Динамические свойства и устойчивость транзитных электропередач и автономных энергосистем с новым управляемым силовым оборудованием

На правах рукописи

БЕЛЯЕВ Андрей Николаевич ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И УСТОЙЧИВОСТЬ ТРАНЗИТНЫХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ И АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ С НОВЫМ УПРАВЛЯЕМЫМ СИЛОВЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ Специальность: 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург – 2011 1

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Смоловик Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Попов Виктор Васильевич доктор технических наук, профессор Зеленохат Николай Иосифович доктор технических наук, профессор Савельев Виталий Андреевич

Ведущая организация: ОАО «Институт Энергосетьпроект»

Защита состоится « 30 » марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссер тационного совета Д 212.229.11 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государ ственный политехнический университет» (195251, Санкт-Петербург, ул. Поли техническая, д. 29, главное здание, ауд. 325).

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет».

Автореферат разослан «» 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.229. кандидат технических наук, доцент Попов М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Топливно-энергетический комплекс играет огромную роль в жизнеобеспе чении населения и является важнейшей структурной составляющей развития производительных сил страны и ее регионов. В энергетической стратегии Рос сии на период до 2030 года ставится цель достижения максимальной эффектив ности использования топливно-энергетических ресурсов и потенциала энерге тического сектора для роста экономики и повышения качества жизни. Особое внимание должно уделяться ускоренному технологическому обновлению энер гетики, обеспечивающему выход ее на современные, отвечающие уровню раз витых стран, рубежи энергоэффективности и энергосбережения.

Одной из стратегических целей развития электроэнергетики в рассматри ваемой перспективе является повышение эффективности функционирования и обеспечение устойчивого развития электроэнергетики на базе современных технологий. Для выполнения инновационной программы отрасли необходимо осуществить комплекс научных исследований и разработок, среди которых можно выделить такие направления как развитие межсистемных электрических передач с повышенной пропускной способностью и гибких электрических пе редач переменного тока (FACTS).

Проблемы увеличения пропускной способности системообразующих свя зей, ограничиваемой по условиям устойчивости и роста потерь в системах, при водящего к снижению эффективности использования мощных линий электро передачи, решаются во всем мире за счет повсеместного внедрения устройств автоматического регулирования возбуждения сильного действия, а также регу лируемых устройств компенсации реактивной мощности, таких как статические тиристорные компенсаторы (СТК) и управляемые шунтирующие реакторы (УШР). Сказанное подчеркивает актуальность разработки комплексных мето дов обоснования необходимости применения устройств управляемой попереч ной компенсации (УУПК) для межсистемных транзитных линий электропере дачи переменного тока, а также создание новых непротиворечивых законов управления (для АРВ и АРЧМ генераторов, устройств FACTS и т.п.), избира тельно воздействующих на опасные для устойчивости составляющие движения, в том числе крутильные колебания валопроводов.

Структурная политика в сфере энергообеспечения исходит из необходимо сти совершенствования структуры производства, передачи и потребления энер горесурсов и предусматривает, в частности, формирование новых нефтегазодо бывающих регионов на севере, юге и востоке России. В то же время, основным нефтедобывающим районом России на рассматриваемую перспективу останет ся Западная Сибирь, а после 2011 г. масштабная добыча нефти начнется в Вос точной Сибири, на Дальнем Востоке и в ряде других регионов. Основной при оритет при проектировании систем электроснабжения новых месторождений, во многих случаях автономных, отдается обеспечению бесперебойной, надеж ной и качественной выработке электроэнергии, а также живучести энергоком плекса при всех возможных вариантах аварийных ситуаций.

Важным направлением в электроэнергетике в современных условиях явля ется развитие распределенной генерации на базе строительства электростанций небольшой мощности, в первую очередь небольших ТЭЦ с парогазовыми, газо турбинными установками и т.п. Указанные обстоятельства требуют решения проблем анализа динамических свойств автономных электроэнергетических систем (ЭЭС) нефтедобывающих комплексов с преобладающей двигательной нагрузкой, включающих в себя дизельные, газотурбинные и газопоршневые первичные двигатели, и построением алгоритмов управления, адекватных этим свойствам с целью обеспечения статической и динамической устойчивости, а также механической прочности валопроводов агрегатов электрических станций.

Использование указанных разработок позволит повысить обоснованность решений, принимаемых при проектировании ЭЭС, синхронных машин, а также устройств противоаварийного и режимного управления.

Цель диссертационной работы заключается в разработке и совершенст вовании методов и алгоритмов для решения научно-технической проблемы анализа и выявления особых динамических свойств транзитных электропередач переменного тока и автономных электроэнергетических систем с преобладаю щей двигательной нагрузкой, а также обеспечения статической и динамической устойчивости их режимов за счет оптимального управления силовым оборудо ванием и синтеза новых законов регулирования во всем диапазоне возможных режимов в условиях ограничений на варьируемые параметры системы.

Для достижения поставленной цели были решены следующие логически связанные задачи 1) разработаны методологические основы анализа собственных динамиче ских свойств транзитных электропередач переменного тока и автоном ных энергосистем с преобладающей двигательной нагрузкой, доведен ные до единого инструментария, пригодного к использованию в инже нерной практике;

2) выполнено теоретическое обоснование эффективности применения уст ройств управляемой поперечной компенсации в объединенных и авто номных энергосистемах;

3) усовершенствованы методы анализа динамической устойчивости авто номных энергосистем с двигательной нагрузкой на основе совместного применения методов численного интегрирования и энергетических критериев;

4) выявлены специфические динамические свойства автономных электро энергетических систем, связанные с крутильными колебаниями вало проводов газотурбинных агрегатов и колебательными процессами ге нераторов с дизельным приводом, а также определены требования к со вместной работе силового оборудования и средств автоматического ре гулирования;

5) подтверждена целесообразность внедрения в системы управления час тотой и активной мощностью агрегатов электрических станций допол нительных каналов регулирования по взаимным углам между ЭДС ге нераторов с использованием систем глобального позиционирования;

6) оценены возможности применения методов робастного управления в системах регулирования нового силового оборудования для обеспече ния высоких демпферных свойств во всем диапазоне возможных режи мов в условиях неопределенности параметров системы и ограничений на варьируемые параметры.

Решение этих задач составляет основное содержание диссертации.

Методы исследования. При построении моделей энергосистем и анализе их динамических свойств использовался аппарат линейной алгебры, в том чис ле, технологии работы с разреженными матрицами. При выборе параметров ав томатических регуляторов использовались специальные функции качества и методы минимизации. Разработка перспективных законов управления построе на на аппарате теорий робастного управления, нечеткой логики и нейронных сетей. Для оценки достоверности численного моделирования сопоставлялись результаты компьютерных расчетов при использовании различных программ ных продуктов, а также использовались литературные данные и результаты на турных испытаний.

Научная новизна. Разработаны методологические основы анализа и выяв ления особых динамических свойств транзитных электропередач переменного тока и автономных электроэнергетических систем с преобладающей двигатель ной нагрузкой, а также построения алгоритмов управления, адекватных этим свойствам. К основным научным результатам, которые получены лично автором, включены в диссертацию и представляются к защите, относятся следующие.

