уменьшения статизма и увеличения точности регулирования — это увеличение коэффициента усиления регулятора.
Действительно, передаточную функцию замкнутой по возмущению САУ можно представить в виде W3(P) Wf(p) \ + W(p) где Wf(p) - передаточная функция связывающая точку приложения возмущения и выходную регулируемую величину, a W (р) - передаточная функция разомкнутой САУ. При р = 0, W (р) П Коу. В пределе при KQY -» оо S-0. Для полного устранения статизма и перехода к астатической системе необходимо бесконечно увеличивать коэффициент усиления регулятора.
Известны и другие способы повышения точности при конечном значении К0у[62]: введение астатического управляющего устройства, содержащее интегрирующее звено; введение компенсации по возмущению. Однако, эти способы следует применять, только в том случае, если не достигается требуемое значение точности при увеличении K0Y.
Применение метода синтеза структуры каналов стабилизации для простейшей системы, содержащей управляемую электропередачу на базе ОРПМ
Размерность определителя системы D(p) зависит от количества уравнений, описывающих переходные процессы этой системы. Даже для простой системы, содержащей управляемую электропередачу, связывающую мощную электростанцию с шинами бесконечной мощности, схема которой содержит три узла, определитель D(p) будет иметь размерность [14x14].
Анализ такого определителя и его составляющих, входящих в (3.2) справа, при его высокой размерности, будет громоздким и практически нецелесообразным. Кроме того, как было показано, количество корней стремящихся к бесконечности, определяется разностью порядков передаточной функции системы регулирования (стабилизации) и не зависит от порядка «внешней системы» (NA). Следовательно, целесообразно уменьшить размерность определителя системы D(p), не уменьшая при этом строгости поставленной задачи. Для этой цели примем следующие допущения: переходные процессы в обмотке ротора и действие АРВ не учитываются. модель линий электропередачи не учитывает активные сопротивления и емкостные проводимости. С учетом таких допущений, схема управляемой электропередачи с установленным ОРПМ, обеспечивающей транзит мощности от станции в систему будет иметь вид, представленный на Рис. 3.2.
Расчетная схема для исследования статической устойчивости.
Генераторы станции представлены одним эквивалентным генератором. Движения ротора генератора описывается уравнением: Справедливы следующие свойства определителей, входящих в (3.2), которые вытекают из анализа их структуры: 1) При структуре каналов стабилизации, содержащей первую производную режимного параметра (3.8)-(3.11), порядок полинома Д234О7) Wj = NA + 4NE =3 + 4-l = 7 = ra-4. Устойчивость системы при этом, определяется как устойчивостью корней стремящихся к бесконечности (их количество равно четырем), так и устойчивостью вырожденного уравнения. В рассматриваемом случае п = 11, следовательно, пх = 7 2) Если в структуру каналов стабилизации (3.8)-(3.11) ввести вторую производную режимного параметра, то щ = п = 11. Устойчивость системы определяется устойчивостью только вспомогательного уравнения. Действительно, в этом случае числители и знаменатели передаточных функций каналов регулирования (3.8)-(3.11) будут иметь одинаковый порядок, При разложении D{p) на составляющие по степеням т, все определители в правой части (3.2) будут иметь порядок п = 11. 3) Если П2=П2=1Т4 = 0, (сигнал стабилизации вводится только в регулятор тока шунтового преобразователя) определитель Е\234ІР) зависит дПл 377, только от частных производных —L и —L, при этом, даже если dS дЄ2 Пх =77 2,/3 17), то Д234О7) не зависит от частных производных параметра 7ZJ по этим режимным параметрам. Аналогичный вывод можно сделать и при наличии сигнала стабилизации в любом другом из четырех регуляторов. На основе данного свойства можно предположить, что ЗП дП дП производные типа , , не оказывают влияния на устойчивость dU2 dp dAU вырожденного уравнения, при условии наличия стабилизации только в одном из основных каналов регулятора ОРПМ.
Данные свойства будут справедливы и для системы, в которой NA больше 3, т. е. для такой системы, в которой учитываются переходные процессы в обмотке ротора и действие АРВ генератора. При этом порядок системы будет выше (и 11). Если разность порядков NF—NE равно единице, т. е. количество производных параметра режима системы стабилизации в рассматриваемом Я случае равно 1, то подстановкой р = — в характеристическое уравнение т (3.2) получим вспомогательное уравнение. Такой подстановкой выделяют п — г\ = 4 корня, стремящиеся к оо при т — 0. В этом случае уравнение (3.2) примет вид: и и-1 п-2 и-3 D(p) = m4Y,aiPn i + n? ibipn-x-i+m2 с 2- 1 +т YASiPn 3 i + /=0 /=0 /=0 /=0 и-4 /=0 Сделаем подстановку: p = q/m п / лп-і и-1 / \»-1-/ п-2 (п у-2- /=о \т) ІҐо \т) U \т) л-3 Ґ „ \и-- - и-4 ґ п ,=о V7 /=о Vw У /=о VwJ Умножим характеристическое уравнение D(p) = 0 на т" А: п и-1 и—2 и-3 Д/0 = ajirfq"4 + Yjbjrrfq"-14 + cimiq"-2-i + lgir qn 3 i + /=0 /=0 /=0 /=0 и-4 + ]/деи-4-, =0 /=0 при m—»0 это уравнение преобразуется во вспомогательное уравнение четвертого порядка: 0) = Щп + W1 + 2 +g0q"-3 + kq"-4 = Устойчивость корней вспомогательного уравнения при этом, согласно критерию Гурвица, определяется следующими условиями: OQ 0, A1=Zb 0, А2 = «0 Q = А3 = k So 0«0 Я) 0 A) So А4 = А3 ( ), hcQ-g0a0 0 0A2-V 5 которые, в свою очередь, накладывают ограничения на частные производные параметра Пх по режимным параметрам. Анализ условий устойчивости корней вспомогательного уравнения по приведенным выше условиям в общем виде является неоправданно громоздким и неосуществимыми в аналитическом виде, поэтому ограничимся случаем NF = NE (т. е. для стабилизации используется первая и вторая производная параметра Щ), когда условия устойчивости системы высокой точности регулирования определяются только условием устойчивости вырожденного уравнения. Кроме того, область устойчивости в плоскости параметров KQ, Кх, на сечении j=0будет соответствовать устойчивой области в случае NF —NE=l
