Содержание к диссертации
Введение , 5
Глава 1. Формализация общих принципов функционирования и управления
объектов производства электроэнергии на примере малой ГЭС,
работающей на автономного потребителя 12
1.1. Общие принципы функционирования и особенности малых ГЭС и других
объектов автономного производства электроэнергии 12
Представление малой ГЭС в виде взаимодействующих подсистем для решения задач управления 20
Результаты и выводы 25
Глава 2. Математическое описание гидродинамических процессов в
проточном тракте малой ГЭС 26
2.1. Постановка задачи математического описания гидродинамической
подсистемы малой ГЭС для решения задач управления 26
Математическое описание элементов регулирования расхода турбины....29
Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС на
основе простого напорного трубопровода 31
2.4. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС с
проточным трактом без разветвлений , 42
2.5. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС с
уравнительным резервуаром ...47
2.6. Математическое описание гидродинамической подсистемы малой ГЭС
для каскадных и особых случаев ...53
2.7. Результаты и выводы 63
Глава 3. Математическое описание физических процессов в элементах
гидроагрегата малой ГЭС 64
3.1. Описание гидромеханических процессов в турбинной камере малой
ГЭС 64
3.2. Математическое описание механических процессов вращения и колебаний
вала гидроагрегата малой ГЭС 71
3.3. Математическое описание электрогенератора гидроагрегата малой ГЭС и
его электрических цепей нагрузки 76
3.3.1.Выбор математического описания для моделирования основного
генератора гидроагрегата..... 76
3.3.2.Математическое описание синхронного генератора на основе уравнений
модели Парка-Горева 85
3.3.3.Цифровая модель основного генератора гидроагрегата на основе
уравнений Парка-Горева , 88
3.4. Результаты и выводы ...93
Глава 4. Реализация моделей подсистем объекта управления и исследование
результатов моделирования 94
4.1. Выбор средств моделирования для реализации и исследования моделей
подсистем и создания полной цифровой модели малой ГЭС 94
4.2. Исходные данные для моделирования и исследования процессов
элементов и подсистем объекта управления на примере действующей
малой ГЭС 96
4.3. Особенности цифровой реализации и исследования моделей
гидродинамической подсистемы малой ГЭС 98
4.3.1.Моделирование гидродинамической подсистемы с простым напорным
трубопроводом без потерь. Сравнение моделей для жесткого и упругого
случаев 98
4.3.2.Моделирование гидродинамической подсистемы на основе простого
напорного трубопровода с учетом потерь в проточном тракте 105
4.3.3.Моделирование гидродинамической подсистемы с неразветвлснным
проточным трактом на примере малой ГЭС с предтурбинным
перешейком 108
4.3.4.Цифровое моделирование гидродинамической подсистемы с УР ..111
4.4. Особенности цифровой реализации моделей гидромеханической
подсистемы малой ГЭС 114
4.5. Особенности цифровой реализации и исследования моделей механической
подсистемы малой ГЭС 121
4.6. Особенности цифровой реализации и исследования моделей
электродинамической подсистемы малой ГЭС 124
4.6.1.Моделирование синхронного генератора для режима холостого хода ..124
4.6.2.Цифровая модель синхронного генератора для рабочих режимов 124
4.6.3.Эмпирическая идентификационная модель синхронной машины для
описания возбудителя , 127
4.6.4.Математическое описание цепей формирования возбуждения 132
4.6.5.Упрощенные модели синхронной машины для описания основного
генератора гидроагрегата 137
4.7. Результаты и выводы 145
Глава 5. Объединение моделей подсистем, результаты моделирования и
исследование режимов малой ГЭС 147
5.1. Особенности совместного моделирования и исследования подсистем и
их композиции в полную цифровую модель объекта управления 147
5Л. 1.Объединение моделей гидродинамической и гидромеханической
подсистем, 147
5.1.2.0бъедииение моделей гидродинамической, гидромеханической и
механической подсистем 155
5.1.3.Совмсстное моделирование электрогенератора и механической
подсистемы. Исследования влияния учета крутильных колебаний на
точность описания процессов в электродинамической подсистеме., 158
5.1.4.0собенности цифровой реализации регуляторов контуров управления
АРВи АРЧВ 161
5Л.5.Реализация полной цифровой модели малой ГЭС , 163
5.2. Исследования полных цифровых моделей малой ГЭС и разработка
системы мониторинга 164
5.3. Сравнительное моделирование разработанной полной модели малой ГЭС
как объекта управления с известными описаниями 170
5.3.1 Линеаризованная динамическая модель ГЭС как объекта управления.. 171 5.3.2.Сравнение известных описаний с разработанными моделями
подсистем малой ГЭС 171
5.3.3.Сравнителыюе моделирование замкнутых систем 174
5.4. Результаты и выводы 180
Заключение 182
Литература 184
Приложения 189
Введение к работе
Диссертация посвящена разработке и исследованию имитационной модели малой ГЭС ориентированной для решения комплекса задач управления.