1. Методические основы анализа собственных динамических свойств тран зитных электропередач и автономных энергосистем, базирующиеся на по строении областей D-разбиения для произвольных параметров систем ре гулирования и конфигурации ЭЭС, а также выработанные на их основе предложения по усовершенствованию традиционных системных стабили заторов современных АРВ-СД и систем регулирования управляемых шун тирующих реакторов для демпфирования квазиустановившихся и пере ходных процессов.

2. Принципы определения минимально необходимого состава и технических характеристик УУПК для достижения достаточной управляемости в широ ком диапазоне режимов работы транзитных линий электропередачи высо кого и сверхвысокого напряжения, в том числе с устройствами продольной компенсации (УПК), а также обеспечения требуемых запасов статической и динамической устойчивости автономных энергосистем с преобладающей двигательной нагрузкой.

3. Математический аппарат анализа динамической устойчивости, основан ный на совместном применении методов численного интегрирования сис темы нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений и правила пло щадей, а также разработанные на его основе мероприятия по увеличению запасов динамической устойчивости в автономных электроэнергетических систем с преобладающей двигательной нагрузкой.

4. Физические основы, механизм возникновения и принципы подавления опасных величин скручивающих моментов крутильных колебаний вало проводов газотурбинных первичных двигателей электрических станций, а также колебательных процессов, вызванных неравномерностью вращаю щего момента дизель-генераторов в условиях работы многоагрегатных систем автономного электроснабжения.

5. Обоснование дальнейшего развития принципов управления частотой и ак тивной мощностью по взаимным параметрам с использованием спутнико вых систем единого времени для недопущения развития крупных систем ных аварий.

6. Методика упрощенного математического моделирования газотурбинных и газопоршневых первичных двигателей, а также предложения по совершен ствованию моделей паровых турбин на основе результатов натурных ис пытаний для исследования статической и динамической устойчивости.

7. Обоснование целесообразности применения современных методов управ ления (робастных технологий и алгоритмов искусственного интеллекта) в системах регулирования силового оборудования (УПК, УШР, СТК, а также АРВ генераторов) транзитных электропередач переменного тока для обес печения высоких демпферных свойств во всем диапазоне возможных ре жимов в условиях неопределенности параметров системы и ограничений на варьируемые параметры.

Практическая ценность и внедрение результатов.

Теоретические исследования и разработанные алгоритмы управления но вым силовым оборудованием ЭЭС могут применяться в научно исследовательских, проектных и эксплуатационных организациях при решении задач перспективного развития энергосистем, проектирования транзитных электропередач высокого и сверхвысокого напряжения, выбора средств режим ного и противоаварийного управления автономных энергосистем нефтедобы вающих комплексов, разработки мероприятий по улучшению динамических свойств ЭЭС.

Разработанное программное обеспечение с использованием языка модели рования гибридных динамических систем сверхвысокого уровня Modelica (биб лиотека элементов ЭЭС), программы численных расчетов MATLAB/Simulink и среды аналитических вычислений Maple позволяет решать указанные задачи при высокой степени автоматизации вычислений как в автономном режиме, так и во взаимодействии друг с другом и сторонними математическими приложе ниями.

Основные результаты исследований использованы при проектировании крупных транзитных электропередач класса 500 кВ и автономных ЭЭС остров ных территорий и нефтедобывающих комплексов. Среди них можно отметить следующие • разработка технических требований на применение установок управ ляемой поперечной компенсации для транзитной электропередачи «Се вер-Юг» республики Казахстан (ОАО KEGOC, 2004 г.);

• сетевые исследования процессов дизель-генераторов различной мощ ности в автономных энергосистемах островов Кос, Парос, Хиос (Гре ция, ОАО «Электросила», 2003-2007 гг.);

• обоснование эффективности применения и разработка технических требований к управляемым шунтирующим реакторам 500 кВ на приме ре их установки на подстанциях Новоанжерская, Барабинская, Тавриче ская, (Федеральная сетевая компания РАО ЕЭС / ОАО «Электрические управляемые реакторы», 2004 г.);

• разработка технических требований к оборудованию газотурбинных и газопоршневых электростанций, а также противоаварийной автоматики энергосистем Ванкорского и Тарасовского месторождений (ОАО Рос нефть, 2005-2006 гг.);

• обоснование целесообразности установки управляемых шунтирующих реакторов на шинах Игналинской АЭС для компенсации избыточной реактивной мощности (ОАО «Электрические управляемые реакторы», 2006 г.);

• разработка критериев и анализ технико-экономических показателей эффективности работы УШР в сетях различных классов напряжений, выдача рекомендаций по установке УШР в энергосистемах Сибири (Томскэнерго, 2006 г.);

• анализ причин разрушения муфт между генератором и редуктором аг регатов ЭЭС «Вал Гамбурцева» и разработка мероприятий, предотвра щающих появление опасных величин скручивающих моментов (ОАО Роснефть, 2008 г.);

• оптимизация режимов работы газопоршневой электростанции НПС нефтепровода Ванкор – Пурпе и исследование пусковых режимов мощ ных асинхронных электродвигателей (ОАО «Роснефть», 2010 г.).

Теоретические материалы диссертации и разработанное на их основе про граммное обеспечение нашли применение в учебном процессе. В ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» с его использованием ведется курсовое и дипломное проектирование, выполняются циклы лабораторных работ по курсам «Электромагнитные переходные процес сы в электроэнергетических системах», «Электромеханические переходные процессы в электроэнергетических системах», «Компьютерные технологии в науке и образовании». Помимо этого, программное обеспечение используется аспирантами при выполнении исследований по заданным темам.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций под тверждается корректным использованием математического аппарата при про ведении исследований и доказательстве теоретических положений, результата ми компьютерных расчетов, данными натурных испытаний.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсужда лись на следующих научно-технических конференциях, семинарах и симпозиу мах • международной конференции IEEE Power Engineering Society «Power Tech Conference» (Болонья, 2003 г;

Санкт-Петербург, 2005 г.);

• конференции российской северо-западной секции института инжене ров электротехники и электроники «SPb-IEEE Con» (Санкт-Петербург, 2003-2005 гг.);

• международном научном симпозиуме «Elektroenergetika» (Стара Лес на, Словакия, 2007 и 2011 гг.);

• четвертой международной конференции «Liberalization and moderniza tion of power systems: Coordinated Monitoring and Control towards Smart Grids» (Иркутск, 2009 г.);

• всероссийской научно-технической конференции «Наука – производ ство – технологии – экология» (Киров, 2001 г.);

• научно-технической конференции «Энергосистема: управление, каче ство, безопасность» (Екатеринбург, 2001 г.);

• 16th International Power System Conference «PSC2001» (Тегеран, г.);

• IX международной научно-методической конференции «Высокие ин теллектуальные технологии образования и науки» (Санкт-Петербург, 2002 г.);

• 9-ой всероссийской научно-технической конференции «Энергетика:

экология, надежность, безопасность» (Томск, 2003 г.);

• научно-технической конференции «Устойчивость и надежность элек троэнергетических систем» (Санкт-Петербург, 2005 г.);

• научно-технического симпозиума EPRI (Пекин, 2005 г.) • всероссийском научном семинаре «Энергетическая безопасность Рос сии» (Санкт-Петербург, 2006 г.);

• научно-практической конференции «Научные исследования и иннова ционная деятельность» (Санкт-Петербург, 2007-2008 гг.);

• всероссийской конференции по проблемам науки и высшей школы «Фундаментальные исследования и инновации в технических универ ситетах» (Санкт-Петербург, 1997-2008 гг.).

