Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор систем и регуляторов возбуждения бесщеточного синхронного генератора 13
1.1. Современные российские и зарубежные системы возбуждения 13
1.2. Развитие и совершенствование бесщеточных систем возбуждения 26
1.3. Регуляторы возбуждения сильного действия серии АРВ 31
Выводы по главе 1 35
ГЛАВА 2. Математическое описание бесщеточного синхронного генератора и системы возбуждения в составе энергосистемы 37
2.1. Математическая модель синхронного генератора в составе энергосистемы 37
2.2. Математическая модель бесщеточного диодного возбудителя 41
2.3. Математическая модель автоматического регулятора возбуждения АРВ-СДП1 43
2.4. Расчет параметров математической модели синхронного генератора в энергосистеме 45
2.5. Математическая модель энергосистемы в Matlab 51
Выводы по главе 2 53
ГЛАВА 3. Интеллектуальные системы управления возбуждением синхронных генераторов как технических объектов с ограниченной неопределенностью 54
3.1. Искусственный интеллект и системы возбуждения синхронных генераторов (аналитическая справка) 54
3.2. Необходимые сведения из теории нечетких систем 57
3.3. Алгоритм синтеза нечеткого регулятора 61
3.4. Исследование грубости и устойчивости нечетких систем управления динамическими объектами с ограниченной неопределенностью 63
3.5. Построение пакетных и комбинированных нечетких регуляторов 66
3.6. Алгоритм синтеза нейросетевого регулятора 69
3.7. Построение нейронечеткого регулятора 74
Выводы по главе 3 80
ГЛАВА 4. Разработка и исследование нечетких регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов 81
4.1. Постановка задачи оптимизации бесщеточной системы возбуждения 81
4.2. Исследование оптимальных законов управления при построении бесщеточной системы возбуждения 84
4.2.1 Выбор коэффициента усиления жесткой обратной связи по напряжению бесщеточного возбудителя 84
4.2.2. Синтез оптимальных регуляторов бесщеточных систем возбуждения 88
4.3. Разработка и исследование нечетких регуляторов бесщеточных систем возбуждения 91
4.3.1. Структура интеллектуальных бесщеточных систем возбуждения 91
4.3.2. Нечеткие регуляторы систем возбуждения бесщеточного генератора.. 93
4.3.3. Методика синтеза шггеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов 97
4.3.4. Сравнительное исследование эффективности структур нечетких регуляторов 100
4.3.5. Обучение нечетких регуляторов бесщеточной системы возбуждения 106
4.3.6. Формирование данных обучающей выборки нечетких регуляторов 108
4.3.7. Выбор формы функций принадлежности нечетких регуляторов 112
4.3.8. Выбор количества функций принадлежности нечетких регуляторов и оценка ресурсов обучения регуляторов Сугено различной структуры 115
4.3.9. Сравнение стандартных и субоптимальных настроек регуляторов с нечеткими регуляторами систем возбуждения бесщеточных генераторов 119
4.3.10. Оценка быстродействия бесщеточных систем возбуждения и энергозатрат на управление бесщеточным синхронным генератором 129
4.3.11. Реализация нечетких регуляторов в системах возбуждения 134
4.4. Исследование нейросетевых регуляторов бесщеточных систем возбуждения.. 134
4.5. Программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы 138
Выводы по главе 4 144
Заключение 146
Список литературы 148
- Современные российские и зарубежные системы возбуждения
- Математическая модель синхронного генератора в составе энергосистемы
- Искусственный интеллект и системы возбуждения синхронных генераторов (аналитическая справка)
- Выбор коэффициента усиления жесткой обратной связи по напряжению бесщеточного возбудителя
Введение к работе
Работа синхронного генератора в энергосистеме обеспечивается системой возбуждения, поэтому проблема построения регулятора возбуждения, гарантирующего устойчивость энергосистемы и обеспечивающего требуемое качество поддержания напряжения, инвариантность настроек к изменению режима работы генератора и сети, является актуальной, особенно в связи с постоянно растущими требованиями к качеству вырабатываемой электроэнергии. Объединение электроэнергосистем, строительство новых и модернизация уже существующих крупных гидро- и атомных электростанций, расширение присутствия российских производителей на мировом рынке электроэнергетической продукции и возрастающая конкуренция со стороны зарубежных производителей систем возбуждения требует разработки нового поколения цифровых систем возбуждения с реализацией на серийных микроконтроллерах. Необходимость разработки современных автоматических регуляторов возбуждения связана с требованием повышения эффективности алгоритмов управления и микроконтроллерной реализацией регулятора. Перспективными являются два направления исследований в области создания регуляторов возбуждения: развитие традиционных законов регулирования и использование интеллектуальных, в частности, нечетких и нейросетевых систем управления.
