Разработка и применение методики белого шума для настройки автоматических регуляторов возбуждения и верификации моделей энергосистем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат наук Филимонов Никита Юрьевич

• Филимонов Никита Юрьевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Филимонов Никита Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

1. Автоматический регулятор возбуждения сильного действия

1.1. Математическое описание АРВ сильного действия отечественного производства

1.2. Частотные характеристики каналов регулирования АРВ

1.3. Особенности стабилизатора сильного действия отечественного производства

Выводы по главе

2. Описание испытательного сигнала, параметров записи и обработки осциллограмм для получения частотных характеристик

2.1. Описание характеристик испытательного сигнала «Белый шум» и требований к нему

2.2. Математическое описание белого шума

2.3. Быстрое преобразование Фурье

2.4. Получение и анализ частотных характеристик

2.5. Сопоставление частотных характеристик и переходных процессов

Выводы по главе

3. Исследование методики настройки регулятора возбуждения на математической модели

3.1. Машина-линия-шины бесконечной мощности

3.2. Четырёхмашинная схема

Выводы по главе

4. Способы и средства улучшения динамических характеристик бесщёточных систем возбуждения

4.1. Особенности при снятии частотных характеристик генераторов с бесщёточными системами возбуждения

4.2. Динамические характеристики БСВ

4.3. Высокочастотные пульсации

4.4. Улучшение динамических характеристик бесщёточного возбудителя БВД-4600-1500

Выводы по главе

5. Исследование методики на электродинамических моделях и на реальных объектах

5.1. Описание программного обеспечения «КЕМ-Тев1» для снятия частотных характеристик на реальном объекте

5.2. Определение частотных характеристик на цифро-аналоговом физическом комплексе АО «НТЦ ЕЭС» и на Белоярской АЭС

5.3. Выбор способов и средств улучшения динамических характеристик БСВ на электродинамической модели НПП «ООО «Русэлпром-Электромаш»

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСКОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Акты внедрения результатов диссертационной работы

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и применение методики белого шума для настройки автоматических регуляторов возбуждения и верификации моделей энергосистем»

Актуальность работы

Электроэнергетическая система (ЭЭС) является сложнейшим объектом, общее функционирование которого зависит от взаимного влияния друг на друга различных его элементов. На энергосистему регулярно воздействуют как внутренние, так и внешние факторы, которые могут привести к нарушению её нормальной работы. Способность системы сопротивляться воздействиям и переходить в стационарное состояние называют устойчивостью энергосистемы. Одним из ключевых факторов, определяющим надёжность работы ЭЭС является обеспечение устойчивости параллельной работы синхронных генераторов электростанций. При этом существенное влияние на устойчивость оказывает правильность работы систем возбуждения. От правильности работы систем возбуждения и автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) синхронных генераторов зависит качество выдаваемой электрической энергии, надёжность параллельной работы генератора с энергосистемой и другими генераторами электрической станции, обеспечение условий статической и динамической устойчивости. Современные системы управления и регулирования возбуждения выполняются на цифровой аппаратной базе. Вновь вводимые и модернизированные системы должны удовлетворять требованиям ГОСТ 215882018 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов» [12], а их автоматические регуляторы должны пройти обязательную сертификацию в соответствии с требованиями [31, 39, 45]. Модернизация может подразумевать как полную замену системы возбуждения, так и замену в части управления и регулирования с сохранением силовой части. После модернизации системы возбуждения необходимо выбрать оптимальную настройку АРВ, так как за время эксплуатации могли измениться схемно-режимные условия прилегающей энергосистемы.

Правильная настройка каналов АРВ приводит к улучшению характеристик статической и динамической устойчивости параллельной работы, а также способствует эффективному демпфированию послеаварийных качаний в

энергосистеме в диапазоне частот электромеханических колебаний от 0,1 до 2 Гц. Данный диапазон частот охватывает как медленные межсистемные колебания, так и более быстрые внутрисистемные колебания. Правильность настройки АРВ и эффективность каналов его регулирования, особенно каналов стабилизации, лучше всего наблюдается при серьёзных возмущениях в ЭЭС, которые приводят к возникновению электромеханических колебаний. Такими воздействиями являются короткие замыкания, набросы и сбросы нагрузки, обрывы и отключения линий. На практике при работе генератора в энергосистеме проведение таких испытаний запрещено по условиям обеспечения надёжности электроснабжения потребителей. Поэтому в настоящее время для настройки регуляторов используются несколько подходов:

1. Настройка некоторых каналов регулирования при работе генератора на холостом ходу. Выбор коэффициентов усиления остальных каналов при работе в сети осуществляется исходя из результатов опытов небольших возмущений или по опыту предыдущей эксплуатации;

2. Составление физических или математических моделей энергосистемы различной степени детализации и их последующий анализ.

Использование первого подхода может дать недостоверные результаты по ряду причин, но часто именно этот метод используется организациями, осуществляющими пусконаладочные работы на электрических станциях. Во-первых, в случае настройки АРВ при работе генератора на холостом ходу объектом регулирования является генератор, а при работе в сети объект регулирования - генератор, работающий в энергосистеме. Это принципиально разные объекты регулирования с различными динамическими характеристиками. Выбор настроек коэффициентов по опыту эксплуатации также недостаточно корректен, так как структура энергосистемы претерпевает различные изменения, которые связаны с изменением топологии схем или изменением мощностей генерации и потребления. Коэффициенты, подобранные таким образом могут привести к недоиспользованию возможностей АРВ по обеспечению

устойчивости, либо к снижению уровня устойчивости и ухудшению качества регулирования.

