Разработка и исследование систем управления фазоповоротными устройствами, работающими в активно-адаптивных электрических сетях Рожков Александр Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА 1. Моделирование работы фпу в составе интеллектуальной сети 17

1.1 Моделирование режимов работы линии электропередачи с установленными ФПУ 17

1.2 Обобщенная модель ФПУ для расчета режимов работы линии электропередачи 22

1.3 Передаточные и регулировочные характеристики ФПУ 30

1.4 Модель системы управления ФПУ 37

1.5 Модель энергосистемы для анализа режимов работы ФПУ 41

1.6 Применение моделей СУ и ФПУ для расчета электрических режимов работы линии электропередачи 45

1.7 Сравнение различных методов расчета режимов работы линии электропередачи 49

1.8 Выводы по главе 1 54

ГЛАВА 2. Разработка и исследование адаптивных алгоритмов управления ФПУ . 55

2.1 Особенности реализации адаптивного управления ФПУ 55

2.2 Верификация параметров моделей ФПУ и энергосистемы в местах установки ФПУ 56

2.2.1 Методика проведения экспериментальной верификации 57

2.2.2 Верификация параметров обобщенной модели и передаточных функций ФПУ 58

2.2.3 Верификация параметров модели энергосистемы 60

2.2.4. Расчет регулировочных характеристик ФПУ 62

2.3. Разработка и исследование алгоритма адаптации режима работы ФПУ 63

2.3.1 Алгоритм адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи. 63

2.3.2 Интеграция алгоритма адаптации в общий алгоритм работы системы управления ФПУ. 2.4 Анализ работы алгоритма адаптации в среде PSCAD. 68

2.5 Исследование функциональных возможностей алгоритма адаптации 81

2.6 Выводы по главе 2 84

ГЛАВА 3. Реализация системы управления фпу с адаптивными алгоритмами . з

3.1 Система управления, регулирования, защиты и автоматики ФПУ. 86

3.1.1 Основные функции СУ ФПУ 86

3.1.2 Способы управления тиристорным коммутатором переменного тока

3.1.2.1 Способы управления без прерывания тока тиристорного моста 95

3.1.2.2 Способ управления с прерыванием тока тиристорного моста 100

3.1.3 Техническая реализация СУРЗА 103

3.2 Особенности построения СУ ФПУ с адаптивными алгоритмами работы 108

3.3 Программно-аппаратное обеспечение алгоритма адаптации СУ ФПУ 110

3.4 Обобщенный алгоритм работы СУ ФПУ 117

3.5 Выводы по главе 3 125

ГЛАВА 4. Экспериментальное исследование работы фпу на физической модели линии электропередачи . 127

4.1 Физическая модель линии электропередачи для исследования влияния ФПУ

на режимы работы энергосистемы 127

4.2 Экспериментальное исследование работы ФПУ на физической модели линии электропередачи 135

4.2.1 Цели и задачи экспериментальных исследований 135

4.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований 136

4.2.3 Исследование процесса адаптации управления ФПУ на физической модели лини электропередачи 139

4.2.3.1 Определение параметров обобщенной модели ФПУ и передаточных характеристик 140

4.2.3.2 Определение параметров двухмашинной модели линии электропередачи 142

4.2.3.3 Определение регулировочных характеристик ФПУ 142

4.2.3.4 Исследование работы алгоритмов адаптации СУ ФПУ 143

4.3 Выводы по главе 4 150

Заключение 151

Список сокращений и условных обозначений 153

Список литературы 154

• Передаточные и регулировочные характеристики ФПУ
• Методика проведения экспериментальной верификации
• Способы управления тиристорным коммутатором переменного тока
• Экспериментальное исследование работы ФПУ на физической модели линии электропередачи

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одним из приоритетных

направлений научно-технического прогресса в энергетическом секторе по направлению «Электроэнергетика» является создание интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения («интеллектуальные сети» – «Smart Grids»). Реализация положений концепции «интеллектуальной сети», более распространенной в России как «активно-адаптивная сеть», позволит: повысить надежность электроснабжения потребителей, повысить эффективность использования электроэнергии, снизить общую стоимость доставки электричества, увеличить стабильность и качество подачи электричества, увеличить гибкость подачи питания и многое другое.

Одним из средств, создающих основу для практической реализации
активно-адаптивных сетей, является развитие и внедрение в энергосистему
технологии гибких (управляемых) систем электропередач переменного тока –
FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems). Технология FACTS
подразумевает использование в составе энергосистемы управляемых устройств
силовой электроники с целью воздействия на режимы работы линий
электропередачи. Наряду со множеством устройств технологии FACTS,
фазоповоротные устройства (ФПУ) являются одними из перспективных
устройств, способных осуществлять управляемое воздействие на режимы
работы линии электропередачи. Реализация ФПУ с коммутаторами на основе
полупроводниковых приборов силовой электроники наделяет ФПУ

дополнительными функциями, способствующими интеграции ФПУ в состав активно-адаптивной сети.