Бесщеточные системы возбуждения обеспечивают работу синхронных генераторов с максимально возможной на сегодня мощностью в диапазоне от 300 МВт до 1200 МВт, устанавливаемых на атомных и крупнейших гидроэлектростанциях. Недостатком бесщеточных систем является низкое быстродействие и качество поддержания режимных параметров синхронного генератора по сравнению со статическими тиристорными системами возбуждения. Разработка нечетких регуляторов системы возбуждения позволит улучшить динамические характеристики и точность поддержания режимных параметров бесщеточного синхронного генератора. В то же время разработка методик синтеза и структур нечетких систем возбуждения, исследование эффективности и устойчивости нечетких регуляторов является необходимым условием создания высокоэффективных нечетких систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора.
8 Цели и задачи диссертационной работы.
Развитие и исследование теоретических и прикладных вопросов синтеза
интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных
генераторов в составе энергосистемы, работающих в различных схемно-режимных
условиях.
Поставленная цель диссертации достигается на основе решения следующих задач:
оценка современного состояния и определение пути повышения эффективности систем возбуждения синхронных генераторов в направлении разработки полностью цифровых систем с реализацией интеллектуальных, в частности, нечетких алгоритмов регулирования возбуждения;
синтез нечетких регуляторов с обеспечением устойчивости и грубости при управлении объектами с ограниченной неопределенностью на основе предложенного подхода, основанного на применении квадратичных неравенств и концепции универсального аппроксиматора;
разработка методик синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора;
оптимизация коэффициентов усиления каналов регулирования для трех типов современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М и синтез в соответствии с предложенными методиками интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов с обоснованием выбора структуры и параметров системы возбуждения и разрабатываемых регуляторов;
сравнительное исследование эффективности работы и энергозатрат на управление разработанных интеллектуальных регуляторов со стандартными и субоптимальными регуляторами системы возбуждения бесщеточного генератора;
разработка программного комплекса моделирования систем возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы.
Методы исследования.
При решении поставленных задач использованы: математический аппарат современной теории автоматического управления, метод пространства состояний, метод функций Ляпунова, теория нечетких множеств, основные положения нечеткого
9 и нейросетевого управления, методы оптимизации, методы математического моделирования, программный пакет Matlab.
Основные научные результаты.
1. Подход, основанный на применении нечетких и нейросетевых моделей как
универсальных аппроксиматоров и квадратичных неравенств, характерных для
метода функций Ляпунова.
2. Методики синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения
бесщеточного синхронного генератора.
3. Нечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы,
разработанные для трех типов систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М.
4. Программный комплекс моделирования систем возбуждения синхронного
генератора в составе энергосистемы.
Новизна научных результатов.
1. Подход, основанный на применении нечетких и нейросетевых моделей как
универсальных аппроксиматоров и квадратичных неравенств, характерных для
метода функций Ляпунова, на основе которого получены в виде теорем результаты в
исследовании устойчивости и грубости интеллектуальных систем управления
динамическими объектами с ограниченной неопределенностью.
2. Методики синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения
бесщеточного синхронного генератора отличаются совместным использованием
алгоритмов оптимизации, методов нечеткого управления и нейросетевых алгоритмов,
что обеспечивает оптимальный выбор структуры и настройку всех параметров
нечетких, нейросетевых и нейронечетких регуляторов системы возбуждения.
3. Нечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы,
разработанные для трех типов систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М,
отличаются использованием при построении регулятора возбуждения пакетных и
комбинированных нечетких регуляторов с настройкой параметров с помощью
адаптивной нейронечеткой сети ANFIS.
4. Программный комплекс моделирования систем возбуждения синхронного
генератора в составе энергосистемы отличается тем, что охватывает полный цикл
10 проектирования, формирования структуры, оптимизации, обучения, моделирования, мониторинга, оценки и протоколирования результатов исследования традиционных и интеллектуальных систем возбуждения синхронных генераторов.
Достоверность научных выводов и рекомендаций.
Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата современной теории автоматического управления, метода пространства состояний, метода функции Ляпунов, теории нечетких множеств, основных положении нечеткого и нейросетевого управления, методов оптимизации, методов математического моделирования, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.
Практическая ценность работы.
Подтверждено применение нечетких алгоритмов управления для улучшения динамических характеристик, точности поддержания режимных параметров и энергосбережения систем возбуждения при изменении схемно-режимных условий работы бесщеточного синхронного генератора, а также для повышения качества вырабатываемой бесщеточным генератором электроэнергии.