Публикации. Основные научные и практические результаты диссертации опубликованы в 38 печатных работах, в том числе в 15 статьях (из них 13 ста тей в изданиях, рекомендованных ВАК), 20 научных докладах. Библиографиче ское описание основных работ приведено в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, шести глав, заключения и списка литературы, включающего 230 наимено ваний. Основная часть работы изложена на 252 страницах машинописного тек ста, содержит 90 рисунков и 17 таблиц.

Автор глубоко признателен д.т.н., проф. Г.А. Евдокунину и д.т.н., проф.

С.В. Смоловику за научные консультации и совместную работу по планирова нию исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации с точки зре ния повышения эффективности функционирования и обеспечения устойчивого развития электроэнергетики на базе современных технологий.

Сформулированы задачи исследования, связанные с разработкой методов анализа и выявления особых динамических свойств транзитных электропередач переменного тока и автономных электроэнергетических систем с преобладаю щей двигательной нагрузкой. Отмечены научная новизна, практическая цен ность работы, а также структура представленной работы.

Первая глава посвящена проблемам внедрения нового управляемого си лового оборудования электроэнергетических систем.

Рассмотрены вопросы применения устройств управляемой поперечной компенсации на транзитных электропередачах высокого и сверхвысокого на пряжения, а также в автономных системах электроснабжения. Показано, что разработка принципов выбора минимально необходимого объема и техниче ских характеристик управляемых устройств компенсации в широком диапазоне режимов транзитных электропередач с учетом находящегося в работе оборудо вания является важной задачей, обеспечивающей, помимо прочего, существен ный экономический эффект.

Проанализированы проблемы обеспечения динамической устойчивости автономных ЭЭС нефтегазовых месторождений. Указано на необходимость разработки комплекса мероприятий для обеспечения надежности энергоснаб жения и обеспечения требуемого качества электроэнергии. Выявлена потреб ность в разработке математического аппарата анализа динамической устойчи вости, основанного на совместном применении методов численного интегриро вания и правила площадей. Кроме того, отмечено, что в связи со стремлением к снижению массогабаритных показателей конструкция современных генерато ров с газотурбинными и газопоршневыми приводами является достаточно на пряженной и механические воздействия на элементы агрегата при аварийных воздействиях приближаются к предельным.

Показана целесообразность применения систем глобальных измерений, как элемента концепции активно-адаптивных сетей, в алгоритмах управления энер гообъединений, основным принципом функционирования которых является сбор информации в различных точках крупных ЭЭС в режиме реального вре мени и извлечение данных критичных для работы энергосистемы в целом.

Рассмотрены перспективы робастного принципа управления новым сило вым оборудованием в современных условиях, поскольку экономические отно шения между субъектами рынка электрической энергии накладывают сущест венные ограничения на возможности совместной координации настроек регу ляторов с целью увеличения пределов передаваемой мощности и улучшения показателей качества переходных процессов. При этом показано, что основной задачей, решающейся теорией робастного управления, является универсализа ция стратегии регулирования по отношению к изменяющемуся объекту.

Определенное внимание уделено развитию методов математического мо делирования электроэнергетических систем для расчетов статической и дина мической устойчивости, а также выбора оптимальных законов регулирования силового оборудования. Показана целесообразность совместного использова ния системы MATLAB, как мощного средства анализа, и языков моделирова ния динамических систем сверхвысокого уровня, сочетающих сильные стороны объектно-ориентированного программирования, а также визуальное проектиро вание системы любой степени сложности. Таким образом, решение указанных задач для транзитных электропередач переменного тока и автономных электро энергетических систем с преобладающей двигательной нагрузкой может быть выполнено на основе однотипного набора методов.

Во второй главе рассмотрены вопросы математического моделирования силовых элементов ЭЭС и их составных частей.

Ускоренное технологическое обновление отрасли, являющееся одной из ключевых задач энергетической стратегии России, подразумевает подробное исследование свойств внедряемых силовых устройств и их систем управления во взаимодействии с уже работающим в ЭЭС оборудованием. Появление новых задач требует разработки ряда моделей элементов электроэнергетических сис тем или радикального уточнения ранее предложенных в практику расчетов с учетом их возможного применения с новыми алгоритмами управления.

На основе известных опытов натурных испытаний разработаны предложе ния по совершенствованию полной и упрощенной моделей паровой турбины для расчетов статической и динамической устойчивости ЭЭС, в том числе для оценки эффективности законов управления на основе глобальной системы из мерения взаимных углов генераторов, синхронизируемой при помощи спутни ковых систем единого времени.

Для аналитических исследований и разработки замкнутых законов управ ления в энергосистемах автором была предложена структура математической модели турбины в виде нелинейного апериодического звена первого порядка dP Ts Т + PТ = u[t, x(t )], (1) dt где РТ – мощность турбины, u – управляющий сигнал, x – вектор координат сис темы, Тs = f(du/dt, u) – нелинейная функция, описывающая зависимость постоян ной времени модели турбины от скорости изменения и величины сигнала, = g(du/dt, u) – время чистого запаздывания при отработке управляющего сигнала.

В модели турбины (1) учитываются следующие условия Ts = Ts откр при du/dt0, Ts = Ts закр при du/dt0, = откр при du/dt0, = закр при du/dt0, (2) -1 dP/dt 2, -1 u 2, где Ts откр, Ts закр, откр, закр, 1, 2, 1, 2 – заданные положительные числа.

Показано, что в системе уравнений полной модели также должны быть введены различные постоянные времени на открытие и закрытие клапанов, ог раничения на изменение и скорость изменения сигнала, а также постоянная за держка выходного сигнала по аналогии с (2).

В отраслях нефтяной и газовой промышленности назрела необходимость перехода к активному энергосбережению, одним из направлений которого яв ляется строительство газотурбинных или газопоршневых электростанций, для управления которыми применяются автоматизированные системы управления.

Для их синтеза необходимо достаточно полное моделирование поведения ре альной установки с учетом ее динамических особенностей.

Разработаны методики математического моделирования газотурбинных и газопоршневых установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийной автоматики в автономных энергосистемах (рис. 1).

а) 1 0. Регулятор Pmax P0 P Kd N Tdp+1 Pmin Скорость P1 P2 Wf 1 Kd = 25, Td = 0. Tvp+1 Tfp+1 1.3·(W f - 0.23) + Pмех N + 0.5·(1 - N) Tv = 0.05 Tf = 0.4 Мощность N Турбина 0,77·P·N б) Рис. 1. Математические модели регуляторов частоты вращения газотурбинного (а) и газопоршневого (б) агрегатов Кроме того, разработана методика математического моделирования уст ройств управляемой продольной и поперечной компенсации (в том числе, УШР и СТК) с различными законами регулирования для исследования режимов и ус тойчивости транзитных электропередач переменного тока и произведена реали зация всех описанных элементов ЭЭС на языке моделирования динамических систем сверхвысокого уровня Modelica.

Третья глава диссертации посвящена вопросам оптимизации автоматиче ских регуляторов силовых устройств различного вида для демпфирования элек тромеханических переходных и квазиустановившихся процессов.

