алгоритмов управления и исследование применения электрического торможения для повышения динамической устойчивости развивающейся энергодефицитной

На правах рукописи

Баатарын Пурэвсурэн

Разработка алгоритмов управления и исследование применения электрического торможения для повышения динамической устойчивости развивающейся энергодефицитной

энергосистемы

Специальность: 05.14.02 – «Электрические станции

и электроэнергетические системы»

автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009 г.

Работа выполнена на кафедре Электроэнергетических систем Московского энергетического института (Технического университета).

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Зеленохат Николай Иосифович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шакарян Юрий Гевондович

кандидат технических наук,

старший научный сотрудник

Карпов Валентин Александрович

Ведущая организация: ОАО «Энергосетьпроект»

Защита состоится « 5 » июня 2009 года в 15 час. 00 мин. в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете), по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., д.17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д.14, Учёный совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « …. » мая 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03

кандидат технических наук, доцент Бердник Е.Г.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Энергетическая система (ЭЭС) Монголии является динамично развивающейся энергодефицитной системой с предпосылками для превращения её в энергоизбыточную.

В настоящее время ЭЭС Монголии характеризуется тем, что в ней определённая часть нагрузки покрывается за счёт передачи по межсистемной связи электроэнергии из ЕЭС России. Нарушение её синхронной работы происходит, главным образом, вследствие возмущений на межсистемной линии электропередачи или в приёмной части энергосистемы. Наиболее тяжелым возмущением является такое, когда происходит разрыв связи с ЕЭС России, так как в этом случае резко снижается частота и становиться неизбежным отключение части нагрузки в энергосистеме Монголии. Поэтому возникает крайняя необходимость разработки мероприятий по сохранению её устойчивости даже в случае маловероятных, но тяжелых возмущений в виде коротких замыканий.

Для энергодефицитных электроэнергетических систем при наличии связи с достаточно мощной ЭЭС характерным является то, что при нарушении устойчивости их работы после резких возмущений, в отличие от энергоизбыточных ЭЭС, частота снижается и вместо выбега роторов синхронных генераторов наблюдается их затормаживание. В этом случае для сохранения устойчивости может оказаться целесообразным кратковременное отключение части нагрузки в энергодефицитной ЭЭС, чтобы тем самым создать эффект, аналогичный применению электрического торможения генераторов в энергоизбыточной ЭЭС.

По мере своего развития и сооружения новых электростанций энергодефицтиная ЭЭС может стать энергоизбыточной и в этом случае потребуется применять электрическое торможение синхронных генераторов, но уже в виде подключаемых к шинам электростанций тормозных резисторов.

Дискретное управление нагрузкой электропотребления для повышения динамической устойчивости ЭЭС можно рассматривать как средство противоаварийного управления динамической устойчивостью энерго-дефицитной энергосистемы и применять его лишь относительно такой части нагрузки, для которой допустимы кратковременные перерывы в электропитании.

Поэтому становиться актуальными исследования по разработке алгоритмов управления и исследованию эффективности применения электрического торможения синхронных генераторов в виде подключаемых тормозных резисторов к шинам электростанций и кратковременного отключения нагрузки в развивающейся энергодефицитной энергосистеме для повышения её динамической устойчивости.

Целью данной работы является решение комплекса задач, связанных с разработкой алгоритмов управления электрическим торможением синхронных генераторов для повышения динамической устойчивости энергодефицитной ЭЭС при резких возмущениях её режима и исследование их эффективности применительно к развивающейся энергодефицитной электроэнергетической системы Монголии.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. На основе энергетического подхода применительно к простейшей энергосистеме разработана математическая модель для синтеза алгоритмов управления электрическим торможением синхронных генераторов в виде подключаемых к шинам электростанции тормозных резисторов и получены соответствующие алгоритмы управления.
2. Разработана математическая модель для двухмашинной схемы энергосистемы, позволяющая на основе метода площадей обосновать эффективность применения электрического торможения в виде кратковременного отключения части нагрузки в энергодефицитной подсистеме и разработать соответствующие алгоритмы управления.
3. Выполненными расчётами динамической устойчивости применительно к сложной многомашинной энергосистеме Монголии с учётом действующих в ней автоматических регулирующих устройств доказана эффективность применения многократного электрического торможения в виде подключаемых тормозных резисторов и кратковременно отключаемой части нагрузки для повышения её динамической устойчивости.

Методы исследования. При исследовании использовались аналитические методы теории электромеханических систем, методы анализа динамической устойчивости и математического моделирования ЭЭС, теория электрических систем и управления их переходными режимами, численные методы расчёта переходных процессов ЭЭС с применением современных вычислительных машин.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается научно обоснованной постановкой задачи и применением современных методов исследования переходных процессов в электроэнергетических системах и подтверждается результатами выполненных расчётов с использованием современных вычислительных машин. Достоверность разработанных алгоритмов управления электрическим торможением в виде подключаемых тормозных резисторов и кратковременно отключаемой части нагрузки подтверждена сопоставлением характеристик переходного процесса при применении электрического торможения и при его отсутствии.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные математические модели могут быть использованы в проектных, научно-исследовательских и производственных организациях Монголии при аналитических исследованиях эффективности применения электрического торможения генераторов для сохранения динамической устойчивости ЭЭС, в частности могут быть использованы в ЭЭС Монголии разработанные алгоритмы дискретного управления электрическим торможением генераторов с помощью тормозных резисторов и кратковременного отключения части нагрузки энергодефицитной ЭЭС Монголии.