Разработаны практически реализуемые нечеткие регуляторы различной структуры для трех типов современных российских систем возбуждения АРВ-СДПІ, АРВ-СДС и АРВ-М.
Программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы может быть использован для синтеза и исследования существующих и разрабатываемых перспективных интеллектуальных регуляторов статических тиристорных и бесщеточных диодных систем возбуждения синхронного генератора.
Результаты работы являются теоретической и алгоритмической базой для реализации на серийных микроконтроллерах высокоэффективных нечетких систем возбуждения бесщеточных генераторов для мощных энергогенерирующих объектов, обеспечивая конкурентоспособность российских систем возбуждения на внутреннем и мировом рынке электроэнергетической продукции.
Публикации: по теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - 4 статьи [18,33,36,40] (2 статьи включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК) и 8 работ - в материалах международных и межрегиональных научных конференций [5,19,20,21,30,34,35,68].
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста. Работа содержит 66 рисунков и 20 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определен круг решаемых задач, дана краткая характеристика работы и сформулированы цели и задачи исследований.
В первой главе представлен обзор и сравнение современных российских и зарубежных систем возбуждения синхронных генераторов. Дано краткое описание и общая структура бесщеточной системы возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы. Рассмотрено развитие, современное состояние и перспективы дальнейшего совершенствования бесщеточных систем и регуляторов возбуждения синхронных генераторов. Дан обзор регуляторов возбуждения сильного действия серии АРВ, используемых в отечественных системах возбуждения, и отмечены особенности западных систем возбуждения.
Во второй главе обоснован выбор математических моделей синхронного генератора, бесщеточного возбудителя, диодного преобразователя и системы возбуждения. На основе метода эквивалентирования внешней электрической сети станции построена модель бесщеточного синхронного генератора в составе энергосистемы для исследования внешнего движения. Представлены математические модели бесщеточной системы возбуждения и автоматического регулятора возбуждения АРВ-СДПІ. Выполнен расчет параметров установившихся режимов синхронного генератора в составе энергосистемы при изменении режимов работы и вариации внешнего реактивного сопротивления электросети. Модель бесщеточного синхронного генератора приведена к форме пространства состояний. Составлена модель системы возбуждения бесщеточного синхронного генератора в составе энергосистемы с помощью средств пакета Matlab.
В третьей главе дана разработка теоретических результатов для построения интеллектуальных регуляторов возбуждения бесщеточного генератора. Предложено применение квадратичных неравенств и универсального аппроксиматора как платформы синтеза и исследования нечетких регуляторов для систем управления техническими объектами с ограниченной неопределенностью. Проведен анализ устойчивости и грубости нечетких систем управления и синтез пакетных (с расширенной областью грубости) и комбинированных нечетких регуляторов, включающих традиционные регуляторы. Представлены разработки теоретических основ и алгоритмов синтеза нечетких, нейросетевых и нейронечетких регуляторов.
В четвертой главе отмечены проблемы оптимизации и повышения эффективности функционирования бесщеточных систем возбуждения и предложены пути их решения. Представлены результаты оптимизации стандартных регуляторов современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРМ-М. Сформулирована методика синтеза интеллектуальных регуляторов бесщеточных систем возбуждения. Анализируются различные структуры нечетких регуляторов систем возбуждения. Обосновывается выбор нечеткой системы Такаги-Сугено для синтеза нечетких регуляторов возбуждения бесщеточного генератора. В соответствии с предложенной методикой выполняется синтез нечетких и нейросетевых регуляторов систем возбуждения бесщеточного генератора средствами пакета Matlab. Исследуется и обосновывается выбор структуры, параметров и методов настройки нечетких регуляторов систем возбуждения. Рассматриваются вопросы формирования обучающей выборки и пути повышения качества настройки и обучения нечетких регуляторов. Выполняется сравнительное исследование в среде Matlab разработанных нечетких регуляторов с нейросетевыми, стандартными и субоптимальными регуляторами систем возбуждения бесщеточного генератора в составе энергосистемы. Даны оценки качества вырабатываемой бесщеточным генератором электроэнергии, быстродействия систем возбуждения и энергозатрат на управление бесщеточным генератором в различных схемно-режимных условиях работы энергосистемы. Даны практические рекомендации реализации нечетких регуляторов в современных системах возбуждения. Представлен разработанный программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы.
Современные российские и зарубежные системы возбуждения
С 70-х годов ТГ мощностью от 100 до 500 МВт оснащались высокочастотной СВ. Проводится модернизация этих систем с заменой аппаратуры, выполненной на магнитных усилителях, полупроводниковым регулятором АРВ-СДП1 и ТП, из схемы исключен подвозбудитель (рис. 1.3) [51]. Ток ротора СГ складывается из токов двух диодных мостов, питаемых от вращающегося возбудителя и от трансформаторов компаундирования (ТК).