Принцип действия ФПУ заключается в создании дополнительной
комплексной вольтодобавки в месте его установки в составе энергосистемы.
Интеграция ФПУ в состав активно-адаптивной сети подразумевает
автоматическое и своевременное регулирование параметров вольтодобавочного
напряжения ФПУ в целях установления, либо поддержания требуемого режима
работы. Реализация подобных функций подразумевает формирование
соответствующих управляющих воздействий на ФПУ посредством

интеллектуальных систем управления (СУ) ФПУ при изменении параметров
режима линии электропередачи. Под параметрами режима линии

электропередачи понимаются исходные данные для источников энергии и нагрузок, определяющие электрический режим работы линии электропередачи. Таким образом, применение СУ ФПУ, способных адаптировать свое управляющее воздействие к изменению параметров режима линии электропередачи, является необходимым условием для использования ФПУ в составе активно-адаптивной сети.

Степень разработанности темы исследования. Вопросам

проектирования, применения ФПУ, в том числе построения их СУ посвящено множество работ ученых России и зарубежья. В известных работах авторы уделяют большое внимание вопросам регулирования перетоков мощности в энергосистеме с помощью ФПУ, выбору оптимальных мест их установки,

моделирования режимов работы ФПУ, а также вопросам демпфирования колебаний мощности в энергосистеме с помощью ФПУ и построения СУ, реализующих и подобные функции. Вопросы интеграции ФПУ в состав активно-адаптивных систем и построения интеллектуальных СУ ФПУ в рассмотренной литературе практически не затрагиваются.

В России в настоящее время вопросами проектирования, исследования режимов работы ФПУ и построения их СУ активно занимаются сотрудники ОА «ЭНИН» совместно с коллективом кафедры Промышленная электроника ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ». Проведенный цикл работ создал основу для реализации надежных, быстродействующих ФПУ, способных работать при любых режимах работы линии электропередачи и при этом эффективно регулировать параметры режима работы энергосистемы. Тем не менее, вопрос интеграции ФПУ в состав активно-адаптивной сети на сегодняшний день остается открытым, так как нерешенной остается проблема построения таких СУ ФПУ, способных адаптировать свое управление к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи и формировать актуальные управляющие воздействия.

Объектом исследования в работе являются СУ ФПУ, предметом – разработка подходов к реализации алгоритмов адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование СУ ФПУ, реализующих функции адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи с целью интеграции ФПУ в состав активно-адаптивной сети.

Задачи диссертации. Поставленная цель достигается решением следующих задач:

1. Разработкой и исследованием обобщенной модели ФПУ, устанавливающей связи между входными и выходными токами и напряжениями при различных законах управления ФПУ. Получением аналитических выражений, описывающих передаточные и регулировочные характеристики для обобщенной модели ФПУ. Разработкой подхода к определению параметров обобщенной модели ФПУ для различных схем построения ФПУ.

2. Обоснованием выбора модели линии электропередачи, используемой при реализации алгоритмов адаптивного управления ФПУ.

3. Проведением исследований влияния ФПУ на режимы работы линии электропередачи с использованием моделей ФПУ и линии электропередачи.

4. Разработкой методов определения параметров моделей ФПУ и линии электропередачи из экспериментальных данных о режимах работы линии электропередачи в конкретном месте установки ФПУ.

5. Разработкой и реализацией алгоритма адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи.

6. Созданием экспериментальной установки для исследования режимов работы на физических моделях ФПУ и линии электропередачи.

7. Исследованиями работы СУ ФПУ с адаптивными режимами работы на экспериментальной установке.

Научная новизна:

7. Получена обобщенная модель ФПУ, корректно отображающая соотношения между токами и напряжениями на входах и выходах при различных законах управления ФПУ. Разработан подход к определению параметров обобщенной модели ФПУ для различных схем его построения.

8. Предложен подход к верификации параметров моделей ФПУ и линии электропередачи на основе экспериментальных данных о токах и напряжениях на входах и выходах ФПУ в конкретном месте его установки в линии электропередачи.

9. Разработан способ адаптации управления ФПУ, заключающийся в актуализации регулировочной характеристики ФПУ при изменении параметров режима линии электропередачи (патент на изобретение РФ №2631973 от 29.09.17).

