Введение к работе
Актуальность темы. Растущий интерес во всем мире к использованию автономных источников электроэнергии малой и средней мощности, а также освоение отечественными авиационными предприятиями новых газотурбинных установок (ГТУ) для электрических станций (АО «Пермские моторы», г. Пермь, АО «сМоторостроитель», г. Самара и др.) выводят на первый план задачу совершенствования систем автоматического управления газотурбинными шпмэлектростанциямн. В связи с этим, особую актуальность приобретает задача разработки широкого комплекса математических моделей для всестороннего исследования поведения подобных систем.
При разработке современных миниэнергосистем необходимо учитывать: ограничения на параметры энергии; повышенные требования к надежности, экономичности и качеству электроснабжения; особенности совместной работы различных кстопннкоз и приемников электроэнергии.
В настоящее время разработка и проектирование таких компонентов САУ миниэлектростантш как; САР ГТУ, САР синхронного генератора -производится в значительной степени независимо, и их объедините в рамках единой САУ электростанции происходит на завершающих этапах проектирования. При этом при проектировании и отладке САР ГТУ пе учитывается или учитывается крайне приближенно влияние электрической части электростанции и электрической нагрузки на процессы регулирования ГТУ, то же самое можно сказать и о проектировании САР генератора. Все это не способствует достижению высоких показателей качества процессов управления таким сложным объектом как мгшиэлектростанция, что является в настоящее время существенным препятствием на пути их окончательной доводки и широкого внедрения в производство. Особенно высокие требоваїгая предъявляются к проектированию мкогосвязных систем управления на основе современных методов синтеза и оптимизации.
Подойти к решению проблемы становится возможным, если уже на тачальных стадиях проектирования САУ рассматривать оба основных компонента мишгэлектростанцни: а) электрическую и б) газотурбинную части в тесной взаимосвязи, как единую динамическую систему. Для этого на самых первых этапах проектирования для согласования характеристик отдельных подсистем необходимо иметь подробную математическую модель всей миниэнергосистемы.
Таким образом, на данном этапе значительную актуальность имеет задача разработки агрегированной динамической математической модели мшшэлектроэнергстической системы (миниЭЭС) с газотурбинными установками в роли энергопривода.
Математическая модель предназначена для проведения широкого комплекса исследований по анализу, синтезу н оптимизация различных структур мшшэнергосистем и их систем управления, совершенствование
которых связано с интеграцией силового и информационно-управляющего оборудования в единый автоматизированный комплекс.
Цель работы и задачи исследования. Основной целью исследований является разработка математической модели миниЭЭС с ГТУ для совершенствования алгоритмов управления и достижения высоких показателей качества вырабатываемой энергии. Дшіамическая модель миниЭЭС должна учитывать структурные особенности системы и адекватно отражать ее поведение при различных видах возмущающих воздействий.
Исходя из указанной цели, определяются следующие задачи исследования:
-
произвести структурную и функциональную декомпозицию рассматриваемой системы;
-
разработать и исследовать математические модели отдельных элементов миниэнергосистемы;
-
разработать, исследовать и сравнить модели взаимодействия структурных элементов агрегированной модели миниЭЭС между собой;
-
разработать модель миниЭЭС, обладающую адаптивной структурой, т.е. такую модель, которая допускает возможность автоматизировашюй корректировки как ее конфигурации, так и вариантов состава ее структурных элементов;
-
осуществить программную реализацию разработанных алгоритмов моделирования;
-
проверить работоспособность разработанных алгоритмов моделирования и их взаимодействие при исследовании переходных процессов в миниЭЭС.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования является ми-ниэнергетическая система (миниЭЭС), образованная газотурбинной электростанцией и совокупностью элементов электрической нагрузки. При этом газотурбинная электростанция рассматривается совместно со своей системой управления, которая должна обеспечивать работу электростанций как в автономных режимах, так и параллельно между собой, а также на шины неизменного напряжения. Следует подчеркнуть, что объект исследования является сложной системой, поскольку сложность в значительной степени определяется глубиной рассмотрения процессов в исследуемой системе. В свою очередь, достижение высоких показателей вырабатываемой электроэнергии предполагает детальное и всестороннее изучение всех существенных процессов протекающих в системе с целью оптимального управления ими.