Использование второго подхода ограничено тем, что данные о структуре энергосистемы доступны только сетевым компаниям или диспетчерским центрам, которые непосредственно не участвуют в процессе пусконаладочных работ. К тому же, создание физических моделей, их обслуживание и эксплуатация требуют существенных материальных затрат. Использование математических моделей требует наличия мощных ЭВМ и использование специализированных программ, таких как Eurostag [61], PSS/E [65], RUSTab [64]. Одной из основных проблем такого подхода является то, что на этапе пусконаладочных работ невозможно наблюдать эффективность введения каналов стабилизации по стандартным программам испытаний, поэтому каналы регулятора, играющие существенную роль в обеспечении устойчивости энергосистемы, оказываются непроверенными. Эффективность их работы будет видна только в процессе эксплуатации или при аварии после получения данных с регистраторов аварийных событий.

Благодаря появлению и внедрению цифровой техники существенно расширились возможности анализа работы, сбора информации, самодиагностики, отображения элементов системы и различных измерений. Несмотря на это, структура системы автоматического регулирования и алгоритм регулятора сохранились такими же, как в предыдущих поколениях развития элементной базы [46]. В данный момент ведётся активная работа по разработке новых структур и принципов АРВ и стабилизаторов, основывающихся на традиционных детерминированных структурах с использованием классических передаточных функций [21, 22], самонастраивающихся алгоритмов [56], на принципах нечёткой логики [40-42], нейро-нечётких моделей [2]. При использовании новых типов АРВ, им будут также присущи проблемы проверки эффективности настройки на реальном объекте.

Таким образом, разработка методики настройки АРВ на реальном объекте является актуальной проблемой.

Степень разработанности

При настройках с использованием физических моделей, цифро-аналоговых физических комплексов существует возможность сравнения переходных процессов при различных видах серьёзных возмущений в различных схемно-режимных ситуациях. Критерием оптимальной настройки в таких случаях является обеспечение устойчивости энергосистемы при всех нормативных воздействиях [34]. При настройках с использованием математических моделей помимо сравнения переходных процессов при различных видах серьёзных возмущений в разных схемно-режимных ситуациях добавляется возможность использования математического аппарата для предварительной оптимизации. Одними из известных методов является получение областей устойчивости в различных координатах с помощью критерия устойчивости Гурвица в осях Р§еп и 0§еп [23], метода Б-разбиения в осях К^ и К^ [7, 47], корневого анализа [1, 3, 14, 27, 44]. Ещё одним методом является математическое получение и сравнения частотных характеристик путём воздействия единичной импульсной дельта-функции Дирака [18] или другими методами [13]. Наиболее близкие к теме данной работы исследования проводились во время натурных испытаний Саяно-Шушенского энергетического комплекса в 1986 году [17], но ввиду недостаточного развития цифровой техники метод получения и сравнения частотных характеристик оказался трудоёмким и не получил широкого распространения.

Настройка АРВ в данной работе основывается на сравнении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) и фазо-частотных характеристик (ФЧХ), полученных на реальном объекте без серьёзного воздействия на энергосистему при нахождении её в квазистационарном состоянии при подаче белого шума на обмотку возбуждения.

Цели и задачи научной работы

Целью работы является разработка и внедрение метода белого шума для настройки АРВ сильного действия и верификации моделей энергосистем.

Задачами работы являются:

1. Анализ современных методов настройки АРВ сильного действия;

2. Реализация метода получения частотных характеристик на реальном генерирующем оборудовании, физических, математических моделях и обоснование критерия оптимальной настойки АРВ сильного действия;

3. Анализ специфики применения предложенного метода для настройки систем возбуждения различных типов;

4. Исследование эффективности метода на математических моделях в различных схемно-режимных ситуациях в одночастотной и многочастотной схемах;

5. Исследование эффективности метода на физических моделях и реальных генерирующих объектах.

Научная новизна

1. Разработана методика настройки АРВ путём сравнения частотных характеристик, полученных на реальном генерирующем объекте;

2. Сформулированы требования к параметрам белого шума, времени и частоты дискретизации сигналов для получения частотных характеристик;

3. Разработаны, составлены и исследованы математические и физические модели ЭЭС: простейшая схема электропередачи, четырёхмашинная тестовая схема, схема ОДУ Урала;

4. Даны рекомендации по выбору способов и средств улучшения динамических характеристик бесщёточных систем возбуждения;

5. Указана специфика применения методики настройки АРВ для различных типов систем возбуждения.

Практическая значимость работы

1. По результатам моделирования энергосистем была разработана и проверена методика, позволяющая осуществлять настройку АРВ непосредственно на реальном генерирующем объекте;

2. В программном обеспечении «REM-test», предназначенном для сервисного обслуживания регулятора АРВ-РЭМ700, разработан и добавлен

программный модуль, позволяющий генерировать белый шум и получать частотные характеристики;

3. Отмечена специфика применения методики по снятию частотных характеристик для бесщёточных и высокочастотных систем возбуждения;

4. В программном обеспечении «КЕМ4ев1», предназначенном для сервисного обслуживания регулятора АРВ-РЭМ700, добавлена функция для проведения испытаний по определению эквивалентной постоянной времени бесщёточного возбудителя, охваченного жёсткой обратной связью;

5. Проведены системные испытания на реальных генерирующих объектах с различными системами возбуждения.