Актуальность темы диссертации. Важность источников электроэнергии для автономного энергоснабжения, энергоснабжения в чрезвычайные периоды и труднодоступных районах возрастает [46, 36-62]. По некоторым оценкам, например [46], от 50-70% территории России не имеют централизованного электроснабжения, и только малая энергетика способна обеспечить их теплом и электроэнергией. Актуальность развития надежных, экологически чистых, компактных, быстро окупаемых автономных объектов производства электроэнергии (АОПЭ), особенно малых ГЭС, установка которых часто дешевле строительства ЛЭП [46 и др.], не вызывает сомнений [36, 38-42,46,54,60 и др.]. В последние годы в России особенно заметно вырос интерес к эффективному использованию местных возобновляемых природных ресурсов и начато освоение выпуска нового поколения гидроагрегатов малой мощности.
Построение систем управления такими объектами имеет свою специфику, основано на особенностях функционирования объекта управления в различных режимах эксплуатации и требует глубокого знания его динамических свойств.
Важнейшая общая особенность малой ГЭС и вообще АОПЭ проявляется в режиме работы на автономного потребителя, когда изменения электрической нагрузки могут оказаться достаточно резкими и сравнимыми по величине с номинальной мощностью источника; при этом также резко и в широких пределах могут изменяться некоторые ключевые параметры режима работы объекта [1, 63-69].
Кроме того, огромное значение имеют индивидуальные особенности различных типов АОПЭ, например, для ГЭС наиболее значимыми являются особенности, связанные с подводом энергоносителя (гидравлический удар, колебания уровня воды, рассеивание энергии в проточном тракте) и
гидромеханическим преобразованием энергии в турбине, которые существенно зависят от конфигурации и режима работы объекта [5-10,12-18,20,63-68].
Таким образом, специфика АОПЭ заключается в наличии постоянно действующих сильных возмущающих воздействий, а также в существенном влиянии всевозможных нелинейиостей и особенностей физических процессов в объектах, что придает определенные трудности задачам управления ими, например, важнейшей задаче обеспечения высокого качества вырабатываемой электроэнергии.
Поэтому, для комплексного решения задач управления АОПЭ (в т.ч. задач синтеза, оптимизации и др.), в силу особенностей объектов данного класса, необходима достаточно полная модель, которая представляла бы АОПЭ как объект управления, то есть отражала бы все требуемые управляющие, выходные и возмущающие воздействия, учитывала бы все существенные с точки зрения управления особенности объекта и давала бы достаточно глубокое представление о реальных динамических процессах, протекающих в нем.
Подробный анализ литературных источников [1-10,14-16,23,36-62 и др.] показал, что в литературе отсутствует описание моделей подобного типа, по крайней мере, для целого ряда объектов данного класса, например, для малых ГЭС мощностью 100-600 кВт.
Встречающиеся в литературных источниках описания, представляют собой либо модели объектов управления других классов (не АОПЭ), например [3,4,14], сильно упрощенные, линеаризованные, не учитывающие в должной мере реальные характеристики, физические процессы, и возможное разнообразие конфигураций АОПЭ, либо модели физических процессов [7,10,15 и др.], протекающих в различных элементах объекта, разрозненные, охватывающие лишь некоторые процессы, протекающие в отдельных элементах объекта обособленно, практически без учета процессов в других элементах и особенностей их взаимодействия.
Таким образом, задача разработки подробной модели для исследования и решения задач управления объектом подобного класса является актуальной и в подобной постановке в литературе не встречается.
Исходя из вышесказанного, целью диссертационной работы является разработка и исследование имитационной модели малой ГЭС для решения комплекса задач управления, в т.ч. исследования процессов в объекте, решения задач анализа и синтеза систем управления, оптимизации и др. При этом, существенной является задача разработки соответствующей прикладной инструментальной базы. Также интерес представляет вопрос создания методологического подхода к построению этой модели с целью его перспективного применения для разработки подобных моделей других объектов класса АОПЭ.
Достижение поставленной цели должно быть реализовано с использованием того огромного опыта, который накоплен в смежных областях науки, и касается рассмотрения, изучения и исследования физических явлений и процессов, протекающих в различных элементах объекта.
В связи с ориентацией на цели управления и желательностью функционирования создаваемой имитационной модели в реальном времени, особое внимание в работе уделяется анализу влияния уровня идеализации на точность моделирования и поиску наименее сложных способов описания, адекватно учитывающих все существенные особенности выбранного объекта с точки зрения стоящих задач управления.
