Содержание к диссертации
Введение
1. Основные подходы и методы в управлении синхронными генераторами 10
1.1. Синхронный генератор как объект управления 10
1.2. Основные структуры систем управления синхронными генераторами 20
1.3. Методы управления в синтезе адаптивных регуляторов систем возбуждения 27
1.3.1. Адаптивное управление и синтез регуляторов систем возбуждения синхронных генераторов 27
1.3.2 Метод нечеткого управления в синтезе регулятора синхронного генератора 39
1.3.3. Нейросетевой подход в синтезе регулятора синхронного генератора 42
Выводы по I главе 47
2. Адаптивные регуляторы для управления системами с ограниченной неопределенностью 48
2.1. Обзор реализаций адаптивных регуляторов 48
2.2. Обоснование безынерционных алгоритмов адаптаций 54
2.2.1 Алгоритм безынерционной сигнальной адаптации 54
2.2.2 Алгоритм безынерционной параметрической адаптации 57
2.3. Практические схемы адаптивных регуляторов 60
2.3.1. Адаптивная система с настраиваемой моделью и безынерционным сигнальным алгоритмом 60
2.3.2. Адаптивная система с настраиваемой моделью и алгоритмом безынерционной параметрической адаптации 62
Выводы по II главе 64
3. Грубость адаптивных алгоритмов в условиях влияния нелинейной динамики сложных объектов 65
3.1. Об устойчивости адаптивных процессов при прохождении значений нестационарных параметров ОУ через бифуркационные значения 65
3.2 Вид бифуркационных процессов в синхронных генераторах с энергосистемой 67
3.3. Известные подходы в ограничении хаотических аттракторов 70
3.4. Моделирование ограничения хаотического аттрактора СГ на основе безынерционной параметрической адаптации 76
Выводы по III главе 81
4. Построение и исследование адаптивного управления синхронным генератором 82
4.1. Структура системы возбуждения синхронного генератора 82
4.2. Система возбуждения синхронного генератора с сигнальным алгоритмом адаптации 85
4.3. Система возбуждения синхронного генератора с безынерционным алгоритмом адаптации 86
4.4. Моделирование системы возбуждения синхронного генератора с алгоритмом сигнального типа 88
4.5. Моделирование синхронного генератора с безынерционной адаптации 96
Выводы по IV главе 101
Заключение 102
Список литературы
- Методы управления в синтезе адаптивных регуляторов систем возбуждения
- Алгоритм безынерционной параметрической адаптации
- Вид бифуркационных процессов в синхронных генераторах с энергосистемой
- Система возбуждения синхронного генератора с безынерционным алгоритмом адаптации
Методы управления в синтезе адаптивных регуляторов систем возбуждения
Одним из основных направлений в развитии электроэнергетики с введением в жизнь трехфазной системы токов становится применение все более мощных генераторов электрической энергии. На электрических станциях основным видом источника переменного тока является синхронный генератор с приводом от паровой или гидравлической турбины (турбогенератор). Синхронный генератор (СГ) может работать автономно или в энергосистеме и параметры его изменяются в зависимости от изменения нагрузки, режимов работы и других воздействий. Изменение параметров СГ, особенно по напряжению и частоте, может вызвать работу энергосистемы вблизи границы колебательной устойчивости Мощный синхронный генератор [53,55]. Поэтому в структуре системы возбуждения СГ всегда присутствует автоматический регулятор возбуждения (АРВ) для обеспечения стабильной динамики по переменным напряжения и частоты СГ [2,24,27]. Однако «наилучшая/номинальная» настройка регуляторов АРВ производителями выставляется только в единственном варианте - для номинального режима работы СГ, -то есть,- режима выдачи активной мощности. В случае режимов выдачи (перевозбуждение) и потребления (недовозбуждение) реактивной мощности при этих настройках качественная динамика, как правило, не сохраняется.