Методы исследований

В работе использовались методы теории электрических машин, математического и физического моделирования ЭЭС, теории автоматического регулирования, численных методов решения дифференциальных уравнений, теории цифровой обработки сигналов. Математическое моделирование было выполнено в среде «МаИаЬ&81шиНпк» [15, 16]. Физическое моделирование выполнено на цифроаналоговом физическом комплексе АО «НТЦ ЕЭС» и на электродинамической модели ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш». Системные испытания на реальных объектах были проведены на турбогенераторах Белоярской и Запорожской атомных электростанциях (АЭС).

Методика исследования

Методика заключается в последовательной настройке пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) регулятора напряжения, канала внутренней стабилизации по первой производной по времени тока ротора и каналов внешней стабилизации по отклонению частоты напряжения статора и по первой производной по времени частоты напряжения статора по критерию МИНИМАКС [19] на основании полученных в ходе испытаний на реальном объекте частотных характеристик генератора, работающего в ЭЭС.

Защищаемые научные положения

1. Метод получения частотных характеристик генераторов, работающих в энергосистеме, с помощью подачи белого шума на обмотку возбуждения, обоснование вида и параметров шума;

2. Выбор способов и средств улучшения динамических характеристик бесщёточных и высокочастотных систем возбуждения;

3. Выявленные закономерности и критерий настройки коэффициентов усиления АРВ-СД в зависимости от количества частот электромеханических колебаний и их величины;

4. Обоснование необходимости и безопасности подобных испытаний на любом генерирующем оборудовании любой мощности в процессе пусконаладочных работ и планово-предупредительных ремонтов оборудования для настройки, проверки эффективности каналов АРВ и верификации моделей ЭЭС.

Степень достоверности

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждена результатами расчётов на персональном компьютере, исследованиями на физических моделях и системными испытаниями на реальных генерирующих объектах.

Апробация результатов работы

Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering, EECE - 2018. (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, 2018);

2. IEEE Conference Of Russian Young Researchers In Electrical And Electronic Engineering (2020 ElConRus) (г. Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина), 2020).

Личный вклад автора

Определение и обоснование характеристик шума, подаваемого на обмотку возбуждения генератора. Обработка сигналов режимных параметров для получения частотной характеристики. Реализация алгоритма сглаживания частотной характеристики для большей её наглядности. Составление технического задания на разработку программного обеспечения для получения частотных характеристик. Составление технического задания на разработку программного обеспечения для определения эквивалентной постоянной времени бесщёточного возбудителя, охваченного жёсткой обратной связью. Разработка и исследование цифровых и физических моделей схем ЭЭС и проверка методики настройки. Разработка рабочих программ испытаний и непосредственное участие в пусконаладочных и сервисных работах на электростанциях с целью проверки методики.

Публикации

По теме диссертации в соавторстве опубликовано 8 печатных работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК.

Статьи в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

1. Комков А. Л., Попов Е. Н., Филимонов Н. Ю., Юрганов А. А., Бурмистров А. А. Реализация системных функций АРВ сильного действия синхронных генераторов // Электрические станции. - 2019. - № 2. - С. 33 - 36.

2. Комков А. Л., Вишняков А. А., Филимонов Н. Ю., Юрганов А. А., Бикбаев И. М., Прохоров К. В. Определение частотных характеристик энергосистемы при проведении пусконаладочных работ на системе возбуждения турбогенератора ТГ5 Белоярской АЭС // Электрические станции. - 2019. - № 10. -С. 14 - 20.

3. Филимонов Н. Ю., Юрганов А. А. Метод выбора параметров и настройки автоматических регуляторов возбуждения // Известия НТЦ Единой энергетической системы. - 2019. - № 2 (81). - С. 43 - 52.

4. Комков А. Л., Филимонов Н. Ю., Юрганов А. А. Способы и средства улучшения динамических характеристик бесщёточных систем возбуждения // Электрические станции. - 2020. - № 5. - С. 40 - 46.

Статьи в других изданиях:

1. Nikita Filimonov, Alexey Yurganov. Obtaining the frequency characteristics of a generator, operating in a power system for tuning channels of stabilization of an automatic excitation controller // MATEC Web of Conferences, 245 - 2018, 07018, pp. 1 - 4.

2. A. L. Komkov, E. N. Popov, N. Yu. Filimonov, A. A. Yurganov, A. A. Burmistrov. Implementation of the ARV system functions of the strong action of synchronous generators // Power Technology and Engineering. Volume 53, September 2019, Issue 3, pp. 356 - 359.

3. N. Yu. Filimonov, A. A. Yurganov. Determination of frequency characteristics during commissioning of the synchronous generator excitation system // Proceedings of the 2020 IEEE Russia Section Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering Conference, ElConRus 2020. - pp. 1219 - 1221;

4. A. L. Komkov, A. A. Vishnyakov, N. Yu. Filimonov, A. A. Yurganov, I. M. Bikbaev, and K. V. Prokhorov. Determination of the frequency characteristics of the power system during commissioning on the excitation system of the TG5 turbogenerator of Beloyarsk NPP // Power Technology and Engineering. Volume 53, March 2020, Issue 6, pp. 765 - 771.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из списка сокращений и условных обозначений, введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 65 наименований и одного приложения. Работа содержит 140 страниц, включая 103 рисунка и 16 таблиц. Нумерация таблиц, формул и рисунков самостоятельная в пределах каждой главы.

1.

Автоматический регулятор возбуждения сильного действия.