Перечислены только основные типы СВ. Выпускаются и другие системы, особенности которых отмечаются далее при сравнительном анализе современных российских и зарубежных СВ.
На электростанциях повышенной мощности особое внимание уделяется надежности работы силового и регулирующего оборудования. Применение в СВ различных схем резервирования и дублирования АРВ, СУТ и ТП, а также включение специальных блоков контроля и диагностики в состав регуляторов возбуждения, позволяет существенно повысить надежность работы генерирующего оборудования и предотвратить переход системы в аварийные режимы [44,51].
По степени резервирования СВ делятся на: Одноканальные. Состоят из преобразователя и его системы управления. Двухканальные. Имеют 100%-й резерв по силовому оборудованию и по системе управления. ТП выполняется либо по схеме с параллельными мостами общим количеством п + т, где и - количество мостов, несущих номинальную нагрузку, am- количество избыточных мостов, либо по схеме с двумя параллельными ТП, один из которых работает, а второй находится в "горячем резерве" и используется в схеме со 100%-м резервированием. Гашение поля генератора производится переводом ТП в инверторный режим или устройством гашения поля. Модульная конструкция, как силовой, так и регулирующей и управляющей электроники позволяет согласовывать и адаптировать СВ ко всем требуемым рабочим характеристикам и параметрам. Перспективным СВ должны быть характерны: более быстрое нарастание возбуждения, более быстрое гашение возбуждения, а также более высокие динамические регулировочные характеристики. Высокое быстродействие и предельные уровни напряжения и тока возбуждения в сочетании с эффективными законами управления, ограничениями параметров и стабилизации в СТС обеспечивают высокое качество регулирования и большие запасы устойчивости энергосистемы, возможны очень быстрые изменения тока возбуждения, которые являются большим преимуществом для эксплуатационных свойств синхронной машины. СТН обладает важным преимуществом - ее параметры не зависят от процессов, протекающих в энергосистеме. Благодаря такой конструкции СТН обеспечивает: независимость возбуждения от длительности и удаленности КЗ и других возмущений в энергосистеме, высокую скорость нарастания напряжения возбуждения, быстрое снятие возбуждения за счет изменения полярности напряжения возбуждения. При исключении из СВ вращающегося подвозбудителя сокращается общая длина турбоагрегата, а также необходимая площадь машинного помещения. Не возникает механических нагрузок на вал со стороны устройства возбуждения. Статическое возбуждение выпрямителем тока позволяет непрерывно регулировать напряжение возбуждения от нуля до положительного и отрицательного максимума. Применение бесщеточных возбудителей в СБД благодаря их главному достоинству -отсутствию скользящего контакта в цепи обмотки ротора ТГ, позволяет обеспечить возбуждение сверхмощных машин, в то же время бесщеточная система уступает в быстродействии статическим системам и требует множества совместно вращающихся электронных элементов, которые подвергаются воздействию большой центробежной силы. Современные российские и зарубежные системы возбуждения. Увеличение длины линий электропередач и передаваемой по ним электрической мощности привело к необходимости повышения быстродействия СВ и разработки системных стабилизаторов (СС). В отечественных СВ для этих целей используется СС сильного действия с каналами регулирования по частоте напряжения, производной частоты и производной тока возбуждения. Краткий обзор регуляторов возбуждения сильного действия серии АРВ, используемых в отечественных СВ, представлен в разделе 1.3. Здесь отметим особенности регуляторов, применяющихся в зарубежных СВ. В первых СС западного образца (Power System Stabilizer, PSS) регулирование осуществлялось по скорости вращения вала генератора. Однако, из-за собственной частоты крутильных колебаний вала возникали колебания по основному движению, демпфирование которых ухудшалось с увеличением коэффициента усиления СС [50]. Дальнейшие исследования законов и параметров стабилизации привели к созданию нескольких вариантов западных СС: по отклонению и производной скорости вала, по отклонению частоты напряжения генератора и ускоряющей мощности, по ускоряющей мощности и ее интегралу. Задачами комбинации двух параметров СС так же, как и в отечественных регуляторах серии АРВ, являются компенсация фазовых сдвигов измерительной части устройства и восстановление идеальной по фазе частоты напряжения генератора или частоты ЭДС генератора [51]. Западные системные стабилизаторы типа PSS можно подразделить на: Одноканальные. В качестве канала регулирования используют или частоту вращения вала (PSS-ДЙУ), или частоту напряжения генератора (PSS-ДД или ускоряющую мощность (PSS-ДР). Каждый из регуляторов по отдельности хорошо демпфирует колебания в диапазоне частот до 1 Гц. Двухканальные. СС согласно стандарту PSS2A [64] используют в качестве первого канала регулирования ускоряющую мощность генератора, а в качестве второго - либо частоту вращения вала, либо частоту напряжения генератора. Двухканальные СС более эффективны, чем одноканальные, и обеспечивают демпфирование электромеханических колебаний в более широком диапазоне частот.