Схема включения мощного синхронного генератора в энергосистему представляется на рис .1.2, где UГ, UC -напряжения синхронного генератора и сети, Xl - сопротивление линии передачи, или внешнее сопротивление,
В реальности нагрузка энергосистемы значительно изменяется и может также вызвать потерю устойчивости по напряжению сети и нежелательные влияния на другие потребители. Стандартный автоматический регулятор возбуждения, построенный на пропоцианально-дифференциальных связях не обеспечивает постоянство времени быстродействия и формы динамических процессов СГ. Поэтому основной задачей является повышение качества работы СГ в составе энергосистемы современными методами управления [8,22,28,82].
Модели синхронного генератора (нелинейные, линеаризованные, эквивалентные и их особенности). Для решения задачи управления синхронным генератором необходимо иметь его математическую модель. Сопротивление линии и трансформаторов могут быть включены в сопротивление статора генератора, тогда задача сводится к исследованию переходных процессов в генераторе, непосредственно подключенном к шинам неизменного напряжения [9].
При составлении системы дифференциальных уравнений, которая описывает синхронный генератор, предполагается, что все магнитные потоки, пронизывающие обмотки машины, состоят из двух независимых составляющих: продольной и поперечной. При этом э.д.с., напряжения и токи также рассматриваются как представленные из двух составляющих. Уравнения были предложены Р.Х.Парком (30-е годы, Америка) и А.А.
Горевым (СССР) для идеализированной электрической машины: ненасыщенной (не имеющей гистерезиса), обладающей полной симметрией обмоток статора и синусоидальным распределением намагничивающих сил в зазоре. Принятые допущения позволяют рассматривать электрическую машину как определенное сочетание магнитосвязанных электрических контуров (обмотки ротора, фазные обмотки статора, демпферные обмотки) [2,75].
Для синхронных генераторов, имеющих обмотку возбуждения, имеется определенное количество 0....nd эквивалентных короткозамкнутых контуров в продольной оси (d ) и определенное количество 0...nq эквивалентных короткозамкнутых контуров в продольной оси (q) Уравнения Парка – Горева в именованных единицах можно записать в следующем виде [2,28потокосцепление по продольной и поперечной осям; id, iq - ток статора по продольной и поперечной осям; ir- ток возбуждения; г,гг,ггЛ,ггк - активное сопротивление обмотки статора, обмотки возбуждения, z-го продольного и к-го поперечного демпферных контура; Ld,Lq - индуктивности обмотки статора в продольной и поперечной осях; Lr, Lrdi, Lrqk - индуктивности обмотки возбуждения, /-го продольного и -ого поперечного эквивалентных демпферных контуров; Mad, Ма - взаимная индуктивность любой пары контуров в осях d, q; Ufd - напряжение возбуждения; Q = v - угловая скорость вращения ротора, р - число пары полюсов СГ, Мм t - механический момент турбины.
Количество уравнений вида (1.4) и (1.9) определяется числом эквивалентных демпферных контуров в оси d СГ, а уравнений вида (1.5) и (1.10) - числом демпферных контуров в оси q. Если nd и (или) nq равно нулю, соответствующие уравнения и суммы токов демпферных контуров исключаются из системы уравнений.
Для системы уравнений Парка - Горева (1.1-1.11) можно выполнить линеаризацию и их преобразование, при этом получаем упрощенную систему модели синхронного генератора. Чтобы упростить и линеаризовать систему уравнений, делается ряд допущений [2,43]: - демпфирующие факторы не учитываются; - активное сопротивление обмотки статора не учитывается;
Алгоритм безынерционной параметрической адаптации
При совершенствовании структуры регулятора отдано предпочтение стабилизации по изменению частоты и первой производной частоты напряжения. Затем, в начале 70-х годов появился унифицированный регулятор АРВ-СД для всех типов синхронных машин в составе различных типов систем возбуждения, выпуск которого продолжался до 1983 года. АРВ-СД осуществлял ПД-регулирование напряжения статора с фиксированным коэффициентом по отклонению напряжения. Стабилизация режима обеспечивалась сигналами изменения и первой производной частоты напряжения статора, а также первой производной тока ротора. Предусматривался охват возбудителя жесткой и гибкой обратной связями по напряжению ротора. АРВ-СД имел ряд дополнительных функций по защите генератора автоматизации технологических процессов [83,86].