1.1. Математическое описание АРВ сильного действия отечественного

производства

Структура обобщённого АРВ сильного действия отечественного производства представлена на рисунке 1.1. Данный АРВ представляет собой ПИД-регулятор по напряжению и три канала стабилизации: по производной тока ротора, по отклонению частоты напряжения статора, по производной частоты напряжения статора. В структуре содержится канал жёсткой обратной связи (ЖОС) и звено компенсации ЖОС, которые используются при работе АРВ в составе бесщёточных систем возбуждения (БСВ). Таблица 1.1 показывает диапазон значений постоянных времени и их значения по умолчанию. Далее будут построены логарифмические амплитудно-частотные (ЛАЧХ) и логарифмические фазо-частотные характеристики (ЛФЧХ) каналов АРВ при значениях постоянных времени по умолчанию.

Рисунок 1.1 - Структурная система модели обобщённого АРВ сильного действия

П- напряжение статора генератора, е.н. (е.н.с.); ищ— уставка напряжения статора генератора, е.н. (е.н.с.); ЛП- рассогласование уставки и напряжения статора генератора, е.н. (е.н.с.); Прю- выходной сигнал ПИД-регулятора напряжения статора генератора, е.в.н.; Црж- выходной сигнал системного стабилизатора сильного действия, е.в.н.; I/- ток возбуждения генератора, е.т.р.; П- напряжение возбуждения генератора, е.в.н.; /и- частота напряжения статора генератора, Гц; Ияес- выходной управляющий сигнал регулятора возбуждения, е.в.н.; Кри- коэффициент усиления по отклонению напряжения, е.в.н./е.н. (е.в.н./е.н.с.) ; К1и - коэффициент усиления по производной напряжения, е.в.н./е.н./с (е.в.н./е.н.с./с);

Кщ - коэффициент усиления по производной тока ротора, е.в.н./е.т.р./с;

К0/ - коэффициент усиления по отклонению частоты, е.в.н./Гц;

К1/ - коэффициент усиления по производной частоты, е.в.н./Гц/с;

КЖОС - коэффициент усиления жёсткой отрицательной обратной связи,

е.в.н./е.в.н.;

Ти - постоянная времени интегрирования, с.;

Тт1с1_и/ - постоянная времени усреднения напряжения возбуждения, с.; Т01и, Т11и, Т21и - постоянные времени канала по производной напряжения, с.; То щ Т1_щ, Т211/- постоянные времени канала по производной тока ротора, с.; Т0 0/, Т10/, Т2_о- постоянные времени канала по отклонению частоты напряжения статора, с.;

Т01/, ТТ21- постоянные времени канала по производной частоты напряжения статора, с.;

Таблица 1.1 действия

- Значения по умолчанию для постоянных времени АРВ сильного

Постоянная времени Значение по умолчанию, с

Т 1 и 1

Tmid и/ 0,005

То_1и 1

Тип 0,02

Т2_1и 0,06

Т0_11/ 1

Т1_11/ 0,02

Т2_11/ 0,15

То_о/ 2

Т1_0/ 2

Т2_0/ 0,02

То_1/ 1

Т1_1/ 0,02

Т2_1/ 0,15

1.2. Частотные характеристики каналов регулирования АРВ

Структурная схема ПИД-регулятора изображена на рисунке 1.2. Частотные характеристики ПИД-регулятора изображены на рисунках 1.3 и 1.4.

Рисунок 1.2 - Схема ПИД-регулятора

рад./с.

Рисунок 1.3 - ЛАЧХ ПИД-регулятора

\«, рад./с.

Рисунок 1.4 - ЛФЧХ ПИД-регулятора

Структурная схема канала по производной тока ротора изображена на рисунке 1.5. Частотные характеристики канала по производной тока ротора изображены на рисунках 1.6 и 1.7.

Рисунок 1.5 - Схема канала по производной тока ротора

\л/, рад./с.

Рисунок 1.6 - ЛАЧХ канала по производной тока ротора

100

50

с[

(О

о.

со со со

е

-50

-100

10"'

10"

10

10'

10

10°

\л/, рад./с.

Рисунок 1.7 - ЛФЧХ канала по производной тока ротора

Структурная схема канала по отклонению частоты напряжения статора изображена на рисунке 1.8. Частотные характеристики канала по отклонению частоты напряжения статора изображены на рисунках 1.9 и 1.10.

Рисунок 1.8 - Схема канала по отклонению частоты напряжения статора

юи ю

м, рад./с.

10

10°

Рисунок 1.9 - ЛАЧХ канала по отклонению частоты напряжения статора

100

с[

(О

о.

со со со

е

-100

10" 10' рад./с.

Рисунок 1.10 - ЛФЧХ канала по отклонению частоты напряжения статора

Структурная схема канала по производной частоты напряжения статора изображена на 1.11. Частотные характеристики канала по производной частоты напряжения статора изображены на 1.12 и 1.13.

Рисунок 1.11 - Схема канала по производной частоты напряжения статора

рад./с.

Рисунок 1.12 - ЛАЧХ канала по производной частоты напряжения статора

100

50

с[ со о.

п со со

е

-50

-100

10"'

10"

10

10'

10

10°

щ рад./с.

