Упрощенные алгоритмы управления возбуждением синхронных генераторов в электроэнергетической системе

УДК 621.313.01

УПРОЩЕННЫЕ АЛГОРИТМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЕМ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ

СИСТЕМЕ

Н.И. ЗЕЛЕНОХАТ, С.В. ЛЯНЗБЕРГ Московский энергетический институт

Решается задача получения упрощенных алгоритмов управления возбуждением синхронных генераторов, синтезируемых на основе теории оптимального управления применительно к сложным многоагрегатным электроэнергетическим системам, даётся оценка эффективности упрощенных алгоритмов на примере исследования переходных процессов в сложной энергосистеме.

Ключевые слова: синтез алгоритмов управления, переходные процессы в электроэнергетической системе.

Решение проблемы создания автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) синхронных генераторов, обеспечивающих устойчивость и необходимое качество демпфирования электромеханических переходных процессов в электроэнергетической системе (ЭЭС), неразрывно связано с определением структуры алгоритмов управления, их настроечных параметров устройства АРВ. Возникающие при этом затруднения связаны с тем, что поведение каждого синхронного генератора в сложной ЭЭС определяется как его свойствами, так и свойствами всех других синхронных генераторов ЭЭС и зависит от взаимного положения роторов генераторов, т.е. зависит от углов сдвига между роторами всех синхронных машин. Однако до последнего времени технически не представлялось возможным определять взаимное положение роторов в переходных режимах в ЭЭС и использовать его в алгоритмах управления АРВ синхронных генераторов.

Поэтому, и по ряду других причин, на практике широкое применение всё ещё находят простые регуляторы возбуждения, так называемые автоматические регуляторы возбуждения пропорционального типа (АРВп.д.) с простым алгоритмом регулирования по отклонению напряжения статора генератора U г от его заданного отклонения U г 0 [1].

Вместе с тем, для обеспечения устойчивости работы синхронных генераторов и высокого качества переходного процесса стали успешно применяться и более сложные автоматические регуляторы сильного действия (АРВс.д.) и быстродействующие тиристорные системы возбуждения. В зарубежной терминологии АРВс.д. состоит из автоматического регулятора напряжения (AVR) и дополнительного устройства в виде приставки PSS (power system stabilizer), которое обеспечивает формирование дополнительного сигнала к выходному сигналу регулятора напряжения для улучшения демпфирования качаний ротора генератора и стабилизации режимов работы синхронного генератора.

АРВс.д. и им подобные зарубежные аналоги имеют известные недостатки, так как в них используются параметры режима, отражающие режимные

© Н.И. Зеленохат, С.В. Лянзберг Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

состояния самого генератора и в малой степени его взаимосвязь с другими генераторами ЭЭС.

На основе экспериментального подхода в работах [2, 3] разработаны алгоритмы управления, учитывающие и взаимосвязь синхронных генераторов в ЭЭС. Получен алгоритм формирования управляющих сигналов u¡ для блока стабилизации PSS в АРВс.д. в виде [3]

ui =

где обозначено:

n

ai = Ун sin a ii; bi = 2 Eqiai + £ Е,уУу sin( 5ij - aij )-

j*i

Остальные обозначения соответствуют общепринятым [1]. Нуждается в пояснении лишь следующее:

ш ig = ш i - шэ - скорость относительного движения ротора генератора i относительно движения ЭЭС как целого (в виде «эквивалентного» генератора, скорость которого определяется по формуле

n n

шэ =Ztjíшi7YutJÍ , i i

где Tji и ш i - постоянная инерции и скорость движения (вращения) ротора генератора i); к1э - коэффициент.

Практическая реализация алгоритма (1) в настоящее время крайне затруднительна, хотя и в наиболее развитых странах (США, Россия, Китай, Мексика и др.) созданы системы мониторинга переходных процессов СМПР [4], или в зарубежной терминологии WAMS, и ведутся разработки по созданию автоматизированных систем управления переходными режимами в реальном времени (АСУПР). Но, даже если и будет разработана система АСУПР, в которой, как и в СМПР, используется спутниковая связь, то при выходе из строя такой связи потребуется осуществлять управление по упрощенным алгоритмам с использованием «местных» параметров режима.

Можно упростить алгоритм (1), если провести замену переменных и записать (1) в виде

ui =

где Ai = Pii/Eqi; Bi = Pii + Pi; Pii = E\yü sinaii;

Pi и Pii - активная мощность генератора и его собственная мощность соответственно.

В этом случае система сбора информации существенно упрощается, так как не требуется передача углов сдвига роторов 5у и ЭДС Еу от других генераторов

ЭЭС на каждую электростанцию i , но должна передаваться информация,

необходимая для определения углов aц и проводимостей уц для каждой

электростанции i. Поэтому следующим этапом упрощения алгоритма (2) © Проблемы энергетики, 2010, № 5-6

является пренебрежение изменением Рц, принимая Рц = const, а при отсутствии местного отбора мощности - полагая Рц » 0.