Практическая значимость работы:

10. Предложенные решения по разработке и интеграции алгоритма адаптации управления ФПУ в общий алгоритм работы СУ ФПУ создают основу для практического применения ФПУ в активно-адаптивных сетях.

11. Разработана и реализована экспериментальная установка, содержащая физическую модель линии электропередачи и ФПУ класса напряжения 10кВ, мощностью 0.52 МВА, позволяющая исследовать работу ФПУ в составе активно-адаптивной сети. Физическая модель линии электропередачи позволяет изменять параметры режима линии электропередачи. В экспериментальном образце ФПУ реализована СУ с адаптивным управлением.

12. Предложена схема построения СУ ФПУ, позволяющая повысить надежность и управляемость ФПУ за счет применения в СУ блока мониторинга процессом коммутации тиристорного коммутатора ФПУ (патент на полезную модель РФ №151550 от 16.09.14).

13. Предложенный алгоритм адаптации и СУ ФПУ внедрены по соглашению с Минобрнауки России № 14.579.21.0045 от 26.08.2014г. Физическая модель линии электропередачи внедрена по Договору №4/15 от 24.12.2015 на НИОКР с ПАО «ФСК ЕЭС».

Методы исследования базируются на фундаментальных положениях
теоретических основ электротехники, преобразования и передачи

электрической энергии в электрических сетях, методах имитационного моделирования в программных пакетах MATLAB&Simulink и PSCAD, экспериментальных исследований на физической модели.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты разработки и исследования обобщенной модели ФПУ.
Аналитические выражения, описывающие соотношения между токами и
напряжениями на входах и выходах обобщенной модели для различных схем
построения ФПУ. Аналитические выражения для передаточных и

регулировочных характеристик обобщенной модели ФПУ.

2. Подход к экспериментальному определению значений параметров моделей линии электропередачи и ФПУ в конкретном месте установки ФПУ в линии электропередачи.

3. Алгоритм адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи.

4. Система управления ФПУ с адаптацией управления к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи.

5. Результаты исследований на экспериментальной установке, подтверждающие адекватность и эффективность разработанных в рамках диссертации решений.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата, а также совпадением в пределах погрешности основных результатов, полученных на основе аналитических выражений, с результатами моделирования в среде PSCAD и натурного эксперимента на физической модели линии электропередачи.

Внедрение результатов работы.

1. Разработанные алгоритмы адаптации управления ФПУ лежат в основе прикладного программного обеспечения реализованной системы управления экспериментального образца автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности на базе ФПУ, разрабатываемого и изготовляемого АО «ЭНИН» в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы» на основании Соглашения АО «ЭНИН» и Минобрнауки России № 14.579.21.0045 от 26.08.2014г. «Разработка автоматизированного узла регулирования транспортных потоков мощности в интеллектуальной распределительной электрической сети (RFMEF157914X0045)».

2. Реализованная физическая модель линии электропередачи использовалась для тестирования и исследования работы малогабаритного устройства продольной компенсации, разрабатываемого и изготовляемого АО «ЭНИН» по заказу ПАО «ФСК ЕЭС» в рамках Договора №4/15 от 24.12.2015 НИОКР «Исследование и разработка опытного образца малогабаритного устройства распределенной продольной компенсации для ЛЭП 220 кВ с выбором и обоснованием пилотного объекта внедрения»

Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались на:

3. Заседаниях и научно-технических семинарах кафедры «Промышленная электроника» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2016, 2017 гг.

4. XX, XXI, XXII и XXIII Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика», г. Москва, 2014 – 2017 гг.

5. 17-ой и 18-ой международной конференции молодых специалистов «International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices». г. Новосибирск, 2016, 2017 гг.

4. 16-ой и 17-ой международной конференции «IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering». г. Флоренция, Италия, 2016 г., г. Милан, Италия, 2017г.

5. 58-ой международной научной конференции «Power and Electrical Engineering», г. Рига, Латвия, 2017г.

6. 11-ой международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «ЭНЕРГИЯ-2016». г. Иваново 2016г.

7. Международной научно-практической заочной конференции «Глобализация науки: проблемы и перспективы», г. Уфа, 2014 г.

8. Международной научно-практической заочной конференции «Наука сегодня: история и современность». г. Вологда, 2016.

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 17 печатных трудах, из них 2 статьи в рецензируемых журналах из перечня ВАК РФ, 4 статьи в журналах, входящих в международные системы цитирования (Scopus, Web of Science), 1 статья в сборнике трудов, индексируемом в РИНЦ, 1 статья в зарубежном издательстве, 7 тезисов конференций. Имеется 2 объекта интеллектуальной собственности (патент на изобретение и патент на полезную модель).