Развитие силовой электроники, микропроцессорной техники и широкопо лосных каналов связи приводит в современных ЭЭС к взаимодействию различ ных управляемых силовых устройств между собой. Сюда можно отнести уст ройства продольной (TCSC, UPFC и т.д.) и поперечной (УШР, СТК, СК и т.п.) компенсации, широко внедряемые в настоящее время высокоманевренные газо турбинные и газопоршневые агрегаты, а также системы управления по взаим ным параметрам. Неудачный выбор законов управления или неточная настрой ка регуляторов, учитывая большие потенциальные возможности силовой части систем управления, существенным образом влияет на протекание переходных процессов, снижая пределы динамической устойчивости и приводя к непред сказуемому развитию аварий в условиях многократных возмущений.

Для решения задач анализа динамических свойств ЭЭС и оптимизации ав тором была разработана процедура прямого построения кривых D-разбиения на основе расчета корней характеристического уравнения. Сущность предложен ного метода состоит в варьировании двух любых параметров исходной модели системы в некотором диапазоне величин, ее численной линеаризации для каж дой комбинации значений параметров, расчете собственных значений матрицы переменных состояния и визуализации полученной информации. Такой инфор мацией могут быть кривые не только равного затухания, по аналогии с класси ческим D-разбиением, но и области равных частот колебаний как многочастот ного движения в целом, так отдельных ее составляющих. Данная процедура мо жет быть использована для модели ЭЭС любой степени сложности, при этом необходимо установить только требуемые диапазоны варьирования пары опти мизируемых параметров.

В работе приведены многочисленные примеры обоснования технических характеристик управляемых устройств на основе представленной методологии.

В частности, сформулированы условия обеспечения статической устойчивости при установке управляемого шунтирующего реактора на шины крупной элек тростанции для компенсации реактивной мощности отходящих ЛЭП в условиях совместной работы УШР с АРВ генераторов (рис. 2). Показано, что с точки зре ния колебательной устойчивости в условиях многочастотного движения увели чение по модулю коэффициента регулирования по отклонению напряжению K0up и уменьшение постоянной времени системы регулирования УШР Tp приводит к существенному улучшению качества регулирования только одной из состав ляющих движения (рис. 2, а). Однако влияние указанных параметров на другие составляющие весьма ограничено (рис. 2, б), поэтому дальнейшее улучшение характеристик УШР с точки зрения колебательной устойчивости представляет ся нецелесообразным.

а) б) K0up K0up -0.257 -0. 0 0 -0. -0. -0. - -5 -2. -0.26 -0. 9 -0. -0.

область -10 - опти парамет мальных -0. -0.

-0.

ров УШ 2 4 Р - - - -0.. - - -0. -0. -0. -0.

-0.

-0. -0. 4 - - - -0.

. -0 -0.

. -0. 25 - - -0. -0. - - -0. -0. - - -0. -0.

-0. - -0. -0.. -0. -0. -0.

5 - - -0.

- - Tp, c 0 0.5 1 1.5 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 Tp, c Рис. 2. Кривые равного затухания различных составляющих движения в плоскости быстродействия УШР Tp и коэффициента регулирования по отклонению напряжению K0up Система возбуждения генераторов станции адекватно демпфирует послеа варийные качания и вмешательства дополнительного устройства в этот процесс не требуется, а основной задачей, возлагаемой на управляемый реактор являет ся компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП в нормальных режимах работы системы. На основании выполненных расчетов статической и динами ческой устойчивости сформулированы необходимые технические требования к системам регулирования УШР.

Рассмотрены условия демпфирования колебаний, вызванных неравномер ностью вращающего момента первичного двигателя (совпадением так называе мой оборотной частоты дизель-генератора и собственной частоты колебаний ротора) в условиях автономной работы многоагрегатных систем электроснаб жения.

а) б) TJ G5, c TJ G5, c 6.

- -1.

- -1. -1. - -.. 6. -1.2 9.5 -1. -1.

-2.3 - 10 9. -2 -.2. -2.3 8 -1.6 10 14 10 -2.3 -2. -2. 8.3 14 -1. -2 14 -.2 - 9. -2. -2.38 -2 -2. 14.4 38 TJ G4, c. - 5 -2. - -2.2 -2.45 TJ G4, c.. 5 10 15 20 25 5 10 15 20 Рис. 3. Влияние механических инерционных постоянных дизель-генераторов на степень затухания (а) и частоту колебаний (б) К генераторам подобных систем предъявляются достаточно высокие требо вания по параметрам регулирования в стационарных режимах работы, в первую очередь, по амплитуде колебаний мощности (±7,5%) и напряжения (0,6%) при заданном возмущающем воздействии (6% номинального момента). Сложившая ся практика борьбы с колеба M, % U, % ниями мощности предполагает 12.5 в качестве основного мероприя- 0. тия повышение величины меха- 10 0. нической инерционной посто- M 0. янной (рис. 3). 7.5 0. Однако, аналогичный эф- 0. фект может быть достигнут при 5 0. U помощи автоматического регу- 0. лирования возбуждения. В ав- 2.5 0. тономной энергосистеме, ха- 0. рактеризующейся жесткими 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 электрическими связями, при- |KpIs| Рис. 4. Влияние обратной связи по производной менение дополнительной об тока статора АРВ генератора на размах колебаний ратной связи по производной мощности агрегата и напряжения на шинах станции тока статора является наиболее простым и эффективным путем подавления колебаний мощности (рис. 4). По казано, что подавление колебаний электромагнитной мощности генератора за счет регулирования возбуждения приводят к увеличению колебаний напряже ния на шинах приемной станции. Даны рекомендации по выбору настроек до полнительного системного стабилизатора, обеспечивающие удовлетворение всех ограничений, в том числе в условиях параллельной работы нескольких ди зель-генераторов.

Выполнено обоснование целесообразности применения алгоритмов управ ления частотой и активной мощностью на основе системы глобальных измере ний при тяжелых системных авариях. Показано, что в современных условиях развитие технологической базы, с одной стороны, и формирование рынка элек троэнергии, с другой, приводят к необходимости совершенствования традици онных систем управления за счет введения в их структуру управляющих сигна лов по взаимным параметрам.

В качестве дополнительного управляющего воздействия, подаваемого на вход электрогидравлических преобразователей турбин, автором были предложе ны сигналы управления по взаимному углу, его первой и второй производным ds i упр = k 12 + k s s12 + k s 12, (3) dt ds где 12, s12, 12 – отклонение взаимного угла, взаимное скольжение и взаим dt ное ускорение;

k, k s, k s – коэффициенты регулирования.

а) б) в) 12, град UГ1, o.e.

iЛ, o.e.

1. 250 1. 1.2 1. 1 1. 0.8 0 0.6 0. - 0.4 0. - 0.2 0. - 0 0. - t, сек.

38 40 42 44 46 t, сек. t, сек.

38 42 46 50 25 30 35 40 Рис. 5. Влияние непрерывного управления по взаимному углу на переходные процессы в двухмашинной ЭЭС (а) взаимный угол между генераторами с учетом периодизации;

(б) ток в линии связи (ВЛ);

(в) напряжение на шинах станции Проведены численные исследования предложенного алгоритма для экви валентных двух- и трехмашинной моделей ЭЭС, показывающие его эффектив ность при синхронизации частей энергообъединения в условиях многомашин ного асинхронного хода, возникающего при тяжелых системных авариях, в ча стности при отключениях межсистемных ЛЭП. Основным эффектом удержания взаимного угла между роторами генераторов является почти трехкратное сни жение уравнительного тока при включении линии связи и связанное с этим уменьшение колебаний напряжения на шинах станций (рис. 5). Применение в системах управления частоты и активной мощности дополнительных стабили зирующих воздействий по взаимным параметрам позволит существенно облег чить быструю ресинхронизацию генераторов, что в некоторых случаях приве дет к сохранению в работе слабосвязанных частей энергосистемы и не допуще нию дальнейшего утяжеления оставшихся в работе линий.

