Введение к работе
Актуальность проблемы. Статическая колебательная устойчивость режимов и удовлетворительное демпфирование колебаний являются необходимыми условиями надежного функционирования электроэнергетических систем (ЭЭС).
В условиях оіраниченньїх возможностей экспериментального исследования определяющее значение имеют методы математического моделирования и исследования устойчивости ЭЭС. Основополагающие работы в этой области были сделаны еще в 30-х годах П.С.Ждановым, А.С.Лебедевым, А.А.Горевым. В дальнейшем значительный вклад здесь в нашей стране внесли работы В.А.Баринова, В.В.Бушуева, В.А.Веникова, И.А.Груздева, А.С.Зеккеля, И.ВЛиткенс, Э.СЛукашова, А.А.Рагозина, С.А.Совапова, В.А.Строева, СМ.Устинова, Л.В.Цукерника, О.В.Щербаче-ва, А.А.Юрганова и их учеников. Из зарубежных ученых следует отметить работы F.P. deMello. P.Kundur, M.Klein, G.J.Rogers, N.Martins, DJ.Hill, I.J.Perez-Arriaga, E.V.Larsen и др. В результате поставлен вопрос об удовлетворении требований проектной и эксплуатационной практики по решению задач анализа динамических свойств больших ЭЭС, обеспечения устойчивости и удовлетворительного демпфирования всей совокупности режимов, а также разработки соответствующих программных продуктов.
При формировании больших энергообъединений, особенно на уровне национальных и транснациональных ЭЭС, стали проявляться низкочастотные системные колебания (НСК) режимных параметров, не наблюдавшиеся ранее в системах простой структуры. Многое страны сталкивались с проблемами устойчивости НСК, сложностями их подавления с помощью традиционных автоматических регуляторов, что часто ограничивало пропускные способности сети.
Активно внедряющаяся в энергетику многих стран система рыночных отношений резко повышает вероятность работы ЭЭС вблизи предельных режимов. Здесь помимо необходимости обеспечения устойчивости возникает также задача правильной оценки имеющихся запасов и предельных по устойчивости режимов. Хотя временный спад нагрузки у нас в страпе несколько снижает остроту проблемы, она может проявиться более ярко с оживленней экономики и росте нагрузок на фоне старения сетевого оборудования при недостатке средств на его обновление. Получение требуемой точности результатов исследований осложняется существенным влиянием на них неопределенности параметров ЭЭС, и в первую очередь, нагрузки.
Рост размеров ЭЭС с большим числом быстродействующих автоматических регуляторов, сложный характер их взаимного влияния, а также противоречивость традиционных законов управления, когда улучшение демпфирования одной группы колебаний связано с ухудшением демпфирования других, требует сложной процедуры координации настроек мнопіх регуляторов по условиям устойчивости всех возможных эксплуатационных режимов. Альтернативным перспективным вариантом здесь может быть создание новых, непротиворечивых законов управления, избирательно воздействующих на опасные для устойчивости формы движения.
Успешность крупных проектов транспорта электроэнергии на дальние расстояния по линиям электропередачи переменного тока с управляемыми шунтирующими реакторами (УШР) во многой мере определяется разработкой эффективного совместного регулирования нескольких УШР по обеспечению статической устойчивости.
Актуальность решения отмеченных задач нашла отражение за последнее десятилетие в государственной программе "Коренное повышение эффективности энергетики" (Направление 5: "Оптимальное развитие и управление функционированием ЕЭЭС СССР"), отраслевой научно-технической программе Минэнерго 00.00.13 "Разработать и внедрить методы и средства повышепия эффективности автоматического регулирования возбуждения генераторов в объединенных энергосистемах", и межвузовской научно-технической проірамме "Повышение надежности, экономичности и экологичности энергетической системы России" (1992-1997).
Важность указанных задач подтверждается также многочисленными исследованиями, проводпмышг во многих странах мира.