Рисунок 1.13 - ЛФЧХ канала по производной частоты напряжения статора

1.3. Особенности стабилизатора сильного действия отечественного

производства

Авторами De Mello P. P. и Concordia C. впервые были сформулированы принципы настройки системных стабилизаторов [53]. Последующие исследования, основывающиеся на работе De Mello P. P. и Concordia C., развили идеи первоисточника с учётом различных схемно-режимных условий [60], многомашинных схем ЭЭС [54, 55] и ряда дополнительных факторов [58].

Стабилизатор способен демпфировать колебания ротора благодаря правильному воздействию на напряжение возбуждения генератора в определённой фазе электромеханических качаний. Основные принципы стабилизирующего воздействия вытекают из уравнения движения ротора, входящего в систему уравнений синхронной машины Парка-Горева [5, 6, 20]. Уравнение движения выглядит следующим образом:

T . d = MT - Мэм (U)

dt

где TJ - механическая инерционная постоянная агрегата, с; s - скольжение ротора агрегата;

MT - вращающий момент, создаваемый турбиной, о.е.; Мэм - электромагнитный момент, о.е.

Качания ротора могут проходить в двух фазах - ускорение ротора и торможение ротора. В соответствии с формулой 1.1 при ускорении ротора увеличивается скольжение, для демпфирования необходимо увеличить электромагнитный момент за счёт увеличения тока возбуждения. При торможении ротора скольжение уменьшается, поэтому для демпифрования колебания в данной фазе электромагнитный момент должен быть уменьшен за счёт снижения тока возбуждения. За счёт правильного воздействия на обмотку возбуждения можно добиться наилучшего демпфирования колебаний.

Входными параметрами российских регуляторов возбуждения, реализующих унифицированный алгоритм регулирования являются:

1. Отклонение от установившегося значения и производная частоты напряжения генератора (первая и вторая производные по времени внешнего угла) - стабилизатор внешнего движения;

2. Производная тока ротора- стабилизатор внутреннего движения.

Принципы, заложенные в стабилизатор отечественного производства,

рассмотрены на примере двухмашинной энергосистемы, изображённой на рисунке 1.14, а. Схема замещения простейшей электропередачи изображена на рисунке 1.14, б. Передача электроэнергии происходит от первой синхронной машины ко второй синхронной машине. Векторная диаграмма режима работы электропередачи показана на рисунке 1.14, в. Рассмотренная схема является обобщенной, вторая машина является эквивалентом приемной системы. Параметры схемы могут варьироваться. Метод эквивалентирования разработан и успешно применяется на практике [23].

б

Рисунок 1.14 - Характеристики двухмашинной энергосистемы: а) однолинейная

схема, б) схема замещения, в) векторная диаграмма 5- взаимный угол между роторами 1 и 2 машины; 5М1 -угол нагрузки 1 машины; 5м2 - угол нагрузки 2 машины; 5Л - угол по линии;

5внутр. - внутренний угол для 1 машины; 5внеш. - внешний угол для 1 машины; I - ток статора;

Ед1 - синхронная ЭДС 1 машины; Ед2 - синхронная ЭДС 2 машины; им1 - напряжение на статоре 1 машины; иМ2 - напряжение на статоре 1 машины.

Электромеханические колебания в энергосистеме характеризуются колебаниями взаимного угла между роторами синхронных машин 5. В соответствии с векторной диаграммой на рисунке 1.11 (в), взаимный угол состоит из двух компонент. Первая компонента - это внутренний угол для синхронной машины 1 (5внутр. = 5М1), определяемый характеристиками машины 1. Вторая компонента - это внешний угол для машины 1 (5внеш. = 5Л + 5М2), определяемый прилегающей к машине 1 сетью. Стабилизатор внешнего движения, состоящий канала по отклонению частоты и канала по производной частоты, демпфирует внешнюю составляющую взаимного угла 5Е1. Стабилизатор внутреннего движения, состоящий из канала по производной тока ротора, демпфирует внутреннюю составляющую взаимного угла 5внутр..

Исходя из того, что стабилизатор внутреннего движения осуществляет демпфирование внутреннего угла, а стабилизатор внешнего движения -демпфирование внешнего угла, рассмотрим случаи, когда необходимо их применение и введение каждого из каналов. В независимости от того, на какую сеть работает генератор - на сеть с малым сопротивлением линии (жёсткая сеть) или на сеть с большим сопротивлением линии (мягкая сеть), внутренний угол, пропорциональный сопротивлению генератора будет присутствовать всегда. Отметим, что при переходе генератора в режим потребления реактивной мощности, внутренний угол генератора увеличивается. При работе на сеть с малым сопротивлением линии (жёсткая сеть) значение внешнего угла очень мало, при работе на сеть с большим сопротивлением линии (мягкая сеть) значение внешнего угла очень велико.

По вышеперечисленным замечаниям можно заключить, что введение стабилизатора внутреннего движения необходимо всегда. Стабилизатор внутреннего движения наиболее эффективен в режимах потребления реактивной

мощности и близким к ним. Введение стабилизатора внешнего движения определяется параметрами внешней сети. При работе в лёгких схемно-режимных условиях в жёсткой сети его вводить не нужно, так как его введение не будет влиять на демпфирование качаний. При работе на мягкую сеть введение системного стабилизатора становится более эффективным по мере утяжеления схемно-режимной ситуации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Филимонов Никита Юрьевич, 2020 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Баринов, В.А. Анализ статической устойчивости электроэнергетических систем по собственным значениям матриц. / В.А. Баринов, С.А. Совалов //Электричество: 1983. - № 2. C. 8-15.