Обоснование применения современных алгоритмов робастного (грубого или способного работать в изменяющихся схемно-режимных условиях) управ ления для проектирования регуляторов элементов энергосистем (АРВ генера торов, системы управления УШР, УПК и т.п.) производилось на моделях ЭЭС различной степени сложности. Поскольку оптимальность регулятора достига ется для определенного объекта, его изменение в процессе функционирования или переход к другому объекту ведут к потере оптимальности и, возможно, ус тойчивости. Целесообразность применения робастных систем регулирования (на примере методики линейно-квадратичного Гауссова управления с восста новлением регулятора пониженной размерности или LQG/LTR) демонстрирует ся на примере подавления крутильных колебаний валопроводов турбоагрегатов в электропередаче с УПК и УШР, свойства которой при использовании тради ционных регуляторов являются хорошо известными.

Процедура проектирования робастного стабилизатора состоит из двух ос новных этапов – получения фильтра и расчета регулятора. На первом шаге с по мощью фильтра Калмана обеспечивается выделение значений переменных со стояния x из выходных сигналов объекта регулирования y, а на втором шаге реализуется линейный регулятор вида u = -Kcx, где Kc – матрица оптимальных коэффициентов регулирования, и вектор входных переменных системы. Пред ставление линеаризованной модели системы в форме пространства состояния в качестве связи между входными u и выходными y переменными имеет сле дующий вид dx = Ax + Bu + Гw, dt y = Cx + v, где w и v средневзвешенные сигналы белого шума с ковариацией (весовыми коэффициентами) Qf и Rf, соответственно. Здесь Г набор параметров LQG/LTR-процедуры для синтеза стабилизатора с желаемыми характеристика ми. Уравнения фильтра Калмана для оценки состояния dx = Ax + K f [ y Cx ] + Bu, dt K f = Pf С T R 1, f где Pf – решение уравнения Риккати вида Pf АТ + АР f Р f С Т R 1СР f + ГQ f Г Т = 0.

f Этап проектирования регулятора представляет собой решение задачи оп тимального управления, состоящей в получении матрицы коэффициентов для всех переменных состояния Kc. Критерием качества работы является минимум интеграла [ ] J = qy Т QС y + u Т Rс u dt, где Qc и Rc – положительно определенные матрицы, также являющиеся весовы ми коэффициентами;

q 0 скалярный параметр расчета (параметр робастно сти).

Оптимальный закон управления u = Kс x K с = Rc1 B T Рс где Pс определяется из другого алгебраического уравнения Риккати АТ Рс + Рс А Рс ВRс1 ВТ Рс + qC Т QсС = 0.

Конфигурация динамического робастного регулятора К(р) полученная с помощью представленной методики показана на рис. 6.

Фильтр Калмана Объект Матрица управле оптим.

ния коэф-тов (модель ЭЭС) Рис. 6. Структура LQG/LTR-стабилизатора y0 – уставка регулируемой переменной;

y – отклонение регулируемой переменной от уставки;

y – оценка значе ния выходной переменной в фильтре Калмана;

x – оценка значения переменной состояния в фильтре Калмана;

Kf – матрица коэффициентов фильтра Калмана;

G – передаточная функция линеаризованной модели системы Основной недостаток современных методов теории управления, таких как LQG или H, состоит в том, что дифференциальный порядок получаемых ре гуляторов должен быть, по крайней мере, равен порядку рассматриваемого объекта управления. В этой связи существенное развитие получили методы его понижения с целью упрощения процедуры проектирования и, таким образом, уменьшения размерности окончательного варианта регулятора. Сокращенная модель объекта должна достаточно хорошо аппроксимировать поведение пол ной модели. Таким образом, математическая формулировка задачи состоит в получении приближения низкого порядка Gr(р) для заданной линейной системы высокого порядка G(р), такой, что бесконечная норма их разности ||G – Gr|| являлась бы минимальной.

Для этого в работе применяется известная процедура сбалансированного понижения порядка модели Шура. Определим целевую функцию указанной процедуры следующим образом. Необходимо рассчитать модель пониженного порядка Gr(р) =Cr(pI - Ar)-1Br из полной модели n-го порядка G(р) = С (pI - А)-1 В, так чтобы n 2 i G Gr i = k + где i – сингулярные значения G(j), то есть, квадратные корни собственных значений показателей управляемости и наблюдаемости i := i (PQ ), где i (PQ ) – i-ое наибольшее собственное значение PQ, а P и Q – решения сле дующих уравнений Ляпунова PAT + AP + BBT = 0 (показатель управляемости), QA + ATQ + СTС = 0 (показатель наблюдаемости).

Отметим, что А, В, С – матрицы уравнений состояния полной модели G(р), в то время как Ar, Br, Cr – аналогичные матрицы системы пониженного порядка Gr(р).

Разработанный LQG-регулятор с передаточной функцией (4) имеет диффе ренциальный порядок, равный порядку объекта управления A Kc B K f C K f K LQG = (4) Kc С помощью процедуры сбалансированного понижения порядка модели Шура указанное значение может быть существенно уменьшено, причем основ ным критерием является сохранение на прежнем уровне показателей демпфиро вания составляющих колебаний, полученных для полной модели ЭЭС. В работе показано, что двукратное понижение порядка системы регулирования практиче ски не вызывает ухудшения характеристик системы. Таким образом, модель ре гулятора пониженного порядка является оптимальным компромиссом с точки зрения значения погрешности между исходной и новой моделью. Более того, робастный системный стабилизатор пониженного порядка, полученный при конкретных схемно-режимных условиях может сохранять свои качественные показатели даже при изменении параметров электроэнергетической системы.

В четвертой главе диссертации выполнено обоснование необходимости применения устройств управляемой поперечной компенсации на транзитных электропередачах 500 кВ.

Установка шунтирующих реакторов традиционной конструкции (ШР), ре шая поставленные перед ними задачи, оказывает неблагоприятное влияние на пропускную способность линий электропередачи, а также приводит к повышен ным потерям активной мощности в сетях. Для ведения режима суточного графи ка загрузки транзитной электропередачи возникает необходимость в регулиро вании уровней напряжений путем коммутации части шунтирующих реакторов (например, при строительстве второй цепи ВЛ). Коммутации реакторов, как из вестно, вызывают значительные изменения напряжения. С этой точки зрения наиболее «тяжелым» местом являются подстанции (ПС), значительно удаленные от генерирующих источников, поскольку на шинах этих ПС при ступенчатом ре гулировании числа включенных ШР имеют место скачки напряжения 15-20 кВ.

Для стабилизации уровней напряжений возникает необходимость применения управляемых устройств. При этом основная задача заключается в разработке общих принципов определения ми нимально необходимого состава и технических характеристик УУПК для достижения достаточной управ ляемости в широком диапазоне ре жимов работы транзитных линий электропередачи (рис. 7).