Личный вклад автора состоял в разработке обобщенной модели ФПУ, разработке методов определения параметров моделей ФПУ и модели линии электропередачи, выводе аналитических выражений для регулировочных характеристик ФПУ, разработке алгоритмов адаптации управления ФПУ, проектировании и реализации программно-аппаратных решений СУ ФПУ, разработке и реализации физической модели линии электропередачи и экспериментального образца ФПУ, планировании, проведении и интерпретации экспериментальных исследований, участии в обсуждении и анализе полученных результатов, а также в написании научных публикаций по результатам работы и апробации ее результатов.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 165 страницах, имеет 42 иллюстрации, 21 таблицу, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 главы результатов работы, заключение, список сокращений и условных обозначений, список литературы (95 позиций) и 3 приложения на 14 страницах.

Передаточные и регулировочные характеристики ФПУ

Концепция интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью подразумевает, что устройства, работающие в подобной сети, будут обладать достаточным быстродействием и интеллектуальной системой управления (СУ), чтобы была возможность реагирования на всевозможные возмущения и изменения режимов работы энергосистемы. Подобные функциональные возможности устройств позволят предотвращать нежелательные и аварийные режимы. Фазоповоротные устройства (ФПУ) являются одним из эффективных инструментов воздействия на режимы работы энергосистемы [6, 9, 12, 15, 95], и в случае удовлетворения требованиям активно-адаптивной сети, способно повысить ее эффективность за счет управляемого воздействия на режимы работы энергосистемы.

Принцип действия всех ФПУ можно свести к реализации последовательного включения в линию дополнительной вольтодобавки, регулируемой в общем случае как по модулю, таки по фазе. Следствием регулирования введенной вольтодобавки является изменение параметров режима работы энергосистемы (токов и напряжения линии, передаваемых уровней мощностей, мощностей потерь). Интеграция ФПУ в состав активно-адаптивной сети подразумевает автоматическое и своевременное регулирование параметров вольтодобавочного напряжения ФПУ. Для этого необходимо формировать управляющее воздействие посредством СУ ФПУ при изменении параметров режима энергосистемы, вызванных колебаниями нагрузки, характерных как для суточных, так и для сезонных временных интервалов. Поэтому разработка и дальнейшая реализация такой СУ ФПУ, способной адаптировать свое управляющее воздействие при изменении параметров режима линии электропередачи, является необходимым условием интеграции ФПУ в состав активно-адаптивной сети.

Однако, разработка и отладка подобных интеллектуальных СУ ФПУ, предшествующая их интеграции в сеть, становится проблематичной, так как объектами управления таких СУ являются устройства, рассчитанные на мощности десятки и сотни МВА, а их сборка и подключение осуществляется непосредственно в месте эксплуатации устройства. Тестирование подобных устройств усугубляется тем фактом, что речь идет об устройствах, предназначенных для работы в составе единой взаимосвязанной энергосистемы, неполадки и аварии на одном из участков которой могут сказаться на работе всей системы в целом.

Одним из эффективных подходов к разработке и отладке подобных устройств, их СУ, совместной работы СУ и силовой части является моделирование, которое может реализовать имитацию всевозможных режимов работы как самого устройства, его СУ, так и участка энергосистемы, в котором планируется установка. Важным этапом, предшествующим моделированию, является разработка моделей и расчет их параметров. Очевидно, что в зависимости от требований, предъявляемых к быстродействию, функционалу и результатам моделирования, будут меняться и сами модели, каждая из которых будет иметь свои достоинства и недостатки.

Физическое моделирование позволяет получить наиболее достоверные из всех возможных способов моделирования результаты, так как они будут получены с учетом всех свойств, параметров и особенностей моделируемого объекта. Однако, реализация физического моделирования возможна только после создания прототипа моделируемого объекта и организации условий проведения экспериментов, при этом фиксация результатов моделирования может потребовать специальной аппаратуры. Все перечисленные мероприятия зачастую требуют значительных финансовых и временных затрат, поэтому физическое моделирование оправданно на тех этапах разработки устройств, когда исследуемый объект достаточно изучен и известно его поведение при различных условиях работы, а во время экспериментов требуется лишь оценить справедливость проведенных расчетов и исследований, а также выявить особенности функционирования устройства в определенных условиях работы.