2. Беляев, А.Н. Проектирование адаптивных автоматических регуляторов возбуждения мощных синхронных генераторов методами нейро-нечеткой идентификации: дис. ...канд. техн. наук: 05.14.02/ Беляев Андрей Николаевич. -СПб., 2000. - 204 с.

3. Беляев, А.Н. Динамические свойства и устойчивость транзитных электропередач и автономных энергосистем с новым управляемым силовым оборудованием: дис. ...докт. техн. наук: 05.14.02/ Беляев Андрей Николаевич. -СПб., 2011. - 276 с.

4. Бочкова Н. Г. Переходные процессы бесщёточного возбудителя. / Н. Г. Бочкова// Электричество. - 1978. - №10. С. 35-39.

5. Важнов, А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. / А. И. Важнов - М.: Энергия, 1980. - 256 с.

6. Веников, В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учебник для электроэнергетических специальностей вузов. / В.А. Веников - М.: Высшая школа, 1985. - 536 с.

7. Герасимов, А.С. Оптимизация настройки регуляторов возбуждения генераторов Северо-Западной ТЭЦ для обеспечения ее параллельной работы с энергосистемой NORDEL. / А.С.Герасимов, А.Х.Есипович, А.С. Зеккель и др. -Электрические станции, 2004. - №4. C. 15-25.

8. Глебов, И.А Научные основы проектирования систем возбуждения мощных синхронных машин / А.И. Глебов - Л.: Наука. Ленинград. отд-ние, 1988. - 332 с.

9. Глебов, И.А Системы возбуждения мощных синхронных машин / А.И. Глебов - Л.: Наука. 1979. - 316 с.

10. Глебов, И.А Электромагнитные процессы систем возбуждения синхронных машин / А.И. Глебов - Л.: Наука. 1987. - 344 с.

11. Горев, А. А. Переходные процессы синхронной машины / А.А. Горев -Л.:Наука, 1985. - 502 с.

12. ГОСТ 21558-2018 Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. - М.: Стандартинформ, 2019. -22 с.

13. Груздев, И.А. Частотные характеристики электроэнергетических систем и их использование в задачах устойчивости и эквивалентирования. / И.А. Груздев,Л.А. Терешко, О.М. Шахаева // Учебное пособие. - Л.: ЛПИ, 1982. - 70 с.

14. Груздев, И.А. Исследование эффективности расчета корней характеристических уравнений высоких порядков при решении задач устойчивости / И.А.Груздев, Б.Л.Торопцев, С.М. Устинов // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений), 1986, - № 4. С. 7-10.

15. Дьяконов, В.П. MATLAB и SIMULINK для радиоинженеров/ В.П. Дьяконов - М.: ДМК пресс, 2016. - 976 с.

16. Дьяконов, В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5 в математике и моделировании/ В.П. Дьяконов - М: СОЛОН-Пресс, 2009. - 567 с.

17. Екимова, М.М. Системные испытания автоматических регуляторов возбуждения генераторов Саяно-Шушенской ГЭС. / М.М. Екимова, А.А. Рагозин, А.А. Орсоева, Л.Б. Рутиновский, А.А. Юрганов, А.Н. Митрофанов, А.А. Старинцев, А.Ф. Самков, Ю.П. Щеглов/ Решение проблем Саяно-Шушенского гидроэнергокомплекса: научно-техническая конференция (Ленинград, 1986). Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987.- С. 443-449

18. Есипович, А.Х. Программный комплекс расчета колебательной устойчивости и выбора настройки регуляторов возбуждения. / А.Х.Есипович, А.С. Зеккель - Электрические станции - №12, 1995. С. 34-42.

19. Есипович, А.Х. Технология настройки цифровых АРВ сильного действия отечественной структуры. / А.Х.Есипович, Д.А. Кабанов - Известия НТЦ ЕЭС №1 (74), 2016. С 113-126.

20. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем / П. С. Жданов; под ред. Л. А. Жукова. - М.: Энергия, 1979. - 456 с.

21. Климова, Т.Г. Анализ функционирования автоматических регуляторов возбуждения синхронного генератора с различными сигналами каналов стабилизации частоты/ Т. Г. Климова, О. О. Николаева // Электрические станции - 2020. - №7 - С. 24-32

22. Коган, Ф. Л. Особенности сильного регулирования возбуждения синхронных генераторов в сложной энергосистеме/ Ф. Л. Коган// Электрические станции - 2019. - №7 - С. 27-35

23. Кожевников, В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. / В.А. Кожевников, А.А. Юрганов - СПб.: Наука, 1996. 138 с.

24. Комков, А. Л. Определение частотных характеристик энергосистемы при проведении пусконаладочных работ на системе возбуждения турбогенератора ТГ5 Белоярской АЭС/ А. Л. Комков, А. А. Вишняков, Н. Ю. Филимонов, А. А. Юрганов, И. М. Бикбаев, К. В. Прохоров// Электрические станции - 2019. - №10 -С. 14-20.

25. Комков, А. Л. Способы и средства улучшения динамических характеристик бесщёточных систем возбуждения/ А. Л. Комков, Н. Ю. Филимонов, А. А. Юрганов // Электрические станции - 2020. - №5 - С. 40-46.

26. Костенко, М.П Электродинамическое моделирование энергетических систем / М.П. Костенко - М-Л.: Изд. АН СССР. 1959. - 406 с.

27. Масленников, В.А. Управление собственными динамическими свойствами крупных энергообъединений и дальних электропередач: дис. д-ра техн. наук: 05.14.02 / В. А. Масленников; СПбГТУ, Электромеханический факультет.— СПб., 1998 . 284 с.