Математическая модель синхронного генератора в составе энергосистемы
Регуляторы возбуждения серии АРВ предназначены для работы в СВ синхронных машин: гидрогенераторов, ТГ, генераторов-двигателей гадроаккумулирующих станций, генераторов с газотурбинным приводом и синхронных компенсаторов со статической нереверсивной СВ [108]. Регулятор совместно с быстродействующей СВ выполняет большое число разнообразных системных, технологических, защитных функций, а также функции самоконтроля и диагностики. Основные функциональные возможности СВ с регуляторами серии АРВ приведены в разделе 1.1 в таблице 1.1.
С начала 50-х годов велись разработки серии регуляторов АРВ аналогового типа (АРВ-СД, 1970 г; АРВ-СДП, 1977 г.). Последним полупроводниковым регулятором аналогового типа стал регулятор АРВ-СДП1. Он представляет собой компактный, высокотехнологичный специализированный аналоговый измерительно-вычислительный комплекс, дополненный релейной аппаратурой. АРВ-СДП1 структурно отличается частотно-зависимой характеристикой канала регулирования напряжения, что повышает качество поддержания напряжения, увеличивает устойчивость регулирования и инвариантность настроек к изменению режима работы генератора и сети за счет динамического снижения коэффициентов усиления по отклонению напряжения в области частот собственных колебаний. Выпускаются четыре модификации АРВ-СДП 1 для работы в составе одного и двухгрупповых СВ генераторов обычного исполнения и обратимых агрегатов ГАЭС [51].
В начале 80-х годов были созданы опытные образцы цифровых регуляторов АРВ-СДЦ на базе микро-ЭВМ и АРВ-СДМ на базе комплекса микропроцессорных средств управляющей вычислительной техники МСУВТ-В7 [51]. В последние десять лет разработка новых цифровых регуляторов серии АРВ ведется на базе современных микроконтроллеров.
В настоящее время ЗАО "Неваэлектромаш" совместно с НИИ "Электромаш" выпускает полупроводниковые регуляторы серий АРВ-СДП1, АРВ-СДМ1 и регуляторы серии АРВ-СДС селективного типа [108]. Регулятор серии АРВ-СДМ1 является модификацией регулятора АРВ-СДП1. Регулятор серии АРВ-СДС имеет три канала регулирования: канал, работающий в режиме выдачи генератором реактивной мощности; канал, работающий в режиме потребления реактивной мощности; канал регулирования тока возбуждения. Выбор работающего канала осуществляется автоматически с помощью селектора. Таким образом, регулятор может иметь различные настройки в режимах выдачи реактивной мощности и ограничения максимального возбуждения. Технологические ограничения режимов работы генератора осуществляются с помощью регулятора тока.
АО «Электросила» разработан микропроцессорный цифровой регулятор серии АРВ-М [26,110], который выполняет системные, технологические функции, функции управления ТП, мониторинг, сервисные функции, а также имеет встроенные функции самоконтроля, диагностики и формирования массивов аварийной информации. В систему управления встроен унифицированный пульт оператора, связанный по каналу обмена информацией с регуляторами, что позволяет выводить на него значения параметров системы регулирования, изменять настройки в заданных пределах, контролировать состояние входных и выходных сигналов регулятора, получать диагностическую информацию. Для поддержки наладочных работ при вводе СВ в эксплуатацию, а также проверки СВ в процессе эксплуатации, предусмотрен специальный тестовый режим работы регулятора, имеющий возможность непосредственного управления с пульта состоянием выходных дискретных сигналов регулятора и задания угла управления ТП. Для испытаний СВ предусмотрен режим ручного регулирования тока возбуждения.