Имитационное моделирование не требует стольких финансовых затрат, по сравнению с физическим, но при этом позволяет получить не менее достоверные и полные результаты моделирования. Очевидно, что полнота и достоверность полученных в результате имитационного моделирования результатов будет напрямую зависеть от степени детализации модели: чем больше учитывается параметров и особенностей объекта моделирования, тем более достоверными и полными будут результаты, при этом быстродействие, вероятнее, будет падать. Так, например, имитационная модель ФПУ с выводом средней точки сериесного трансформатора, представленная в [22, 50] позволяет рассчитать и проанализировать электромагнитные процессы как в самом ФПУ, так и режимы работы в энергосистеме при воздействии на нее управляемого ФПУ. Данная модель позволяет получить исчерпывающие численные результаты моделирования, достаточные для анализа работы конкретной топологии построения ФПУ и ее влияния на энергосистему. В случае необходимости анализа других топологий построения ФПУ и анализа степеней влияния их на режимы работы энергосистемы, необходимо будет создавать новые имитационные модели для каждой из топологий и повторять эксперименты, что создает определенные трудности при анализе и сопоставлении результатов моделирования работы различных устройств.

Результаты аналитического моделирования могут помочь решить проблему одновременного анализа и сопоставления различных вариантов построения объекта моделирования. Так, в [4, 50, 77] приведена аналитическая модель ФПУ, с помощью которой можно детально проанализировать электромагнитные процессы в оборудовании ФПУ во всех режимах его работы, при этом в параметрах модели можно учитывать возможное разнообразие топологий ФПУ. Недостатком подобного способа моделирования является сложность получения полного конечного результата, сложность структуры полученных выражений, которые не всегда могут быть получены в аналитической форме.

Методика проведения экспериментальной верификации

Анализ влияния управляемых ФПУ на режимы работы линии электропередачи предполагает использование разработанных обобщенной модели ФПУ и модели СУ в составе модели линии электропередачи и/или энергосистемы. Существуют различные комплексные пакеты программ, позволяющие проводить расчеты режимов работы энергосистемы – MATLAB, PSCAD, PSpice, в том числе и специализированные, такие как RastrWin, RTKZ, PowerFactory, «Планирование», «Мустанг» и т.д. [2, 21, 32, 33]. Перечисленные программы могут использовать различные варианты моделей энергосистемы, отличающиеся друг от друга различными параметрами: функционалом, назначением, быстродействием и т.д. Как правило, модели энергосистем, используемые в специализированных пакетах программ, имеют сложную структуру и учитывают избыточное количество параметров, на которые не способно повлиять ФПУ. Таким образом, модель энергосистемы для анализа режимов работы ФПУ должна быть с одной стороны простой, чтобы была возможность наглядной демонстрации влияния работы ФПУ на режимы работы энергосистемы, с другой стороны, структура и состав модели должны учитывать достаточное количество параметров энергосистемы, чтобы были отражены физические процессы, происходящие в линии электропередачи.

Во многих статьях, посвященных работе ФПУ в составе энергосистеме [67, 68, 69, 86, 79, 80, 93], модель энергосистемы представлена частью ее структуры, и представляет набор нескольких генераторов электроэнергии и распределённую нагрузку. Анализ влияния ФПУ на режимы работы в подобной модели энергосистемы осложняется с увеличением количества узлов энергосистемы, а при малом их количестве результат может быть недостоверным

В трудах [57, 60, 78, 81, 85, 91], в которых также исследуется работа ФПУ, авторы используют модели энергосистемы, учитывающие инерционность генераторов и турбин, вырабатывающих электроэнергию. Подобный подход к моделированию энергосистемы обусловлен спецификой рассматриваемого в статьях вопроса – влиянию ФПУ на устойчивость энергосистемы, который в данной работе не рассматривается. В то же время, в работах [81, 85, 90] используются простые модели энергосистемы, содержащие всего два источника электроэнергии, однако их параметры предлагается определять сложными и громоздкими выражениями, учитывающими как параметры турбин генераторов, так и передаваемые мощности, что в рамках данной работы лишь усложнит анализ.

При анализе влияния ФПУ на режимы работы энергосистемы нет необходимости расчета всей энергосистемы, так как влияние ФПУ, как правило, ограничивается той линией, в которой ФПУ установлено. Влияние на режимы работы энергосистемы является уже следствием изменения режима работы линии с ФПУ. К тому же, анализ и моделирование большой части энергосистемы затрудняет расчет и ухудшает быстродействие.