Предметом исследований, таким образом, являются переходные процессы в миниэнергосистемах с ГТУ, для управления которыми, а также для их исследования разрабатывается динамическая математическая модель.
Метод исследования: Основными методами исследования являются методы математического и имитационного моделирования с применением вычислительных средств, методы теории графов, комбинаторной топологии,
методы теории алгоритмизации и принципы построения систем автоматического управления.
На защиту выносятся:
-
Структура и отдельные модули математической модели миниэнср-госистемы.
-
Математические модели структурных элементов электрической системы в обобщенной форме представления, записанные относительно их внешних перемятых, з преобразованных и в фазных координатах.
-
Результаты исследования разработанных алгоритмов взаимодействия структурных элементов системы.
-
Методика автоматизированного построения агрегированной модели миниЭЗС.
-
Результаты экспериментальных исследований разработанного алгоритмического и программного обеспечения.
Научная новизна.
Разработана математическая модель мигаэлекгроэиергетической системы на основе принципов функциональной декомпозиции и агрегирования.
Разработан банк моделей, предназначенный для моделирования отдельных злемешы системы в обобщенной форме записи относительно их внешних переменных, и определены возможности я области их применения.
Проведен сравнительный анализ разработанных алгоритмов взаимодействия элементов для систем рассматриваемого класса и сформулированы рекомендации к их применению.
Выполнены экспериментальные исследования, подтвервдающие основные теоретические положения работы и работоспособность предложенных алгоритмов.
Проведена систематизация моделей по критерию точности, исходя из принятых регламентов при классификации моделей.
Достоверность основных положений подтверждается сравнением теоретических и экспериментальных результатов с результатами, полученными другими авторами.
Основное отличие настоящей работы от близхих по тематике заключается в ее направленности, как по объекту исследования (ГТУ рассматривается совместно с электроэнергетической системой), так и по перечню решаемых задач.
Практическая ценность.
На основе разработанных алгоритмов реализован комплекс прикладных программ, позволяющий проводить моделирование миниЭЗС различной конфигурации и различного состава структурных элементов.
Разработан универсальный банк моделей элементов, которые могут быть извлечены и использованы для решения различных задач.
Предложенная методика построения математических моделей мини-энергосистем с ГТУ является важной подсистемой САПР САУ ГТУ и САУ электростанции.
Открытая архитектура, применение методов структурного моделиро-ваїшя и ориентация на использование современных методов идентификации и оптимизации предоставляют возможность использовать разработанную модель для систематизации, сопоставления и оптимизации различных вариантов структур митшонергосистем.
Методика построения математической модели для мгагиэлсктоэнерге-тической системы рассматривается как база для решения задач синтеза и оптимизации алгоритмов управления основными режимами миниЭЭС.
Реализация результатов. Результаты работы внедрены на предприятии ЗАО "Энергетик ПМ" (Методика моделирования минюнергосистсм с автономной электростанцией "Янус"), в ГО НИИУМС (Методические рекомендации по проектированию миниэнергосистем (Раздел моделирования)), в учебном процессе ПермГТУ (в курсах моделирования и основ электроэнергетики производства), в учебном процессе Военного института ракетных войск стратегического назначения (методика моделирования автономных энергосистем).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Научно-технические проблемы конверсии промышленности Западного Урала» (г. Пермь, 1995); на международной научно-технической конференции «Моделыгроект -95» (г. Казань, 1995); на международной конференции в Болгарии «Коїюерсия и инвестиции в высоких технологиях» (г. Варна, 1997, июль); на международном семинаре в Болгарии «Совреммшые технологии в энергетике и энергосбережении», (г. Варна, 1997, ноябрь); на международном семинаре «Инвестиционная политика и современные технологии в энергетике», (Болгария, г. Варна, 1999); на расширенном заседании кафедры «Микропроцессорные средства автоматизации», ПермГТУ, 1999; на ежегодных научных семинарах кафедры «Микропроцсссорішс средства автоматизации», 1995-1999 годы; на расширенном научном семинаре Электротехнического факультета ПермГТУ, 2000, январь.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем работы составляет 157 страниц текста, включая 35 рисунков. Список литературы насчитывает 115 наименований.