В этом случае (2) упрощается:

ui = к1э Eqiш Ь 1 Pi

Однако в этом случае требуется передача информации в виде скорости ш ¿э.

На основе (3), если не учитывать изменение Eqi и Pi, могут быть получены упрощенные алгоритмы в виде

ui = кЬшb, (4) а также в виде:

ui = к1э Pi ш ¿э;

U = k¿эШ¿эsign

ui = k ¿эШ ¿э sign

Необходимо сопоставить алгоритмы (1)^(7) по эффективности. Это можно определить по критерию, характеризующему качество переходного процесса в ЭЭС, в частности по интегральному показателю интенсивности затухания взаимных качаний роторов генераторов ЭЭС [5]:

'зат. n

1Ш = I YTJi Ш?эdt, 0 i

где t зат. - задаваемое время затухания переходного процесса.

Чем меньше величина Iш, тем лучше переходный процесс с точки зрения интенсивности его затухания.

Применительно к сложной ЭЭС с тремя электростанциями, схема которой приведена в работе [2], выполнены расчёты переходных процессов при трёхфазном КЗ на линии электропередачи вблизи одной из электростанций (Г3) с отключением одной цепи с КЗ. Напряжение возбуждения формируется в виде

Eqei = Eqe0i + kut (иГ0i - иГi ) + ui,

где Ui задавалось в соответствии с (1), (3) - (7). На рис. 1 приведена диаграмма значений 1ш для алгоритмов (1), (3) - (7), а также (0) при Ui = 0.

Анализ проведённых расчётов показывает, что наиболее интенсивное затухание переходного процесса достигается при использовании алгоритма (1), а наименее интенсивное - при (7).

0 1 3 4 5 6 7 1\

Рис. 1. Диаграмма значений Iш для рассматриваемых алгоритмов (К - номер алгоритма,

0 - соответствует и.1 = 0 ).

Для сравнения на рис. 2 представлены характеристики 5 ¡э (I,] = 1,2,3, г ф ]), полученные расчётом для рассматриваемых условий и при использовании алгоритма (1) - верхний рисунок и алгоритма (4) - нижний рисунок. Углы 5 ¡э определяются по

формуле, аналогично тому, как определяется ш ¿э . Анализ характеристик на рис. 2

подтверждает высокую эффективность управления с использованием алгоритма (1), и, что важно, наиболее простой алгоритм (4) обеспечивает также достаточно высокое качество переходного процесса.

-40

Рис. 2 Характеристики 5 ^ (I) при использовании алгоритма (1) - верхний рисунок

и алгоритма (4) - нижний рисунок

Вывод

Алгоритмы управления возбуждением синхронных генераторов в сложной ЭЭС на основе методов теории управления могут быть существенно упрощены, а объём используемой в них текущей информации о режимном состоянии ЭЭС уменьшен до минимума, что позволяет использовать такие алгоритмы управления в АРВ-М на микропроцессорной основе.

Summary

The solution for the simplification of synchronous generator excitation control algorithms based on the optimal control theory applied to multiple machine power systems is shown. The assessment for simplified control algorithms efficiency is given through investigations of transients in multiple machine power system.

Key words: control algorithm synthesis, transients in electrical power system.

Литература

1. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в энергосистемах. М.: Высшая школа, 1985.

2. Шаров Ю.В., Зеленохат О.Н. Повышение эффективности управления возбуждением генераторов при больших возмущениях в электроэнергетической системе // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №7-8. С. 29-36.

3. Зеленохат О.Н. Демпфирование качаний ротора синхронного генератора воздействием на его возбуждение // Вестник МЭИ. 2007. № 3. с.74-78.

4. B. Ayuev, P. Erokhine, Y. Kulikov. IPS/UPS Wide Area Measuring System. C2-211. CIGRE, 2006. 41st Session. August - September .

5. Зеленохат Н.И. Критерии оптимальности управления переходными электромеханическими процессами в сложной электроэнергетической системе // Известия АН СССР. Энергетика и транспорт. 1972. № 5. С. 22-31.

Поступила в редакцию 01 сентября 2009 г.

Зеленохат Николай Иосифович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроэнергетические системы» Московского энергетического института (Технического университета) (МЭИ (ТУ)). Тел.:+7 (495) 465-37-61. E-mail: ZelenokhatNI@mail.ru.

Лянзберг Сергей Владимирович - аспирант кафедры кафедры «Электроэнергетические системы» Московского энергетического института (Технического университета) (МЭИ (ТУ)). Тел.: +7(916)690-16-74. E-mail: lianzzz@mail.ru.