Таким образом, достаточно будет знать степень влияния ФПУ на линию, которой оно установлено, но при этом, учитывать текущие параметры режима работы всей энергосистемы. Такой подход позволит максимально упростить модель энергосистемы, учитывая при этом основные физические процессы в ней. Описанный подход к моделированию энергосистемы упрощенно представлен на рис.1.10а, показывающий, что всю сеть относительно узлов подключения ФПУ можно представить двумя независимыми энергосистемами – ЭС1 и ЭС2. Рис.1.10 а) Упрощенная модель энергосистемы с установленным ФПУ; б) Эквивалентная двухмашинная модель энергосистемы с установленным ФПУ Каждая из энергосистем на рисю1.10а может быть охарактеризована независимыми параметрами: эквивалентными ЭДС (Ёъ Ё2) и эквивалентными сопротивлениями (гъг2) (рис.1.9б), которые будут учитывать текущий режим работы всей энергосистемы. Модель, представленная на рис.1.10б является известной эквивалентной двухмашинной моделью энергосистемы и используется в качестве модели для изучения электромеханических переходных процессов в энергосистемах с электростанциями соизмеримой мощности, представление которых одномашинной моделью не позволяет получить качественно верные результаты.

Полная система уравнений, описывающая переходные электродинамические процессы в схеме рис. 1.10б включает в себя множество подсистем дифференциальных уравнений, включая движения роторов генераторов каждой из эквивалентных энергосистем; характеристики изменения мощности турбины от времени, учитывающие инерционность механических перемещений элементов турбин; процессы в обмотках и системах автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов и т.д. [16, 18, 22, 44, 49, 54]

Моделирование электродинамических процессов с помощью этих подсистем предусмотрено в промышленных программных комплексах, предназначенных для анализа режимов электроэнергетических систем, и позволяет определить статическую и динамическую устойчивость энергосистемы [22].

Однако, для целей расчета и анализа режимов работы ФПУ в составе энергосистемы необходимо определить режим работы после установления всех переходных процессов. Тем более, двухмашинная система для исследования режимов работы ФПУ, получена путем ее эквивалентирования, что сильно затрудняет составление всех подсистем дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы во всех элементах энергосистем.

Для расчетов установившихся процессов, принимаются следующие упрощения: 1. Генераторы имеют постоянные ЭДС и относительные углы фазового сдвига. Поскольку действие ФПУ практически не влияет на режим генерации в энергосистемах (между которыми установлено ФПУ), а влияет лишь на перераспределение сгенерированных потоков мощности по параллельным линиям электропередач, то можно принять, что система АРВ генераторов будет поддерживать напряжение на выводе станции постоянным и они эквивалентируются в качестве источников переменного напряжения. 2. Эквивалентные сопротивления энергосистемы так же считаются постоянными. Постоянная времени процесса изменения режима потребления значительно больше, чем постоянная времени электромагнитного и электромеханического переходных процессов в энергосистеме [17, 18, 45]. Следовательно, эквивалентные сопротивления в схеме рис.1.10б можно считать неизменными в малых временах времени (до единиц минут). В случае принятия данных упрощений, двухмашинная модель квазистационарного режима энергетической системы описывается системой линейных уравнений: f1-U0 = /0-Z1 A- 2 = /2.z2 (U3) где Ё± - эквивалентное напряжение энергосистемы 1; Ё2 - эквивалентное напряжение энергосистемы 2; Z-L - эквивалентное сопротивление энергосистемы 1; Z2 - эквивалентное сопротивление энергосистемы 2; U0 - напряжение на входе ФПУ; ІІ2 - напряжение на выходе ФПУ; /0 - ток на входе ФПУ; /2 - ток на выходе ФПУ.

Таким образом, с помощью простой двухмашинной модели (рис.1.10б), описываемой системой линейных уравнений (1.13) можно провести простой расчет и анализ режимов работы линии электропередачи с ФПУ, при этом результаты моделирования будут учитывать параметры текущего режима работы энергосистемы.

Способы управления тиристорным коммутатором переменного тока

Общий алгоритм работы СУ ФПУ предназначен для формирования управляющих воздействий в соответствии с требуемыми уставками. Алгоритм управления ФПУ [22, 34, 50] подразумевает изменение величины выходного параметра ФПУ в соответствии с имеющейся регулировочной характеристикой, задаваемой программным способом. Алгоритм осуществляет переключение тиристоров коммутатора ФПУ в соответствии со способом управления, предложенным в [27, 31, 50]. Способ позволяет обеспечить безопасное переключение коммутатора вне зависимости от текущих режимов работы линии электропередачи, а также повысить быстродействие и управляемость ФПУ. Общий алгоритм работы СУ ФПУ осуществляет переключение ступеней регулирования с учетом введенных ограничений на поэтапные переключения тиристорного коммутатора, связанные с возможным возникновением перенапряжений в процессе смены ступеней. Таким образом, интеграция алгоритма адаптации управления ФПУ в состав общего алгоритма СУ ФПУ заключается в реализации автоматического обновления имеющейся регулировочной характеристики при изменении параметров режима линии электропередачи. При этом, все ограничения на переключения, заданные уставки и способы управления ФПУ могут оставаться такими же, что и при имеющемся общим алгоритме управления СУ ФПУ.