28. Меркурьев Г. В. Устойчивость энергосистем. Том 2. Расчёты: Монография. / Г. В. Меркурьев, Ю. М. Шаргин - СПб.: НОУ "Центр подготовки кадров энергетики", 2006. - 300с.

29. Методические указания по наладке тиристорной системы возбуждения турбогенераторов серии ТВВ мощностью 165 - 800 МВт. МУ 34-70-024-82. - М.: Союзтехэнерго, 1982. - 115 с.

30. Методические указания по наладке тиристорных систем возбуждения с АРВ сильного действия турбогенераторов ТГВ-300 и ТГВ-200. - М.: ОРГРЭС, 1976. - 171 с.

31. Методические указания по проведению испытаний автоматических регуляторов возбуждения сильного действия синхронных генераторов и алгоритмов их функционирования. АО «СО ЕЭС», 2019

32. Методические указания по наладке и испытаниям бесщёточной диодной системы возбуждения турбогенераторов серии ТВВ мощностью 1000 МВт [Текст]: МУ 34-70-140-89. - М., СПО Союзтехэнерго, 1983.

33. Методические указания по техническому обслуживанию бесщёточной диодной системы возбуждения турбогенераторов серии ТВВ мощностью 1000 МВт [Текст]: МУ 34-70-138-86. - М., СПО Союзтехэнерго, 1987

34. Методические указания по устойчивости энергосистем, утвержденные приказом Минэнерго России 30.06.2003 - № 277.

35. Морозова Ю. Л. Частотные характеристики возбудителей с неуправляемыми выпрямителями [Текст] / Ю. Л. Морозова, Г. Н. Бурухин, Ю. Л. Филиппов // Электричество. - 1980. - №5. - С. 44 - 47.

36. Отчёт АО «НТЦ ЕЭС». Выбор параметров настройки регуляторов возбуждения АРВ-РЭМ700 турбогенераторов ТГ-4, 5, 6 Белоярской АЭС в цифровых моделях ОЭС Урала. Инв. №1490-КТ. - СПб, 2019.

37. Отчёт АО «НТЦ ЕЭС». Результаты проверки параметров настройки регуляторов возбуждения АРВ-РЭМ700 турбогенераторов ТГ-4,5,6 Белоярской АЭС на ЦАФК АО «НТЦ ЕЭС» в схеме физической модели ОЭС Урала. Инв. №1511-КТ. - СПб, 2019.

38. Отчёт АО «НТЦ ЕЭС». Физическая модель энергосистемы. Программа испытаний регуляторов возбуждения АРВ-РЭМ700 турбогенераторов ТГ-4, 5, 6

Белоярской АЭС в схеме физической модели ОЭС Урала. Инв. №1501-КТ. - СПб, 2019.

39. Приказ Минэнерго России об утверждении требований к системам возбуждения и автоматическим регуляторам возбуждения сильного действия синхронных генераторов и о внесении изменений в Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации, утверждённые приказом Минэнерго России от 19 июня 2003 г. № 229, Москва, 2019

40. Седойкин Д.Н. Адаптивный автоматический регулятор возбуждения на основе нечеткого аппроксиматора в режиме недовозбуждения синхронной машины. / Д. Н. Седойкин, А. А. Юрганов // Научнотехнические ведомости СПбПУ. Естественные и инженерные науки.-2018.-Том 24.- № 2.- С. 22-29.

41. Седойкин Д.Н. Способ расчета частоты по мгновенным значениям напряжений в трехфазных сетях / Д. Н. Седойкин, А. А. Юрганов // Известия НТЦ Единой энергетической системы.- 2017.-№ 2 (77).- С.74-77.

42. Седойкин Д.Н. Эффективность адаптивного АРВ на основе нечеткого аппроксиматора при работе синхронного генератора в сложной энергосистеме/ Седойкин Д.Н., Юрганов А.А. // Релейная защита и автоматизация.- 2018.-№ 2 (Июнь).- С. 32-37.

43. СО 34.45.629-2002. Методические указания по техническому обслуживанию микропроцессорных АРВ и систем управления силовых преобразователей систем возбуждения генераторов. РАО «ЕЭС России», Департамент научно-технической политики и развития, 2003.

44. Сорокин, Д.В. Координация настроек автоматических регуляторов возбуждения генераторов на основе применения генетического алгоритма. / Д.В. Сорокин // Научно-технические ведомости СПБГПУ, 2009. №1. С. 18-25.

45. Стандарт. Требования к системам возбуждения и автоматическим регуляторам возбуждения сильного действия синхронных генераторов (СТО 59012820.29.160.20.004-2019, утвержден и введен в действие 05.09.2019), АО «СО ЕЭС», 2019

46. Тимощенко, К.П. Ключевые особенности проектирования систем управления возбуждением синхронных машин. / К.П. Тимощенко, А.А. Юрганов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2014. - № (1)190. - С. 75-81.

47. Хрущев, Ю. В. Методы расчёта устойчивости энергосистем. Учебное пособие / Ю. В. Хрущев - Томск.: SST, 2005. - 176 с.

48. Хуторецкий, Г. М. Проектирование турбогенераторов / Г. М. Хуторецкий, М. И. Токов, Е. В. Толвинская. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. Отд-ние, 1987. - 256 с.

49. Цифровая подстанция [Электронный ресурс]. 2020. URL: http://digitalsubstation.com/blog/2016/01/28/rossijskij-profil-iec-61850-9-2/ (Дата обращения: 01.09.2020).