Цель работы. Цель работы заключается в создании методов и алгоритмов для решения научно-технической проблемы, связанной с анализом и выявлением особых динамических свойств больших энергообъединений и дальних электропередач, а также обеспечением статической устойчивости их режимов и удовлетворительного демпфирования колебаний за счет оптимального выбора настроек систем автоматического регулирования и синтеза новых законов управления во всем диапазоне возможных режимов в условиях неопределенности параметров системы и ограничений на варьируемые параметры. Для достижения поставленной цели в работе ставились следующие основные задачи. Разработать методические основы и математический аппарат для анализа собственных динамических свойств сложных энергообъединений и довести его до инструментария, пригодного к использованию в инженерной практике.
Выявить специфические динамические свойства больших протяженных энергообъединений и дальних электропередач с УШР н выявить зависимость их характеристик от структуры н параметров системы, а также определить требования к совместной работе средств автоматического регулирования по условиям статической устойчивости.
Разработать методы численной оптимизации зпачепий параметров средств автоматического регулирования с учетом вариации режимов и в условиях неопределенное параметров системы. Создать математический аппарат формализованного синтеза законов квазимодального управления опасными для устойчивости формами колебаний при минимальном объеме телеинформации.
Разработать метод ранжирования неопределенных параметров системы по степени их влияния на устойчивость для построения модели с задаппой точностью при минимуме дополнительной информации.
Создать программное обеспечение, позволяющее решать основные из перечисленных выше задач применительно к большим энергообъедпне-ниям как обычные рутинные инженерные задачи.
Методы исследования. При построении модели энергосистемы и анализе ее динамических свойств использовался аппарат линейной алгебры и модального анализа, включая технологию работы с разреженными матрицами. При выборе параметров автоматических регуляторов использованы специальные функции качества и методы минимизации. Разработка перспективных законов управления построена на аппарате модального управления; ранжирование неопределенных параметров системы - па теории чувствительности и равномерно распределенных последовательностях. Для оценки достоверности численного моделирования сопоставлялись результаты расчетов на ЭВМ при использовании качественно различных программных продуктов, а также использовались литературные данпые.
Научная новизна. Разработаны теоретические и методические основы решения научно-технической проблемы, связанной с анализом динамических свойств больших эпергообъединений и дальних электропередач и построением управления, адекватного этим свойствам с целью обеспечения статической устойчивости. Эти разработки базируются на следующих положениях.
Предложены методические основы анализа собственных динамических свойств больших энергосистем, базирующиеся на вычислении ряда численных показателей, таких как наблюдаемость и возбуждаемость отдельных форм колебаний, их чувствительность к параметрам управления.
Предложены методы и алгоритмы численного поиска оптимальных значении параметров автоматических регуляторов применительно к большим энергообъединецшш для заданной совокупности режимов работы и в условиях неопределенности параметров системы. Разработан метод ранжирования нагрузок по степени влияния их неопределенных параметров па устойчивость маловозмущешюго движения, позволяющий обеспечить необходимое уточнение модели при мшшмумс системных измерений.
Создан математический аппарат для аппроксимации закона модального управления, позволяющий резко сократить число измеряемых компонент в сигнале управления с сохранением эффективного воздействия на заданные формы колебании при относительно малом "побочном" воздействии па остальные.
На основе проведенных аналитических исследований п вычислительных экспериментов вскрыты физические основы и механп.-м возникновения НСК в протяженных больших энергообъединенпях. Уг ;на зависимость характеристик ИСК от структуры системы, ее параметров, а также параметров режима и средств регулирования.
На основе аналитических исследований и вычислительного -: < ;ри-мента выявлены динамические свойства дальних электропередач с УШР и определены требования к совместному регулированию реакторов по условиям статической устойчивости. Показан путь обеспечения устойчивости режимов с полными углами по электропередаче, превышающими 180 электрических градусов.
Практическая ценность и внедрение результатов работы. Разрабо-танные методы, алгоритмы и программное обеспечение позволяют решать комплекс научно-технических задач, связанных с анализом динамических свойств больших ЭЭС и дальних электропередач, оценкой пропускных способностей связей, Быбором "грубых" значений параметров автоматических регуляторов с целью обеспечения статической устойчивости и удовлетворительного демпфирования колебаний, а также синтезом нобых законов избирательного управления.