С начала 2000-х годов заводом «Электросила» разработаны и поставлены на производство цифровые системы возбуждения на базе микропроцессорных автоматических регуляторов серии AVR1. За 14 лет развития выпущено 4 поколения автоматических регуляторов возбуждения, архитектура построения управляющей и регулирующей части систем возбуждения также постоянно изменялась и совершенствовалась.
Регуляторы первых серий типа AVR-М и AVR-2М применялись в системах возбуждения до 2008-2009 года и представляли собой набор микросхем на кассетах, размещенных в металлическом корпусе. Для этих регуляторов было характерно большое разнообразие исполнений отдельных кассет регулятора, чем достигалась адаптация АРВ под нужды конкретной электростанции и типа используемой системы возбуждения. Существовали исполнения для высокочастотных систем возбуждения, систем возбуждения для асинхронизированных турбогенераторов, бесщеточных систем возбуждения и так далее. Совместно с основным АРВ в системе возбуждения обычно устанавливался дополнительный контроллер одного из ведущих мировых
Материал любезно предоставила компания "Силовые машины", Санкт-Петербург. производителей. Контроллер нес на себе вспомогательные функции, реализовал человеко-машинный интерфейс, а также позволял дополнить регулирующие возможности АРВ рядом технологических функций.
Начиная с третьей серии АРВ типа AVR-3М, разработанного в 2007 году, развитие регулятора возбуждения пошло по пути интеграции регулирующих и технологических функций в едином блоке, кассетное исполнение регулятора ушло в прошлое. Адаптация АРВ выполнялась конфигурированием программного обеспечения регулятора, был усовершенствован интерфейс с пользователем, стали применяться большие сенсорные дисплеи, промышленные компьютеры, выносные блоки ввода вывода аналоговых и цифровых сигналов. В современных системах возбуждения отдельные защитные устройства системы возбуждения такие как устройство защиты ротора и трансформатора возбуждения, устройство контроля вращающегося выпрямителя реализованы на отдельных программируемых контроллерах. Обмен информацией между контроллерами, панелью управления и регуляторами осуществляется по сети Ethernet через концентраторы сети или отдельными дискретными сигналами.
В современных системах возбуждения встроена аварийная регистрация параметров генератора, возбуждения и переменных состояния системы возбуждения. Данные аварийного регистратора сохраняются на флэш-карту промышленного компьютера и доступны для скачивания через станционную сеть. Аварийный регистратор обеспечивает регистрацию аналоговых и дискретных сигналов. В 2013 году была разработана и внедрена в производство четвертая серия АРВ типа AVR-4М, основными особенностями которых является поддержка управления тиристорными преобразователями по оптоволоконным линиям связи, а также возможность перекрестного управления тиристорными мостами. Это позволило повысить надежность системы возбуждения. Теперь в традиционной двухканальной системе возбуждения любой АРВ может управлять любым из двух тиристорных преобразователей.