Апробация диссертационной работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на XIV и XV международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиотехника, электроника и энергетика» в 2008 и 2009 годах (г. Москва, МЭИ), а также на заседании кафедры «Электроэнергетические системы» Московского энергетического института (Технического университета).

Опубликованные работы. По теме диссертации опубликовано четыре печатных работ в виде статей и тезисов докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертаций. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 84 наименований. Содержание работы изложено на 148 страницах, иллюстрировано 78 рисунками и 13 таблицами.

СОДЕРЖНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются её цели и основные задачи работы, отражающие научную новизну и практическую значимость диссертации, а также даётся краткое содержание диссертационной работы.

В первой главе дана характеристика энергосистемы Монголии как развивающейся энергодефицитной системы. Дан краткий анализ современного состояния электроэнергетической системы Монголии, история развития, перспективы развития. Рассмотрены вопросы динамической устойчивости при возмущениях в виде короткого замыкания (КЗ) как и в энергодефицитной, так и в энергоизбыточной ЭЭС Монголии.

Проведённое исследование динамических свойств ЭЭС Монголии позволило выявить ряд случаев нарушении её динамической устойчивости, что особо актуально для энергоизбыточной системы Монголии, какой она станет в связи с её развитием. Показано, что становиться актуальной задачей сохранение динамической устойчивости ЭЭС Монголии и поиск мероприятий по сохранению её динамической устойчивости при коротких замыканиях в различных точках электрической сети.

Наличие в ЦЭЭС Монголии слабозагруженных длинных линий электропередачи выдвигает задачу обеспечения динамической устойчивости в разряд первостепенных и является основанием для проведения соответствующих исследований.

Во второй главе основное внимание уделено применению энергетического подхода к синтезу алгоритмов управления электрическим торможением для повышения динамической устойчивости электро-энергетической системы. Рассмотрены вопросы составлению упрощённых математических моделей ЭЭС для аналитического исследования динамической устойчивости электроэнергетической системой и выявлению возможности управления переходным электроэнергетическим процессом в ЭЭС с помощью электрического торможения с применением энергетического подхода для синтезу алгоритмов управления, успешно используемого для разработки алгоритмов управления в сложных ЭЭС.

Рассмотрены возможности применения электрического торможения для сохранения динамической устойчивости ЭЭС. Электрическое торможение осуществляется подключением нагрузочных или тормозных сопротивлений к электрической схеме системы, а также изме­нение её параметров, например сопро­тивлений некоторых её элементов, влияющих на изменение мощности генераторов. Изменение тормозных сопротивлений может осуще­ствляться с помощью управляющих устройств в функ­ции времени в соответствии с каким-либо принятым алгоритмом непрерывного либо дискретного действия.

В обоих случаях эффективность электрического торможения зависит от используемого алгоритма управления. Согласно тео­рии оптимального управления, в устройствах электрического торможения, как и в любых других устройствах управления, дол­жен быть заложен принцип обратной связи, который выражается в учете информации о поведении управ­ляемого генератора и приемной части энергосис­темы. Необходимо косвенно либо непосредственно контролировать величину угла сдвига ротора такого генера­тора относительно ротора «эквивалентного» генера­тора приёмной части ЭЭС, можно сказать обобщенного угла, и реагировать на его изменение. В алгоритмы управляющих устройств электрического торможения целесообраз­но включать непосредственно либо косвенно опреде­ляемые угол сдвига ротора синхронного генератора и его производные.

Исследование эффективности уп­равления электрическим торможением в целях улучшения динамической устой­чивости системы можно выполнять с ориентацией на то, что тормозные сопротивления подключаются с по­мощью быстродействующего элегазового или вакуумного выключателя с предель­но малым временем запаздывания.

В качестве тормозных сопротивлений можно использовать нихромовые ленты, проводящие электротехнические бетоны либо специально разработанные для этой цели композитные материалы.

Рассмотрено применение энергетического подхода к решению задачи синтеза алгоритмов управления электрического торможения на примере простой схемы ЭЭC. Суть этого подхода заключается в том, что производная по времени t от полной механической энергии системы V с течением времени убывает, т.е. отвечает условию < 0, причём , где – кинетическая энергия относительного движения ротора синхронного генератора, – его потенциальная энергия.

Применительно к условию рассматриваемой задачи и схеме на рис. 1, после преобразований имеем:

, (1)

где – составляющая электромагнитной мощности, зависящая от управляющего воздействия uЭТ в виде тормозного сопротивления RЭТ, подключаемого к шинам электростанции (рис. 1).