За прошедшие пятьдесят лет традиционные в нашей стране регуляторы возбуждения сильного действия серии АРВ постоянно совершенствовались конструктивно и функционально: от первых ПД регуляторов на электронных лампах до быстродействующих микропроцессорных регуляторов в составе цифровых СВ повышенной надежности. Статические системы возбуждения из-за наличия щеточно-контактного узла не могут обеспечить требуемые токи возбуждения синхронных генераторов повышенной мощности. Бесщеточные системы возбуждения позволяют существенно повысить предельно-допустимые уровни токов в обмотке возбуждения мощных синхронных генераторов, однако быстродействие таких систем снижается из-за наличия совместно-вращающегося на валу бесщеточного возбудителя. Повышение быстродействия бесщеточной системы достигается включением жесткой обратной связи возбудителя и повышенной кратности напряжения возбуждения возбудителя. 2. В бесщеточных системах большое внимание уделяется контролю вращающегося возбудителя. Серия разработанных устройств бесконтактного контроля выполняет не только контроль целостности токовых ветвей выпрямителя, но и осуществляет защитные функции системы возбуждения и обеспечивает измерение тока ротора. 3. Практика разработки и производства систем возбуждения, как в нашей стране, так и за рубежом показала, что основополагающим принципом построения системы возбуждения является унификация силового оборудования, измерительно-преобразующих блоков и регуляторов возбуждения. Особое внимание уделяется надежности, использование резервирования оборудования и внедрение двухканальных систем являются эффективными средствами повышения надежности систем возбуждения. 4. Анализ продаж и внедрения различных типов систем возбуждения ведущими российскими производителями показал, что в последние годы сохраняется тенденция увеличения количества вводимых в эксплуатацию бесщеточных систем возбуждения, что обусловлено как дальнейшим развитием атомной энергетики и увеличением установленных мощностей силовых агрегатов гидроэлектростанций, так и совершенствованием самих бесщеточных систем возбуждения, которые по своим эксплуатационным характеристикам все больше приближаются к статическим системам. 5. Современные автоматические регуляторы возбуждения развиваются по пути повышения эффективности алгоритмов управления и микроконтроллерной реализацией регулятора. Ведутся разработки регуляторов возбуждения с различными интеллектуальными свойствами, это в первую очередь адаптивные и робастные регуляторы, известны примеры исследования нечетких и неиросетевых системных стабилизаторов. Применение интеллектуальных регуляторов в цифровых открытых системах является прогрессивным направлением развития систем возбуждения, поэтому основное внимание при разработке системы регулирования бесщеточного генератора уделено созданию и оптимизации интеллектуальных, в частности нечетких, регуляторов возбуждения. 6. Отечественные системы возбуждения серии АРВ с регуляторами «сильного действия» не только не уступают западным образцам, но и по функциональным возможностям превосходят их, поэтому при разработке бесщеточной системы в качестве базовых выбраны именно современные российские системы возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС производства НИИ «Электромаш» и АРВ-М производства АО «Электросила».
Искусственный интеллект и системы возбуждения синхронных генераторов (аналитическая справка)
Широкое использование современных методов теории автоматического управления применительно к регулированию возбуждения синхронных генераторов (СГ) определяется двумя основными причинами: изменением схемно-режимных условий работы СГ и необходимостью качественного демпфирования послеаварийных электромеханических колебаний в энергосистеме.
Как показано во второй главе модель бесщеточного СГ в составе энергосистемы может быть записана в виде - постоянная и известная матрица. Символ () обозначает набор внутренних и внешних факторов, отражающих ограниченное влияние нелинейностей и внешней среды. если приведенные к входу технического ОУ возмущения являются по предположению локально ограниченными функциями (равномерно по t); Л Д,- некоторые постоянные матрицы (например, с номинальными значениями элементов). Параметры СГ, как объекта регулирования в энергосистеме, значительно меняются в зависимости от режима работы, что обуславливает необходимость перенастройки коэффициентов усиления автоматического регулятора возбуждения (АРВ) [51]. Дополнительные трудности в настоящее время связаны с работой СГ в ночные часы в режиме недовозбуждения в отличие от преобладающих раньше режимов перевозбуждения. Для поддержания устойчивой работы коэффициенты усиления АРВ также должны меняться.
Можно выделить три основных пути решения: развитие традиционных частотных методов при построении робастного управления [39], применение адаптивного подхода [55, 84] и построение регуляторов на основе методов искусственного интеллекта [61,62,70,73-79,81,86,93,101].
Известно, что адаптивные системы отличаются негрубой сходимостью алгоритмов адаптации. Перспективным представляется использование интеллектуального управления при построении и реализации оптимальных и адаптивных регуляторов [62,93]. Интеллектуальные системы управления возбуждением СГ основаны на нечетких [70,73-79,86] и/или нейросетевых [61,62,81,93,101] структурах регуляторов.
Принципы нечеткого управления для формирования базы знаний (блока правил) сочетаются в [70,74,76-79] с экспертным подходом, в [96] - с оптимальным управлением, в [62,81] - с нейронными сетями (НС) при построении регуляторов возбуждения. На основе нечетких алгоритмов в [74] построен автоматический регулятор напряжения (АРН), в [70,76-79] - системный стабилизатор (СС), в [86] -АРН и СС. Для формирования нечеткого закона управления в [86] и построения НС в [61,101] дополнительно использована ОС по производной активной мощности. НеЙросетевые регуляторы [61,62,93,101] строятся с использованием сети прямого распространения.