Для оценки требуемого объема устройств поперечной компенсации должны быть выполнены расчеты зависимостей мощностей компен сирующих устройств (ШР и УШР) и их количества, установленных на подстанциях 500 кВ рассматривае мого транзита, от величины переда ваемой мощности при заданном на пряжении на этих подстанциях.

Необходимость установки уст ройств управляемой поперечной компенсации реактивной мощности на той или иной ПС транзита тем выше, чем больше диапазон изме нения требуемой реактивной мощ ности при варьировании режима работы протяженной электропере- Рис. 7. Упрощенная схема рассматриваемого дачи (рис. 8). На тех же ПС, где ве- примера транзитной электропередачи личина потребляемой реактивной мощности УШР меняется весьма незначительно, достаточно использование не обходимого количества ШР традиционной конструкции.

В диспетчерском управлении чаще всего принимается, что коммутация не управляемых реакторов производится «по мощности», передаваемой по транзиту (то есть, отключение/включение ШР происходит при достижении конкретного, заранее заданного значения передавае мой мощности), не принимая во внима ние возможные изменения напряжений в реальных ситуациях по отношению к чисто расчетным случаям. При поиске оптимальной стратегии вместо управле ния «по мощности» следует рассматри вать управление «по напряжению».

Наиболее целесообразной призна на следующая стратегия коммутации неуправляемых реакторов (рис. 9). Во Рис. 8. Оценка общего объема устройств всем диапазоне рабочих режимов, ко- компенсации в перспективной схеме транзи та без генерации реактивной мощности гда коммутация одного ШР на любой из ПС не приводит к недопустимому увеличению напряжения более 525 кВ, возможно поддержание напряжения не ниже значения 500 кВ для уменьшения потерь мощности. При дальнейшем увеличении передаваемой по транзиту мощности напряжение на промежуточных ПС поддерживается на уровне кВ для обеспечения возможности коммутаций ШР.

Кроме того, необходима проверка возможности функционирования тран зита в диапазоне рабочих режимов при полном отсутствии коммутаций не управляемых реакторов (рис.

10). Требуемый уровень на пряжений внутри этого диа пазона мощностей может быть обеспечен частично за счет управления потребляе мой реактивной мощностью (по одному УШР на двух ПС, при этом обеспечивается за данная точность регулирова ния), а при выведении УШР из работы за счет его естест венного падения до допусти Рис. 9. Поддержание напряжения на ПС не менее 500 кВ мого уровня 475 кВ при в рабочих режимах посредством коммутации ШР дальнейшем увеличении пе редаваемой мощности (в этой связи считается необходимым, чтобы уставка УШР по напряжению находилась на достаточно высоком уровне 515-520 кВ).

При этом определяются дополнительные области рабочих режимов транзита за счет установки нескольких УШР на промежуточных подстанциях (для ПС, где такая установка целесообразна, в соответствии с рис. 8). В большинстве же случаев совместная работа неуправляемых устройств и одного УШР мощно стью 180 МВар на каждой промежуточной ПС является достаточным условием нормального функционирования транзитной электропередачи 500 кВ.

Применение рассмотренного в главе 3 метода анализа динамических св ойств систем показало, что колебательная устойчивость транзита не ухудшает ся от внедрения управляемых устройств поперечной компенсации даже со зна чительными коэффициентами регулирования, в то время как качество напряже ния на всех промежуточных ПС улучшается весьма существенно.

Полученные результаты свидетельствуют также о сравнительно неболь шом влиянии постоянной времени УШР на колебательные свойства системы (в пределах 10% при изменении постоянной времени устройства в 10 раз). Поэто му разработка специальных и дорогостоящих мероприятий, направленных на уменьшение эквивалентной постоянной времени системы регулирования УШР, не является целесообразной.

Показано, что применение регулирования УШР по отклонению тока линии электропередачи позволяет при точной настройке получить степень устойчиво сти, равную или более высокую, чем при регулировании по отклонению напря жения. Однако, область настройки является крайне узкой и выбор коэффициен тов регулирования по току, обеспечивающих допустимые показатели устойчи вости при изменении схемно-режимных условий, весьма затруднен. Изложен ное не позволяет рекомендовать этот вид регулирования для транзитных элек тропередач со значительными изменениями потоков активной мощности.

а) QCSR, о.е.

б) Рис. 10. Регулирование напряжения (а) во всем диапазоне рабочих режимов за счет изменения мощности УШР (б) Возможным средством улучшения демпферных свойств рассматриваемых систем является введение в закон управления УШР, по аналогии с АРВ-СД синхронных генераторов, ряда стабилизующих параметров, например, откло нения и производной частоты напряжения в точке подключения реактора. По лучаемые настроечные параметры УШР по частоте обладают чрезвычайно вы сокой степенью робастности (то есть слабой зависимостью от изменения режи ма работы) и могут быть рекомендованы для управления во всем диапазоне пе редаваемых по транзиту мощностей. При этом достигается улучшение показа телей демпфирования по сравнению со случаем применения неуправляемых устройств компенсации более чем в 2 раза.

Кроме того, показано, что установка управляемых устройств компенсации не приводит к ухудшению уровня динамической устойчивости рассматривае мых электропередач и, в то же время, позволяет улучшить качество напряжения на шинах промежуточных ПС в послеаварийных режимах.

В пятой главе рассмотрены вопросы снижения скручивающих моментов в системе газотурбинного привода генераторов автономной электростанции.

В последние годы возникла потребность в анализе причин появления по вышенных вибраций, а также разрушения муфт между генератором и редукто ром, которые имели место на газотурбинных агрегатах автономных энергосис тем нефтедобывающих комплексов при питании части двигательной нагрузки напрямую от шин генераторного напряжения в результате коротких замыканий (КЗ) и последующих переходных процессов. В работе разработаны расчетные модели автономных ЭЭС с двигательной нагрузкой и первичными двигателями различных типов (дизельными, газотурбинными и газопоршневыми), позво лившие выявить специфические динамические свойства таких энергосистем и определить величины скручивающих моментов, воздействующих на муфты.

Формирование таких моделей потребовало увеличения объема исходной ин формации. На основании серий расчетов предложены и обоснованы мероприя тия, предотвращающие появление опасных величин скручивающих моментов.

Появление дополнительной составляющей крутильных колебаний с часто той, в несколько раз превышающей частоту электромеханических колебаний, приводит к тому, что даже незначительные изменения времени отключения КЗ могут обусловить увеличение скручивающего момента между ротором генера тора и турбиной (рис. 11).

а) б) MТ-Г, s o.e.

Тяжелый вариант 2, отключения КЗ 0, 2, 0, 1, 0, 1, 0, 0, -0, 0, -0, -0, -0, -0, -0, -0, -1, -0, -1, -0,028 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 t, с t, с 0 0,03 0,05 0,08 0,1 0,13 0, Рис. 11. Расхождение скольжений эквивалентных синхронных генераторов (–––––), (– – –) и двигателя (–. –. –) в аварийном режиме (а) и его влияние на величины скручивающих моментов в послеаварийном режиме (б) Показано, что снижение амплитуд скручивающего момента между ротором генератора и турбиной в аварийном режиме может быть достигнуто за счет уста новки разделительного трансформатора (рис. 12, а). Увеличение его индуктивно го сопротивления будет приводить к уменьшению токов короткого замыкания, а как следствие, максимальных значений скручивающих моментов и, в то же вре мя, отрицательно влиять на динамическую устойчивость системы (предельная длительность двухфазного короткого замыкания может снижаться до 0,06 с).