Рис. 1. Схема простой электроэнергетической системы (а), и её схема замещения (б)

На основе энергетического подхода аналитическое выражение для uЭТ определяется решением квадратичного уравнения относительно управляющего воздействия uЭТ и может быть представлено в виде:

, (2)

где обозначено:

; (3)

, (4)

где E, U, Xa, Xb – параметры режима и схемы энергосистемы (рис. 1, б); – сопротивление; и – угол сдвига ротора генератора Г1 и скорость ; ; k – коэффициент.

Таким образом, получен алгоритм управления электрическим торможением в виде нелинейной зависимости от параметров режима синхронного генератора и параметров схемы электрической системы. Проведенные исследования показывают, что перед корнем в (2) следует принимать знак плюс.

Исследована эффективность алгоритма управления электрическим торможением в виде (2) на примере простой ЭЭС (рис. 1). Вблизи генератора на одной из цепей линии электропередачи происходит трехфазное КЗ, которое отключается через 0.15 с. Без применения электрического торможения в ЭЭС происходит нарушение динамической устойчивости

На рис. 2 представлены угловые характеристики мощности турбины РТ и генератора РЭЛ для исходного (I), аварийного (II) и для послеаварийного режима при отключенном (III) и при включенном (IV) электрическом торможении с учетом того, что изменение величины RЭТ происходит в соответствии с алгоритмом (2).

Рис. 2. Угловая характеристика мощности генератора при управлении электрическим торможением в соответствии с алгоритмом управления (2)

На рис. 2 с одинарной штриховкой показана площадка ускорения, а двойной – площадка торможения. Анализ их показывает, что динамическая устойчивость ЭЭС при рассматриваемом виде возмущения и при применении электрического торможения в виде подключаемого тормозного сопротивления RЭТ и изменяемого в соответствии с алгоритмом (2) (рис. 3, б) сохраняется в первом цикле качаний ротора генератора.

На рис. 3 представлены результаты расчёта переходных процессов во времени с учётом электрического торможения в соответствии с алгоритмом (2).

Рис. 3. Характеристика переходного процесса 12(t) при управлении электрическим торможением в соответствии с синтезированным алгоритмом управления (а)

и характеристика изменения величины RЭТ во времени (б)

Действием электрического торможения во втором цикле качаний ротора обеспечивается достаточно интенсивное их затухание (рис. 3, а). Следовательно, разработанный подход к синтезу алгоритмов управления электрическим торможением достаточно эффективен, так как в ЭЭС после резкого возмущения её режима в виде тяжёлого трехфазного КЗ обеспечивается интенсивное затухание качаний ротора синхронного генератора.

В целях упрощения условий практической реализации электрического торможения непрерывного действия с определением управляющего воздействия по формуле (2) целесообразно осуществить переход к дискретному электрическому торможению с постоянным сопротивлением RЭТ. Определяемое в соответствии с (2) управляющее воздействие принимаем равным при , т.е. при знаке >0, так как практически трудно изменять сопротивление во времени.

В этом случае общее условие включения и отключения тормозного сопротивления преобразуется к виду:

при , включается тормозное сопротивление RЭТ; (5)

при , отключается тормозное сопротивление RЭТ.

На рис. 4, а, б представлены результаты расчета переходных процессов с учетом электрического торможения в виде постоянного по величине тормозного сопротивления.

Рис. 4. Характеристика переходного процесса при управлении постоянным электрическим торможением (а) и характеристика изменения величины RЭТ во времени (б)

Анализ этих характеристик показывает, что динамическая устойчивость ЭЭС при рассматриваемом виде возмущения и при применении электрического торможения в виде двухкратного параллельного подключаемого тормозного сопротивления RЭТ (рис. 4, б) сохраняется в первом цикле качаний ротора генератора. Действием электрического торможения во втором цикле качаний ротора обеспечивается достаточно интенсивное затухание качаний ротора генератора ЭЭС (рис. 4, а).

При применении электрического торможения также в виде параллельно подключаемого тормозного сопротивления RЭТ, но изменяемого в соответствии с (2), также обеспечивается демпфирования качаний ротора (рис. 3). Это означает, что разработанные подходы к синтезу алгоритмов управления электрическим торможением достаточно эффективны, но проще осуществлять дискретное управление с постоянной величиной тормозного сопротивления.

В третьей главе дано обоснование применения электрического торможения генераторов управляемым воздействием на нагрузку электрической сети. Проведены исследования в направлении преобразования основных математических соотношений для двухмашинной энергосистемы и применения их для анализа устойчивости простой электроэнергетической системы с использованием метода площадей. Дано обоснование эффективности применения электрического торможения в целях предотвращения нарушения динамической устойчивости ЭЭС. В отличие от проведенных исследований в предыдущей главе в качестве электрического торможения применено дискретное управление нагрузкой в энергодефицитной подсистеме ЭЭС.