Методы управления в синтезе адаптивных регуляторов систем возбуждения. Общая методология синтеза и исследования алгоритмов адаптации базируется на систематическом применении метода функций Ляпунова с выбором функций в классе квадратичных форм. Целесообразность такого ограничения объясняется тем, что задача получения необходимых и достаточных условий существования функций Ляпунова в этом классе становится, как правило, разрешимой, превращаясь в чисто алгебраическую задачу. Использованы две основные системы с моделями: с эталонной и настраиваемой моделями. Эти системы обладают концептуальным сходством, и предпочтение одной из них определяется только их особенностями. Использованы основные цитируемые источники
Адаптивное управление и синтез регуляторов систем возбуждения синхронных генераторов. Адаптивное управление — совокупность методов теории управления, позволяющих синтезировать системы управления, которые имеют возможность изменять параметры регулятора или структуру регулятора в зависимости от изменения параметров объекта управления или внешних возмущений, действующих на объект управления. Адаптивное управление позволяет эффективно управлять и повышать качество функционирования объектами с неопределенностью. К настоящему времени имеется определенный задел в разработке адаптивных систем различного назначения [12,14]. Однако адаптивные разработки не всегда приспособлены к реальным объектам, где практически отсутствует возможность в изменении структуры регулятора и остается только вариант введения дополнительных сигналов управления. Разработке адаптивных стратегий, как правило, сопутствует проблема получения полного вектора состояния управляемого объекта. В адаптивной постановке указанная проблема и построение законов управления целесообразно решать совместно, что и принято в работе [42,55,65].
Адаптивное управление реализуется в соответствии с двумя главными структурами - структура адаптивной системы с эталонной моделью (АСЭМ) и адаптивной системы с настраиваемой моделью (АСНМ) [12,13,14,74]. В принципе для адаптивного управления, в обеих структурах используются рассогласования между выходными сигналами объекта и модели, обрабатываемыми алгоритмами для настройки параметры и/или для формирования адаптирующих сигналов.
Вид бифуркационных процессов в синхронных генераторах с энергосистемой
В настоящем параграфе приводится синтез АСНМ на базе безынерционных алгоритмов. Как известно, в адаптивных системах с идентификацией вырабатываемая информация в результате идентификации непосредственно используется для адаптивного управления, и вследствие этого структура АСНМ оказывается более удобна в реализации. Для структур АСНМ с безынерционным сигнальным алгоритмом появляется возможность "перевести" процесс адаптации из основного контура управления, где находится объект управления (ОУ) в контур идентификации с линейной моделью управляемого объекта. Вспомогательная система выбирается как в предыдущем разделе с некоторыми усредненными параметрами AQ,B0 объекта, А0- не обязательно
Отсюда естественно использовать в управлении сигнал & для компенсации r(x,u,t), осредняя (п.2.2.1) компоненты вектора z с помощью фильтров с малой постоянной времени т. Из условия максимальной скорости убывания функции Ляпунова выберем сигнал управления z
1. Для синтеза адаптивных алгоритмов для управления синхронным генератором обоснован метод функций Ляпунова.
2. Недостатком адаптивной системы с эталонной/настраиваемой моделью и параметрической адаптации является то, что невозмущенное движение е = 0, дА = 0, 8В = 0 экспоненциально устойчиво по переменным e(t) равномерно по е0, но по переменным 8А, 8В имеется только устойчивость по Ляпунову, что указывает на негрубость сходимости процессов параметрической адаптации.
3. В сигнальных алгоритмах идентификации процесс представлен разрывной функцией, поэтому для использования его в качестве адаптивного необходимо введение малоинерционного фильтра. . Однако сходимость адаптивного процесса имеет характер диссипативности. Доказано, что размер предельного множества прямо зависит от значения параметра фильтра.
4. Параметрическая безынерционная адаптация обладает асимптотической (здесь, экспоненциальной) сходимостью процессов с нулевым временем адаптации, грубой к неучтенным возмущениям r/(t) = 0 и любым параметрическим отклонениям. Этот алгоритм предпочтителен для практического применения. Беспрепятственно реализуется и универсален для управления техническими объектами.. Об устойчивости адаптивных процессов при прохождении значений нестационарных параметров объекта управления через бифуркационные значения.