Максимальная эффективность снижения амплитуд скручивающего момен та в послеаварийном режиме достигается за счет совместного применения раз делительного трансформатора и последовательного электрического торможе ния генераторов (рис. 12, б). Повышение динамической устойчивости при элек трическом торможении может быть дополнительным положительным факто ром при его совместной работе с разделительным трансформатором, компенси руя появление в аварийном режиме дополнительного продольного индуктивно го сопротивления в цепи.

Количественные характеристики указанных выше устройств для обеспече ния динамической устойчивости системы в целом и устойчивости рассматри ваемого узла нагрузки в частности определены расчетным путем.

а) б) MТ-Г, o.e. MТ-Г, o.e.

2, 2, 2, 1, 2, 1, 1, 1, tЭТ, с 0 0,005 0,01 0,015 0,02 0, xT, o.e.

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0, Рис. 12. Зависимость скручивающих моментов в аварийном режиме от величины индуктив ного сопротивления разделительного трансформатора (а) и в послеаварийном режиме от момента включения устройств электрического торможения (б) Шестая глава посвящена совершенствованию методов анализа динамиче ской устойчивости и разработке мероприятий по ее повышению в автономных системах электроснабжения.

Предложенный в работе математический аппарат оценки запасов динами ческой устойчивости с помощью правила площадей учитывает изменение па раметров машин во времени (угловые положения роторов, скорости, мощности и т.д.), поскольку они рассчитываются программой анализа процессов во вре менной области. Такая информация не только дает возможность выявить кри тические машины, но и позволяет оценить пределы устойчивости – предельные времена отключения КЗ и предельные взаимные углы роторов.

При возникновении возмущения с помощью программы расчетов переход ных процессов во временной области производится анализ заданной аварийной ситуации для достаточно малых времен отключения коротких замыканий (рис. 13) и далее выполняются следующие действия:

1) идентифицируются критические машины по взаимному отклонению уг ловых положений роторов;

2) вычисляется взаимное ускорение между критической машиной и маши ной, принятой за базисную, по следующей формуле d2 12 = 2 (1 2 ) = C (PT 1 P ) C (PT 2 P2 ) '' TJ 1 TJ dt где 12 – взаимный угол между поперечной осью базисного генератора и попе речной осью критической машины;

С - синхронная частота;

TJ 1 - механиче ская инерционная постоянная базисного генератора;

TJ 2 – механическая инер ционная постоянная критической машины;

PT 1 – механическая мощность на ва лу базисного генератора;

PT 2 – мощность механизма, приводимого во вращение критической машиной;

P – электромагнитная мощность базисного генератора;

P2 – электромагнитная мощность критической машины;

3) аппроксимируется значение взаимного ускорения 12 для площадок ус '' корения и торможения на интервале от начала возмущения до значения взаим ного угла, равного ;

4) интегрируя аппроксимированные значения взаимного ускорения 12 на '' интервалах времени, соответствующих ускорению и торможению роторов, по взаимному углу с помощью правила площадей определяем, является ли система динамически устойчивой;

5) экстраполируя значения взаимного ускорения машин по отдельности для участков кривой, соответствующим ускорению и торможению, находим значение взаимного угла, при котором будет выполняться равенство, отвечаю щее границе динамической устойчивости системы (tКЗ = 0,206 с). Полученное значение 12 кр будет являться критическим для данного возмущения;

6) аппроксимируя значения взаимного угла на интервале времени, соответ ствующем его росту после приложения возмущения, находим значение крити ческого времени t кр, отвечающему значению 12 кр, определенному ранее. Ве личина tкр является предельным временем действия рассматриваемого возму щения до потери системой динамической устойчивости.

На основе разработанного метода, представляющего собой расширение традиционного для теоретического анализа динамической устойчивости прави ла площадей, могут быть сформулированы минимально необходимые техниче ские требования к энергетическому оборудованию и противоаварийной автома тике автономных ЭЭС нефтегазовых месторождений для обеспечения устойчи вости работы генераторов и электродвигателей, а также снижения рисков на рушения электроснабжения при авариях в энергосистеме.

В частности, показано, что большинство вновь проектируемых систем с высокоманевренными агрегатами обладает очень низкими показателями дина мической устойчивости, а предельная длительность коротких замыканий на шинах станции в зависимости от дальнейшего развития аварии составляет 0,0350,12 с из-за чрезвычайно быстрого изменения взаимных углов между ро торами синхронных машин, обусловленного ускорением роторов генераторов станции и торможением двигателей нагрузки. За счет введения устройств по следовательного электрического торможения (ЭТ) возможно обеспечение тре буемого нормативами запаса динамической устойчивости автономной ЭЭС ме сторождения даже для «легких» агрегатов с низкой инерционной постоянной.

При уменьшении величины активного сопротивления устройства почти в 3 раза минимально необходимая длительность его включения возрастает не более чем на 25%. При включении устройства ЭТ происходит значительное мгновенное увеличение электромагнитной мощности генератора, которое, тем не менее, яв ляется допустимым по условиям эксплуатации. Обоснована целесообразность включения устройств ЭТ непосредственно в статорные цепи каждого генерато ра в отдельности для обеспечения требуемого уровня динамической устойчиво сти. Применение быстродействующих тиристорных устройств для более ранне го включения ЭТ в аварийной ситуации (например через 0,03 с после КЗ) также позволит увеличить запас динамической устойчивости.

При сложных авариях отключение части (суммарным объемом 20-25%) только асинхронной нагрузки достаточно для обеспечения динамической ус тойчивости системы с предельным временем КЗ без появления «лавины напря жения». Данное мероприятие необходимо производить совместно с электриче ским торможением части или всех генераторов станции в объеме, определяе мом расчетным путем. Включение секционных выключателей может значи тельно (от 20 до 70%) ухудшить уровень динамической устойчивости.

Рис. 13. Оценка динамической устойчивости системы на основе расширенного правила площадей показаны кривые при tКЗ = 0,12 с., тонкими линиями и Толстыми линиями и – при tКЗ = 0,206 с. Сплошная линия получена из расчета переходного процесса, пунктирная – посредством его дальнейшей аппроксимации Применение компенсаторов реактивной мощности, состоящих из УШР и батареи статических конденсаторов, на шинах нагрузки, наиболее уязвимой с точки зрения появления лавины напряжения, позволяет в сложных аварийных ситуациях увеличить уровень динамической устойчивости (допустимые дли тельности коротких замыканий) как минимум в 1,5 раза. За счет стабилизации уровня напряжения опрокидывания двигателей в этих узлах не происходит, а нарушение динамической устойчивости имеет место на первом колебании уг лов при значительно большей длительности короткого замыкания (0,1 с вместо 0,04 с).

На основе расчетов статической устойчивости и построения кривых пере ходных процессов при больших возмущениях показано, что многие послеава рийные режимы характеризуются достаточно длительными электромеханиче скими качаниями роторов синхронных машин (генераторов и двигателей), а в ряде случаев (например, при низких инерционных постоянных агрегатов) яв ляются колебательно неустойчивыми. В этой связи продемонстрирована воз можность оптимизации регуляторов частоты и мощности генераторов автоном ных ЭЭС, а также определены количественные характеристики регуляторов приводных механизмов для существенного увеличения запасов колебательной статической устойчивости.