В последнее десятилетие использованию нечеткого управления в энергетике посвящены работы ряда научно-исследовательских центров [62,74,76-78,86,92,101]. В сравнении с традиционным цифровым регулятором по результатам лабораторных исследований нечеткий АРН обеспечивает подавление помех (Department of Electrical Engineering South Dakota School of Mines and Technology RAPID City) [74]. Исследование моделированием энергосистемы Тайваня с включением нечеткого СС на одном генераторе показало эффективность предложенного управления по сравнению с bang-bang регулятором: уменьшение после трехфазного КЗ времени переходного процесса в 2 раза до 0.6 с, уменьшение интегрального квадратичного критерия качества как для регулируемого, так и для нерегулируемых генераторов (Department of Electrical Engineering, National Taiwan Institute of technology Taipei) [62]. Наиболее интенсивные работы по применению HP для регулирования возбуждения СГ и наиболее значительные результаты получены японскими учеными (University of Osaka Prefecture, Kumamoto University, Central Research Institute of Electric Power Industry, Japan) [76-78,86]. Согласно лабораторным результатам исследований нечеткого СС по сравнению со стандартным стабилизатором обеспечивается повышение предела динамической устойчивости на 9%, подтверждены робасшые свойства СС при изменении нагрузки генератора [76-78]. Испытания на электродинамической модели нечеткого АРВ, состоящего из нечеткого АРН и нечеткого СС подтвердили возможность повышения предела динамической устойчивости СГ при использовании нечеткого подхода на 20% [86].
Исследования интеллектуальных регуляторов возбуждения СГ выполнены в основном зарубежными специалистами и ориентированы на традиционную на западе структуру СС. Использование принципов нечеткого управления применительно к структуре АРВ сильного действия отражено в [9,70], где исследовалась эффективность применения нечеткого СС (НСС) в трех случаях. В первом случае НСС введен в канал частоты напряжения АРВ с входными сигналами по отклонению и производной частоты напряжения и одним результирующим сигналом управления. Во втором случае рассматривалась возможность введения в НСС обратных связей по отклонениям частоты напряжения и электромагнитной мощности генератора. Такая структура НСС наиболее близка к западным НСС [76-79]. В третьем случае оценивалось действие НСС с ОС по отклонению и производной напряжения. АРВ включает ОС по отклонению частоты напряжения, по производной тока возбуждения и по напряжению возбуждения. Эффективность предложенных способов и структур управления оценивалась в упомянутых работах по результатам моделирования. Работы [74,78] включают проверку на физической модели. В работе [62,86] приведены результаты экспериментов в энергосистеме.
Важным фактором, определяющим возможность реализации интеллектуальных управляющих систем, служит развитие средств аппаратной поддержки [15]: спецпроцессоров поддержки языков программирования высокого уровня и интеллектуальных баз знаний, спецпроцессоров для интеллектуального интерфейса и средств обработки нечеткой и лингвистической информации. Таким образом, использование методов искусственного интеллекта является перспективным на пути создания АРВ, грубого к изменяющимся схемно-режимным условиям работы СГ.
Выбор коэффициента усиления жесткой обратной связи по напряжению бесщеточного возбудителя
Как показано в первой главе, ведущие производители СВ при разработке новых решений стремятся наделить свои системы различной степенью интеллектуализации (таблица 1.1), а нечеткие системы являются одним из наиболее перспективных подходов к синтезу систем управления сложными динамическими объектами. Методы нечеткого управления нашли свое применение в самых различных областях промышленности, в том числе в электроэнергетике, однако вопросы проектирования и практической реализации нечетких регуляторов (HP) в СВ до сих остаются достаточно сложной задачей [9,17,38,53,70,74,90,92,100]. Основной трудностью при проектировании нечетких систем является формирование базы правил и настройка параметров ФП. Для такого сложно объекта управления как БСГ эта проблема стоит особо остро из-за сложной динамики системы и множества каналов регулирования. Выполненный в рамках третьей главы анализ существующих структур СВ с HP показал, что в системе с нечеткими алгоритмами управления в случае больших и малых возмущений ожидается уменьшение времени переходных процессов и повышение демпфирования электромеханических колебаний, расширится область статической устойчивости. Разрабатываемый HP возбуждения должен повысить устойчивость энергосистемы в режиме глубокого недовозбуждения.
В системах возбуждения блок форсировки, блок обеспечения минимального возбуждения, система ограничения и защиты определяются в основном предельно допустимыми параметрами силового оборудования, технологическими режимами работы СГ, электросетью и другими факторами, поэтому, как правило, эти подсистемы и их параметры выбираются заранее и не меняются в процессе эксплуатации СВ. Применение HP эффективно в РН и СС [2,69,73,75-78,80].