Для исследования и оценки качества нелинейных динамических систем, сначала обычно определяют их равновесные точки, потому что качество динамики системы зависит от количества равновесных точек [40,47]. На самом деле, количество и положение равновесных точек изменяются и зависят от изменений нескольких параметров системы. Иначе говоря, изменение параметра, который называется управляющим, вызывает потерю устойчивости одного состояния системы и переход к другому, качественно отличному от прежнего состоянию [48,49]. Это явление называется бифуркацией, а значение параметра, при котором это происходит называется точкой бифуркации (бифуркационное значение) [3,4,7]. Основы математической теории бифуркаций были созданы А. Пуанкаре и A. M. Ляпуновым в начале ХХ века, а затем развиты некоторыми школами. Теория бифуркаций находит приложения в разных науках, начиная от физики и химии, заканчивая биологией и социологией. С помощью теории бифуркаций можно предсказать характер движения, возникающего при переходе системы в качественно иное состояние, а также область существования системы и оценить ее устойчивость. С позиций математики, бифуркация представляется собой смену топологической структуры разбиения фазового пространства динамической системы на траектории при малом изменении ее параметров [84]. Это определение опирается на понятие топологической эквивалентности динамических систем: две системы топологически эквивалентны, если они имеют одинаковую структуру разбиения фазового пространства на траектории, если движения одной из них могут быть сведены к движениям другой непрерывной заменой координат и времени [5,6]. В момент времени, когда система находится вблизи точки бифуркации, огромную роль начинают играть малые возмущения значений ее параметров. Эти возмущения могут носить как чисто случайный характер, так и быть целенаправленными. Именно от них зависит, по какой эволюционной ветви пойдет система, пройдя через точку бифуркации [50,56]. То есть, если до прохождения точки бифуркации, поведение системы подчиняется детерминистским закономерностям, то в самой точке бифуркации решающую роль играет случай.
Свойства точки бифуркации [6,20,51] Непрогнозируемость. Обычно точка бифуркации предваряет несколько ветвей аттрактора (устойчивых состояний системы), в одно из которых перейдет система. Однако заранее невозможно предсказать, какой новый аттрактор займт система. Это связано с природой времени - невозможно так синхронизировать внутренние состояния элементов системы, чтобы достоверно определить, в каких состояниях они будут в момент, когда система достигнет точки бифуркации.
Точка бифуркации носит как правило кратковременный локальный характер относительно разделяемых ею более длительных устойчивых состояний системы.
При оценке или проектировании автоматических систем управления, всегда существуют следующие задачи; оценка устойчивости процесса управления, быстродействия системы; определение ограничений параметров управления; исследование работы системы под действием сигнала управления и другие, в том числе оценка устойчивости процесса управления представляет собой очень важную задачу. Устойчивость процесса управления отражается устойчивостью автоматической системы, оптимальность и адаптивность алгоритма управления, который использован в системе [60]. Во второй главе показана способность адаптивного алгоритма управления на основе безынерционной адаптации для технических объектов, но для полной оценки эффективности адаптивных процессов, необходимо рассмотреть устойчивость алгоритма при прохождении значений управляющего параметра через бифуркационные значения. Это значит, что необходимо оценить эффективность адаптивного алгоритма до и после появления бифуркации. Устойчивость адаптивных процессов для объекта управления подтверждается для следующих вариантов [77]: при подключении адаптивного регулятора после возникновения бифуркация объект управления устойчиво работает [46,65].
Последние несколько десятилетий отмечены возрастающим интересом к системам, испытывающим хаотическое поведение. Такие системы встречаются, как оказалось, очень часто, т.к. подобное поведение проявляется при изменении параметров систем, описываемых обыкновенными дифференциальными уравнениями с нелинейной частью весьма простого вида. А такими уравнениями описываются процессы, например, в нелинейной оптике, задачах биологии и экологии, радиотехнике и электронике и т.д. В этих областях проводится много исследований посвященных этой проблеме, выпускаются журналы, проводятся конференции [6,17].
Система возбуждения синхронного генератора с безынерционным алгоритмом адаптации
Из результатов моделирования видно, что переходные характеристики СГ с адаптацией (время переходного процесса 3,5 – 4,5 с.) на рис. 4.11 локализованы в достаточно узкой окрестности кривых, что намного лучше переходных характеристик СГ без адаптации.