Хотя, в настоящей работе выбран конкретный частный случай АОПЭ — малая ГЭС, однако, как будет показано в первой главе, общий принцип действия объектов данного класса и задачи управления ими во многом похожи, а многие основные элементы объектов достаточно близки или совпадают. Поэтому предполагается, что методологический подход к построению модели, основные наработки, полученные на конкретном примере, а также, модели целого ряда элементов могут быть применены и для других объектов данного класса.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: представить объект в виде подсистем на основании анализа функциональных особенностей основных элементов объекта, физических процессов, протекающих в них, и особенностей их взаимодействия;
разработать математические описания подсистем для решения задач управления, охватив вес наиболее важные варианты их конфигураций, с использованием известных описаний соответствующих физических процессов;
произвести разработку и исследование свойств цифровых моделей подсистем и элементов объекта управления, на основании исследований выявить наиболее существенные особенности объекта и дать рекомендации по их учету;
осуществить разработку полной цифровой модели объекта управления на основе полученных моделей подсистем; провести исследования разработанной комплексной модели объекта, в том числе, связанные с задачами управления;
провести проверку работоспособности модели путем сравнения с доступными источниками, в т.ч. сопоставимыми результатами исследований в литературе
Основываясь на результатах решения поставленных задач, можно выделить следующие положения работы, содержащие научную новизну:
выведены математические описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС, учитывающие специфику задач управления объектом, для различных типовых схем проточного тракта;
предложена математическая модель механической подсистемы гидроагрегата, учитывающая крутильные колебания и их влияние на процессы в объекте управления в целом;
получены упрощенные структурные модели для описания процессов в синхронном генераторе и его возбудителе;
предложена и исследована полная цифровая модель малой ГЭС, предназначенная для решения комплекса задач управления объектом, реализованная на базе разработанных взаимосовместимых моделей подсистем малой ГЭС и предложенной структуры их взаимосвязей.
Положения, выносимые на защиту:
математические описания гидродинамической и механической подсистем малой ГЭС, предложенные упрощенные модели генератора и его возбудителя;
способ применения экспериментальных статических характеристик турбины при моделировании для решения задач управления; предложенное описание синхронного генератора гидроагрегата на основе уравнений Парка-Горева;
инструментальная база цифровых моделей элементов и подсистем малой ГЭС, система мониторинга и управления на базе полной модели малой ГЭС;
полная цифровая модель малой ГЭС.
Практическая значимость результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в следующем:
разработано программное обеспечение имитационной модели малой ГЭС, позволяющее решать задачи управления малой ГЭС, в том числе такие, как исследование и синтез законов управления, оптимизация и другие задачи;
разработано программное обеспечение для моделирования и исследования различных процессов в малой ГЭС в целом и ее элементах и подсистемах по отдельности, а также в ряде аналогичных элементов других объектов класса АОПЭ;
разработано программное обеспечение для мониторинга процессов малой ГЭС и управления напряжением и частотой гидроагрегата в реальном времени на базе полученной комплексной цифровой модели малой ГЭС с перспективой использования на реальном объекте;
на основании имитационной модели путем цифрового эксперимента исследованы системы управления частотой с контурами управления по водотоку и балластной нагрузкой и напряжением. Определены оптимальные параметры настройки линейных и нелинейных элементов регуляторов для разных вариантов конфигурации объекта;
даны рекомендации по учету влияния особенностей гидродинамических переходных процессов, крутильных колебаний, нелинейности характеристик
турбины и генератора и других особенностей элементов и подсистем малой ГЭС на процессы управления в смежных подсистемах и объекте в целом;
приведены рекомендации по применению экспериментальных статических характеристик реальной турбины для учета ее особенностей при моделировании для решения задач управления;
предложено упрощенное математическое описание процессов в возбудителе и основном генераторе с учетом особенности режимов работы генератора.
Результаты диссертационной работы и основные положения, содержащиеся в ней, были представлены и обсуждены на представительных семинарах и конференциях, в том числе:
на Шестой, Седьмой и Восьмой Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов, г. Москва, 2000-2002г.
на Международных форумах информатизации МФИ-2000 и МФИ-2002 "Информационные средства и технологии", г. Москва, 2000, 2002,2003г.
По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ [63-69].
Диссертационная работа имеет следующую структуру. В первой главе проводится анализ общих принципов функционирования и особенностей класса АОПЭ. Рассматриваются основные особенности малой ГЭС, как объекта управления, решается задача представления объекта управления в виде взаимодействующих подсистем для построения полной модели объекта.
Вторая и третья главы посвящены разработке математических описаний подсистем выбранного объекта управления, и рекомендаций для разработки подобных моделей для новых конфигураций подсистем и других АОПЭ.
Во второй главе рассматриваются процессы, относящиеся к проточному тракту ГЭС, и разрабатывается математическое описание гидродинамической подсистемы объекта. В виду имеющегося разнообразия применяемых на практике
схем организации проточного тракта, рассматривается несколько наиболее типичных и практически значимых случаев.
Математическое описание процессов и подсистем, относящихся непосредственно к гидроагрегату (гидромеханической, механической и электродинамической) рассматривается в третьей главе.
Четвертая и пятая главы посвящены разработке инструментальной и методологической базы для разнообразных исследований и комплексного решения задач, связанных с управлением. В этих главах рассматриваются вопросы моделирования и исследования элементов и подсистем объекта управления по отдельности (четвертая глава), особенности совместного моделирования подсистем и объединения их в полную модель (пятая глава), особенности контуров автоматического регулирования возбуждения (АРВ) и автоматического регулирования частоты вращения турбины (АРЧВ), и создание единой комплексной цифровой модели малой ГЭС.