Разработка структур HP для СВ сильного действия серии АРВ связана с возможностью построения пакетных и комбинированных HP и HP возбуждения (НАРВ), объединяющего функции нечеткого РН (НРН) и нечеткого СС (НСС). Два функциональных блока определяют 4 основных варианта построения HP для систем возбуждения (рис. 4.8). В общем случае вместо HP может быть использован любой другой интеллектуальный регулятор, например, нейросетевой [61,81,101]. На рисунках 4.9-4.13 представлены блок-схема регулятора СВ (рис 4.9), HP возбуждения НАРВ (рис. 4.10), нечеткий РН (рис. 4.11), нечеткий и нейросетевой СС (рис. 4.12), пакетный НСС (рис. 4.13). В структуре регулятора возбуждения в качестве основных блоков можно выделить РН (Voltage Regulator) и СС (System Stabilizer), а также блок, объединяющий функции РН и СС (Full Regulator). Структура исследуемого регулятора возбуждения формируется согласно установкам значений соответствующих селекторов Regulator_Structure_Choice, Full_Regulator_Type_Choice, VoItage_ReguIator_Type_Choice, System_StabiIizer__Type_Choice. Блоки Process_Data_Saving используются для формирования обучающих выборок, а также в системе мониторинга и протоколирования результатов моделирования. Методика позволяет выполнять оптимизацию стандартных регуляторов и синтезировать интеллектуальные регуляторы статических тиристорных и бесщеточных диодных СВ, а именно: нечеткие, нейросетевые и нейронечеткие РН и СС, а также интегрированные регуляторы, сочетающие в одном блоке функции РН и СС. Общая схема методики представлена на рисунке 4.14. Красным цветом отмечены разрабатываемые регуляторы, оранжевым - их вид. Бежевым цветом отмечены основные этапы методики, последовательность выполнения которых определяется направлениями связывающих их стрелок. Зеленым цветом - возможные опции выбора методов, алгоритмов, параметров, требований, напрямую влияющие на выполнение основных этапов методики и определяющие ее гибкость при синтезе необходимых разработчику регуляторов. Желтым цветом показаны параметры, которые задаются для детального уточнения содержания связанных с ним элементов. 1. На основе технической документации и математических моделей основных составных компонентов электроэнергетической системы составляются модели СГ, бесщеточного возбудителя (если предполагается его использование) и СВ, а также формируется система мониторинга и оценки энергосистемы. Все составляющие согласуются и интегрируются в рамках единой модели энергосистемы, учитывающей все особенности используемого оборудования, в том числе его резервирование. Выбирается базовая СВ, для которой проектируется регулятор. 2. Выбираются режимы работы энергосистемы. Рассчитываются параметры модели СГ в исследуемых режимных точках, выбранных в рабочей области. 3. С помощью пользовательского интерфейса или файла инициализации задаются все необходимые параметры и ограничения силового и регулирующего оборудования, выбирается тип СВ и предполагаемые возмущающие воздействия, которые должен эффективно отрабатывать стандартный или интеллектуальный регулятор. 4. Выполняется моделирование энергосистемы и данные мониторинга используются для формирования базы данных измерений и расчета показателей качества. В соответствии с установленными требованиями, предъявляемыми к работе системы формируется функционал эффективности работы энергосистемы, по которому будет выполняться оптимизация коэффициентов усиления стандартного регулятора. Например, с помощью NCD-оптимизации или другого алгоритма. Рассчитанные таким образом коэффициенты могут быть непосредственно использованы в базовой СВ в блоках РН и СС. 5. Если требуется разработка интеллектуального регулятора, то сначала выбирается его вид; нечеткий, нейро-нечеткий или нейросетевой. Для нечеткого регулятора выбирается его тип согласно используемому механизму нечеткого логического вывода (Мамдани, Цукамото, Сугено), формируется структура и настраиваются параметры, а затем регулятор включается в соответствующий блок СВ. Нейро-нечеткие и нейросетевые регуляторы после формирования структуры настраиваются в процессе обучения в соответствии с предъявляемой обучающей выборкой, которая формируется из базы данных мониторинга, и также включаются в состав СВ. 6. Выполняется моделирование энергосистемы с разработанными регуляторами и оценивается эффективность их работы, например, по сравнению со стандартными или зарубежными регуляторами. Анализируется устойчивость и грубость энергосистемы. Решается вопрос об оптимизации структуры регулятора возбуждения, использования интегрированных, пакетных или комбинированных структур интеллектуальных регуляторов.