Как уже было отмечено, адаптивный алгоритма вступает в работу при изменении параметров режима линии электропередачи. Согласно выражениям (2.10.1) – (2.10.3), регулируемые параметры зависят не только управляющего воздействия, но и от параметров режима линии электропередачи. Тогда, в случае изменении параметров режима линии электропередачи, при неизменных управляющих воздействиях, регулируемый параметр будет также меняться. Мониторинг регулируемого параметра, сравнение текущего его значения с значением, рассчитанным по регулировочной характеристике, а также фиксация его изменения сверх выставленного диапазона изменения, позволит сформировать сигнал запуска алгоритма адаптации управления. Запущенный алгоритм адаптации рассчитает новую регулировочную характеристику и актуализирует ее в общем алгоритме управления ФПУ.

Таким образом, интеграция алгоритма адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи в состав общего алгоритма управления ФПУ потребует реализации следующих програмно-аппаратных решений: введения датчиков тока и напряжения на входе и на выходе ФПУ; мониторинга регулируемого параметра; дополнительных программных ресурсов для непосредственной реализации алгоритма в составе имеющейся СУ ФПУ.

Важным этапом разработки и отладки блока адаптации управления ФПУ является проверка его практической работы в составе СУ ФПУ. Осуществить это можно различными способами. В любом случае, проверка работы алгоритма адаптации должна предполагать работу ФПУ в энергосистеме с изменяющимися параметрами. В результате экспериментов должна проверяться способность СУ ФПУ идентифицировать изменение параметров режима линии электропередачи, запуск алгоритма адаптации, реализацию его основных функций, включающих в себя получение экспериментальных данных по величинам токов и напряжений на входах и выходах ФПУ при различных режимах его работы, верификацию параметров моделей ФПУ и линии электропередачи, расчет передаточных и регулировочных характеристик, актуализацию регулировочной характеристики и проверку управления режимами работы линии электропередачи с помощью ФПУ при измененных параметрах режима линии электропередачи.

Исследование работы алгоритма адаптации управления ФПУ к изменяющимся параметрам режима линии электропередачи можно проводить в среде PSCAD. Программный комплекс PSCAD является быстродействующим, точным и удобным инструментом для моделирования работы энергосистем и силовых электронных преобразователей совместно с СУ при их проектировании, анализе, оптимизации и верификации. Программа PSCAD с модулем моделирования переходных процессов (EMTDC) предоставляет широкий выбор инструментов и богатую библиотеку компонентов для глубокого анализа работы энергооборудования [33].

Исследование работы алгоритма адаптации было осуществлено на примере расчета 39-ти узловой модели энергосистемы «IEEE 10 Generation 39 Bus System» [33, 66, 92] (рис.2.2). Данная модель состоит из 39-ти узлов, содержит 10 генераторов электроэнергии и 19 потребителей мощности. Генераторы и потребители в указанной модели распределены таким образом, что в системе имеются линии, работающие с перегрузкой и линии, недогруженные по мощности. Таким образом, указанная модель позволяет тестировать устройства FACTS и их СУ, реализующие регулирование потоков мощности в энергосистеме. К подобным устройствам FACTS относятся и ФПУ, поэтому выбранная модель позволит протестировать работу алгоритма адаптации с учетом особенностей функционирования энергосистемы.

Экспериментальное исследование работы ФПУ на физической модели линии электропередачи

ЛБД рассматриваемого ФПУ принимает 48 сигналов от встроенных цепей контроля тиристоров в составе двунаправленных тиристорных ключей ВТП, осуществляет расшифровку и анализ этих сигналов.

Структура ЛБД и соответствующие ей аппаратные и программные решения являются масштабируемыми. Это свойство позволяет адаптировать аппаратные средства и программное обеспечение ЛБД к мониторингу состояния и диагностированию ВТП с различным числом мостовых тиристорных коммутаторов или для разного числа модулей платы объединения сигналов (ПОС) в составе электротехнических шкафов с силовыми блоками тиристоров.