В отличие от инерционных градиентных алгоритмов, предложенный алгоритм обладает экспоненциальной сходимостью, а, следовательно, грубостью, и является безынерционным, поскольку выработан в виде алгебраического уравнения. Моделированием подтверждена достаточная грубость адаптивного алгоритма как способность алгоритма «собирать» в узкую окрестность кривые переходных процессов по напряжению и частоте при значительных изменениях параметров синхронного генератора.
1. На основе безынерционных сигнальных и параметрических алгоритмов построены структуры адаптивных регуляторов для систем возбуждения синхронным генераторам ТГВ-300.
2. Переходные процессы СГ с безынерционным сигнальным адаптивным регулятором обеспечивают стабильное время переходных процессов (2-3) с. во всех режимных условиях, что намного лучше переходных процессов СГ с штатным АРВ: разброс по времени составляет (2-ь9,5)с.
3. Адаптивная система управления синхронным генератором с безынерционным алгоритмом адаптации обеспечивает узкую локализацию (почти, совпадения) переходных процессов синхронного генератора при значительных вариациях его параметров, что можно обобщить как свойство адаптивного управления с усиленной грубостью.
1. В виду решения задачи демпфирования только электромеханических процессов, выбраны и обоснованы основные исследовательские модели синхронного генератора, записанные на основе уравнений Парка - Горева в форме дифференциальных уравнений с выполнением процедур упрощения и понижения порядка. Структурные схемы моделей синхронного генератора адаптированы для моделирования в пакете MatLab/Simulink.
2. В разработках автоматических регуляторов возбуждения остаются базовыми методы линейной теории управления в синтезе алгоритмов управления, причем используются исключительно стандартные ПД- законы. Однако в задачах управления синхронным генератором с неопределенностью (параметрическими возмущениями) эти методы малоэффективны.
3. Для стабилизации динамических характеристик синхронного генератора с системой возбуждения в различных режимных условиях наиболее целесообразно введение адаптивного управления на основе систем с моделями и безынерционными алгоритмами. Применение интеллектуальных методов управления (нейронные сети и нечеткие системы) на данной стадии развития АРВ еще не оправданно в виду их сложности в синтезе и дальнейшей эксплуатации.
4. Недостатком адаптивных алгоритмов в схемах с эталонной/настраиваемой моделью и параметрической адаптации является то, что сходимость алгоритмов невозмущенное экспоненциально устойчиво по переменным ошибки, но по процессам параметрической адаптации имеется только устойчивость по Ляпунову, что указывает на негрубость сходимости процессов параметрической адаптации.
5. В сигнальных алгоритмах идентификации/адаптации процесс представлен разрывной функцией, поэтому для использования его в качестве адаптивного управления необходимо введение усредняющего (малоинерционного) фильтра. Однако сходимость адаптивного процесса имеет характер диссипативности. Доказано, что размер предельного множества прямо зависит от значения параметра фильтра.
6. Синтезированный закон безынерционной параметрической адаптации обладает асимптотической (здесь, экспоненциальной) сходимостью процессов с нулевым временем адаптации, грубой к неучтенным возмущениям и любым параметрическим отклонениям. Алгоритм предпочтителен для практического применения, так как беспрепятственно реализуется и универсален для управления техническими объектами.
7. Для подавления бифуркационных процессов в синхронных генераторах целесообразно использовать регуляторы, которые построены на основе адаптивного управлении. Адаптивный регулятор на основе безынерционной параметрической адаптации эффективно (до полного исчезновения) подавляет бифуркацию в синхронных генераторах.
8. Адаптивная система управления синхронным генератором с безынерционным параметрическим алгоритмом обеспечивает узкую локализацию (почти, совпадение) переходных процессов синхронного генератора при значительных вариациях его параметров, что можно считать такое свойство как адаптивное управление с усиленной грубостью.