Разработанный программный комплекс ПОИСК позволяет решать указанные задачи как рутинные инженерные задачи при высокой степени автоматизации вычислений как в автономном режиме, так и при взаимодействии с другими электроэнергетическими программами.
Выявленные динамические свойства больших протяженных ЭЭС позволяют принимать правильные стратегические решения при развитии структуры системы и построении адекватного управления.
Выполненные в диссертации разработки явились составной частью исследований в рамках упомянутых государственной, отраслевой и межвузовской научно-технических программ.
Программный комплекс ПОИСК использовался при выполнении международных проектов по развитию ЭЭС Судана, Китая (по заданию ПИ и НИИ "Энсргосетыгроект", Москва) и Австралии. Комплекс внедрен и использован в ЦДУ ЕЭС России, ОАО "Псковэнерго". Его основные алгоритмы на MATLAB интегрированы в вычислительную систему энергокомпашш Electricity Transmission Authority (Австралия).
Разработки диссертации включены в курс "Переходные процессы в электрических системах" читаемый в СПбГТУ для специальностей 551700, 100200, 551702, 551703, в курсы "Математические модели технических объектов" для специальности 220400 и "Численный анализ" для специальностей 220400, 220300, 220400. Эта материалы использованы также в курсе "Small Signal Stability of Power Systems", читавшемся для студентов энергетиков в Sultan Quaboos University, Oman.
Апробаипя работы. Публикации. Основные результаты работы докладывались на: Всесоюзной конференции "Научные проблемы современного энергетического машиностроения и их решетіе"(Ленннград, 1987); Всесоюзном симпозігуме "Эффективность применения управляемых реакторов в энергосистемах" (Ленинград, 1989); Шестом Всесоюзном совещании "Вопросы устойчивости и надежности энергосистем СССР" (Душанбе, 1989); Всесоюзной научно-технической конференции (Киев, 1990); десятой паучпой конференции "Моделирование электроэнергетических систем" (Каунас, 1991); Научно-технической конференции "Проблемы машиностроения" (Ленинград, ВПИИЭлектромаш, 1991); Всесоюзном семинаре "Методы и программное обеспечение для расчета колебательной устойчивости энергосистем" (Ленинград, 1990); "The world energy system", first international meeting (StPetersburg, 1991); Всесоюзном совещании "Опыт проектирования, строительства н эксплуатации сетей сверхвысокого напряжения" (Москва, 1992); "9th International Power System Conference" (StPetersburg, 1994); Научной копферепцпп университетов Китая (Пекин, 1992); Совещании разработчиков и пользователей электроэнергетического программного обеспечения (Москва, ИДУ, 1994); Совместном семинаре департамента инженеров электриков Сиднейского университета и Electricity Transmission Authority (Австралия, Сидней, 1995); "International Symposium on Electric Power Engineering" (Sweden, Stockholm, 1995); 12th Power System Computation Conference (Germany, Dresden, 1996); Australian Power Engineering Conference (Australia, Sydney,
1996); IEEE Winter Meeting (USA, Baltimore, 1996); International Conference on Informatics and Control (St.Petersburg, 1997); научно-техническом семинаре "Результаты работы по программе Tacis, проект ERUS 9411" (Москва, ВНИИЭ, 1998); совместном сешшаре департамента инженеров электриков Султан Куабос универсистета и министерства электричества и воды Омана (Oman, Muscat, 1998).
По теме диссертации опубликовано 37 печатных работ. Библиографическое описание основных работ приведено в конце автореферата.
Структура работы и объем. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, двух приложений и списка литературы из 234 наименований. Основной текст изложен на 255 страницах, содержит 65 рисунков и 34 таблицы.
Автор глубоко признателен д.т.н., проф.|ИТА. Груздеву]и д.т.н., проф. СМ. Устинову за научные консультации и совместную работу по планированию исследований, нашедших отражение в данной работе.
Похожие диссертации на Управление собственными динамическими свойствами крупных энергообъединений и дальних электропередач