50. Шустерман М. И. Машинный возбудитель переменного тока как звено системы автоматического регулирования / М. И. Шустерман // Электричество. -1973. - №12. - С. 31 - 36.

51. Шхати, Х. В. Формы крутильных колебаний валопровода турбоагрегата/ Х. В. Шхати, Кадхем Б. Т., Беляев А. Н., Смоловик С. В.// Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2008. - №4. - С.169-180.

52. Щегляев А. В. Паровые турбины. / А. В. Щегляев - М.: Энергия. 1976. -368 с.;

53. De Mello, P.P. Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control. / P.P. De Mello, C.Concordia // IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-88, - № 4. April 1969. 189-202 pp..

54. Gibbard, M.J. Coordinated design of multimachine power system stabilisers based on damping torque concepts. / M.J. Gibbard - Proc IEE, Pt.C, 1988. Vol.135. P. 276-284.

55. Gibbard, M.J. Reconciliation of methods of compensation for PSSs in multimachine systems, / M.J.Gibbard , D.J. Vowles. - IEEE Transactions on Power Systems, 2004. Vol. 19, no. 1. P. 463-472.

56. Gu, W. A Self-Tuning Power System Stabilizer for Wide Range Synchronous Generation II / Gu W., K.E. Bollinger , - IEEE Transactions on Power Systems, - Vol. 4, №3, August 1989. P. 1191-1199.

57. Komkov A. L., Determination of Frequency Characteristics of a Power System in the Course of Commissioning Operations Performed on the Excitation System of the TG5 Turbogenerator of the Beloyarskaya Nuclear Power Plant/ A. L. Komkov, A. A. Vishnyakov, N. Yu. Filimonov, A. A. Yurganov, I. M. Bikbaev, K. V. Prokhorov. - Power Technology and Engineering - 2020 - Vol. 53, No. 6, March, P. 765-771.

58. Kundur P. Analytical investigation of factors influencing PSS performance. / P. Kundur. - IEEE Trans. on EC, 1992. Vol. 7, No 3. P. 382-390.

59. Kundur, P. Power System Stability and Control / P.Kundur. - McGraw-Hill, 1994. 1167 pp.

60. Larsen, E.V. Applying Power System Stabilizers, Parts I-III / E.V.Larsen, D.A. Swann. - IEEE T-PAS, 1981. - Vol. 100, - No. 6. P. 3017-3046.

61. Meyer, B. EUROSTAG - A Single Tool for Power System Simulation. Transmission & Distribution International / B.Meyer, M.Stubbe. - 1992. C. 34-37.

62. MathWorks [электронный ресурс]: Band-Limited White Noise: site. - URL: https: //www. mathworks .com/help/simulink/slref/bandlimitedwhitenoise.html (дата обращения: 01.09.2020)

63. MathWorks [электронный ресурс]: Performance of Three PSS for Interarea Oscillations: site. - URL:

https://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/performance-of-three-pss-for-interarea-oscillations.html (дата обращения: 01.09.2020)

64. RastrWin [электронный ресурс]: Документация, видео, презентации: site. - URL: https://www.rastrwin.ru/rastr/RastrHelp.php (дата обращения: 27.09.2020)

65. Tait, I.C. PSS/E's advanced analytical and graphical techniques in systemoperation and planning. / I.C.Tait, C.A.Lynch. - IEEE Transactions on Power Systems, 1992. Vol. 1, №5. P. 1-5.

ПРИЛОЖЕНИЕ А (обязательное). Акты внедрения результатов

диссертационной работы

1. Акт внедрения результатов работы в ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш», г. Санкт-Петербург (Россия)

2. Акт внедрения результатов работы в Филиале АО «Концерн Росэнергоатом» «Белоярская АЭС», г. Заречный (Россия)

3. Акт внедрения результатов работы в Государственном предприятии «Национальная атомная энергогенерирующая компания «Энергоатом» ОП «Запорожская АЭС», г. Энергодар (Украина)

РУСЭЛПРОМ

российский элестротаничЕский концерн

ООО «НПП «РУСЭЛПРОМ-ЭЛЕКТРОМАШ»

196641 Россия, г. Санкт-Петербург, п/о Металлострой, п/я 61 Тел./факс: [phone] [e-mail]

Удщвляющий директор «Русэлпром-

УТВЕРЖДАЮ

Комков А. Л.

2020 г.

АКТ ВНЕДРЕНИЯ результатов диссертационной работы

Настоящим актом подтверждается, что результаты диссертационной работы Филимонова Никиты Юрьевича «Разработка и применение методики белого шума для настройки автоматических регуляторов возбуждения и верификации моделей энергосистем», а именно способ получения частотных характеристик синхронных генераторов, работающих в электроэнергетических системах, были использованы для расширения возможностей программного обеспечения «ЯешТев!», предназначенного для управления и сервисного обслуживания автоматических регуляторов возбуждения серии АРВ-РЭМ700 (ООО «НПП «Русэлпром-Электромаш», г. Санкт-Петербург).

Это позволило оперативно определять частотные характеристики синхронных генераторов и оценивать эффективность работы каналов стабилизации на реальных генерирующих объектах, в частности на Белоярской АЭС, при выполнении пусконаладочных работ и планово-предупредительных ремонтов систем возбуждения.

Е. Н. Попов

вэмз

ЛЕНИНГРАДСКИЙ

ниткам Фсафоновск^