Каждая плата модуля сбора способна принимать до 8 световых сигналов, кодированных импульсных сигналов. Это позволяет сделать модуль, состоящий не только из адаптеров оптического ввода, но и из микроконтроллера для анализа и обработки группы сигналов от всех четырех силовых блоков двунаправленных тиристорных ключей моста коммутатора. Микроконтроллер расшифровывает кадры асинхронного обмера, поступающие от плат ПОС, и на их основе выявляет либо полную целостность оборудования силового блока с одним двунаправленным ключом, частичный некатострофический отказ, либо аварию, которая диагностируется при отказе двух и более тиристоров в одном силовом блоке. Код характера аварии ЛБД через центральный контроллер ЛБД передается по полевой сети в контроллер ФПУ. Таким образом, достигается необходимое быстродействие для реакции на пробой 2-ух и более тиристоров в одном плече (не более 20 мс).

Структурное и алгоритмическое решение ЛБД предусматривает, что все модули сбора сигналов непрерывно контролируют сигналы от ПОС и формируют информационные сообщения в центральный контроллер ЛБД (рис.3.7б). Таким образом, все функциональные блоки в составе ЛБД связаны с центральным контроллером по последовательному интерфейсу RS-485, что обеспечивает простоту соединений и возможность увеличения числа модулей сбора.

Блок ЛБД оснащен собственной панелью управления, которая носит название «Панель диагностики» (рис.3.7а). Панель позволяет оператору наблюдать за работой ЛБД как в режиме отладки оборудования (режим «Тест»), так и в режиме полно функциональной работы. Конструктивно СУРЗА выполнена в виде двух законченных блоков: Блок программируемого контроллера с вынесенным блоком питания -устанавливаются на DIN-рейку и размещаются в электротехническом шкафу управления СУРЗА; Модули с электронными компонентами ЛБУ и ЛБД размещены в крейте СУРЗА стандарта «Евромеханика», серия «europacPro» ( высота 6U, ширина 84 HP). Коммутация сигналов между контроллером ФПУ и крейтом СУРЗА осуществляется тремя кабелями RS-323 и кабелем с оконечными разъемами DSUB-37 с лицевых панелей контроллера и крейта.

Источники питания для блоков ЛБУ и ЛБД установлены в крейте СУРЗА, причем обеспечен режим горячего резервирования при отказе одного источника из каждой пары.

Как было показано в предыдущих главах, алгоритм адаптации подразумевает интеграцию на «верхнем» уровне СУ ФПУ. При этом, сам алгоритм адаптации подразумевает наличие доступа к информации о значениях токов и напряжений на входе и выходе ФПУ, поступающие с соответствующих датчиков, расположенных на «нижнем» уровне СУ ФПУ. Программная и аппаратная составляющая описанной СУ ФПУ позволяет интегрировать алгоритм адаптации с учетом указанных условий.

Реальное ФПУ, предназначенное для установки в состав энергосистемы, является сложным электротехническим комплексом устройств. Как правило [11, 23, 26], в составе оборудования, предназначенного для установки на подстанцию совместно с ФПУ, помимо основного оборудования (силовые трансформаторы, коммутатор, СУ), имеется ряд вспомогательного (источники питания собственных нужд, оборудование охлаждения, система релейной защиты и т.д). В составе вспомогательного оборудования содержатся в том числе и датчики тока и напряжения на входе и выходе ФПУ. Таким образом, реализация СУ ФПУ с адаптивными алгоритмами не потребует установки дополнительных датчиков тока и напряжения. При этом, програмно-аппаратная реализация алгоритма адаптации должна предусматривать меры по приему и обработке сигналов с соответствующих датчиков в СУ ФПУ.

Как было отмечено, измерение токов и напряжений на входе и выходе ФПУ должно осуществляться с учетом их амплитудно-фазовых соотношений. Отметим, что ни один из указанных параметров не может быть принят как независимый параметр, так как в процессе работы ФПУ и при изменении режимов работы линии электропередачи все указанные параметры будут меняться. Таким образом, базисный вектор, относительно которого будут измеряться фазовые соотношения указанных величин, не должен быть связан с величинами параметров ФПУ. Одним из способов решений данной задачи является применение многофункциональных устройств (МФУ) в качестве инструмента измерения величин токов и напряжений. Использование МФУ позволит получить актуальные фазовые соотношения токов и напряжений, соответствующие текущему режиму работы линии электропередачи, в любой интересующий момент времени.

СУ ФПУ может быть наделена свойством адаптации управления в том случае, если она будет иметь достаточный программный и аппаратный ресурс, позволяющий помимо выполнения указанных многочисленных функций СУ реализовать еще и сам алгоритм адаптации. Отметим, что совокупная реализация всех функций в рамках одного микропроцессорного устройства затруднительна, поэтому реальная СУ ФПУ реализована на базе комплекса из нескольких микропроцессорных систем, связанных между собой в соответствии с выполняемыми функциями.