Предложены варианты оптимизации алгоритмов плавного пуска асин хронных двигателей (АД) с учетом эффективного токоограничения и особенно стей моментно-скоростных характеристик электромагнитного момента совре менных АД на основе применения набора экспоненциально возрастающих или убывающих функций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 1. Разработаны методологические основы анализа динамических свойств транзитных электропередач и автономных энергосистем, базирующиеся на по строении областей D-разбиения для произвольных параметров систем регули рования и конфигурации ЭЭС. На их основе выработаны предложения по усо вершенствованию традиционных системных стабилизаторов современных АРВ-СД и систем регулирования управляемых шунтирующих реакторов для демпфирования квазиустановившихся и переходных процессов.

2. Обоснована эффективность применения устройств управляемой попе речной компенсации в объединенных и автономных энергосистемах. Разрабо таны принципы определения минимально необходимого состава и технических характеристик УУПК для достижения достаточной управляемости в широком диапазоне режимов работы транзитных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, в том числе с устройствами продольной компенса ции, а также обеспечения требуемых запасов статической и динамической ус тойчивости автономных энергосистем с преобладающей двигательной нагруз кой. Показано, что весь диапазон рабочих режимов транзитных электропередач может быть обеспечен только за счет плавного изменения потребления реак тивной мощности управляемых шунтирующих реакторов и выполнения допол нительных коммутаций традиционных ШР не требуется. Сформулированы ус ловия обеспечения апериодической и колебательной статической устойчивости при установке управляемого шунтирующего реактора на шины крупной элек тростанции для компенсации реактивной мощности отходящих ЛЭП в условиях совместной работы УШР с АРВ генераторов. Показана нецелесообразность чрезмерного уменьшения эквивалентной постоянной времени системы регули рования УШР. Получено подтверждение положения о том, что система возбуж дения генераторов станции адекватно демпфирует послеаварийные качания и вмешательства дополнительного устройства в этот процесс не требуется, а ос новной задачей, возлагаемой на управляемый реактор, является компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП в нормальных режимах работы системы.

На основании выполненных расчетов статической и динамической устойчиво сти сформулированы необходимые технические требования к системам регули рования УШР.

3. Усовершенствован математический аппарат анализа динамической ус тойчивости, основанный на совместном применении методов численного ин тегрирования системы нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений и правила площадей для двухмашинной модели ЭЭС, позволяющий, в частности, существенно сократить объем расчетов при поиске предельных времен отклю чений коротких замыканий в электрической системе произвольной сложности.

Отработка основных положений производилась на упрощенных моделях авто номных ЭЭС нефтегазовых месторождений при полном моделировании син хронных и асинхронных машин с использованием уравнений Парка-Горева, ав томатических регуляторов напряжения и различных приводных механизмов (дизельных, газотурбинных и газопоршневых). Предложены варианты оптими зации алгоритмов плавного пуска асинхронных двигателей с учетом эффектив ного токоограничения и особенностей моментно-скоростных характеристик электромагнитного момента современных АД на основе применения набора экспоненциальных функций.

4. Обосновано направление дальнейшего совершенствования существую щих алгоритмов управления частотой и активной мощностью на основе гло бальной системы измерения взаимных углов генераторов, синхронизируемой при помощи спутниковых систем единого времени. Разработан алгоритм управления переходными процессами частей энергообъединения для осуществ ления автоматического включения межсистемных ЛЭП. Проведены численные исследования предложенного алгоритма для эквивалентных моделей ЭЭС, по казывающие его эффективность для синхронизации частей энергообъединений в условиях многомашинного асинхронного хода, возникающего в результате тяжелых системных аварий.

5. Выявлены специфические динамические свойства автономных электро энергетических систем, связанные с крутильными колебаниями валопроводов газотурбинных агрегатов. На основе разработанных математических моделей автономных ЭЭС нефтедобывающих комплексов с преобладающей двигатель ной нагрузкой и учетом крутильных колебаний валопроводов агрегатов элек трических станций выполнен анализ причин разрушения муфт между генерато ром и редуктором, имевших место при коротких замыканиях и последующих переходных процессах. Выявлено, что работа высокоманевренных агрегатов с малыми значениями инерционных постоянных и большими значениями жест костей связей участков валопровода агрегата непосредственно на местную на грузку может привести к появлению опасных величин скручивающих момен тов. Указанные обстоятельства усугубляются при совместной работе несколь ких генераторов с различными параметрами в автономной энергосистеме с пре обладанием двигательной нагрузки. Показано, что величина скручивающего момента, воздействующего на элемент конструкции агрегата, есть сложная функция параметров, поэтому она не должна определяться по амплитудному значению электромагнитного момента генератора. Разработаны мероприятия по снижению амплитуд скручивающих моментов между ротором генератора и турбиной в аварийном и послеаварийном режимах, а также определены пара метры устройств для обеспечения динамической устойчивости системы в целом и устойчивости узлов двигательной нагрузки в частности.

6. На базе результатов натурных испытаний паровых турбин разработаны предложения по совершенствованию полной и упрощенной математических моделей паровой турбины для расчетов статической и динамической устойчи вости электроэнергетических систем, в том числе для оценки эффективности различных законов управления установок с парогазовым циклом. Разработаны методики упрощенного математического моделирования дизельных, газотур бинных и газопоршневых установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийной автоматики в автономных энергосистемах.

7. Рассмотрены условия демпфирования колебаний, вызванных неравно мерностью вращающего момента первичного двигателя (дизель-генератора) в условиях автономной работы многоагрегатных систем электроснабжения. Ус тойчивость и надежность работы таких ЭЭС обеспечивается за счет примене ния различных систем управления. Важное место среди них занимают системы автоматического регулирования возбуждения генераторов. Достижение высо ких демпферных свойств реализуется благодаря использованию в АРВ допол нительных параметров стабилизации. Установлена высокая эффективность ис пользования канала регулирования возбуждения по производной тока статора.

Показано, что подавление колебаний электромагнитной мощности генератора за счет регулирования возбуждения приводят к увеличению колебаний напря жения на шинах приемной станции. Даны рекомендации по выбору настройки канала регулирования по производной тока статора, обеспечивающих удовле творение всех ограничений.

8. Обоснован общий подход к проектированию адаптивных робастных ре гуляторов заданной структуры для демпфирования электромеханических пере ходных процессов в ЭЭС и крутильных колебаний валопроводов турбоагрега тов. На основе методики математического проектирования регуляторов разра ботана структура робастного LQG/LTR-стабилизатора АРВ генератора, УШР и УПК для демпфирования составляющих крутильных колебаний. В качестве входного сигнала регулятора используется только один сигнал обратной связи (отклонение частоты вращения ротора). Такая конфигурация является простой и практически реализуемой, вследствие использования легко измеримых вели чин. На основе процедуры сбалансированного понижения порядка модели Шу ра получена методика понижения дифференциального порядка робастного ста билизатора. Показано, что разработанный робастный стабилизатор обеспечива ет значительное улучшение демпферных свойств системы на частотах крутиль ных колебаний и даже при двукратном уменьшении порядка стабилизатора по казатели качества переходных процессов остаются практически на прежнем уровне.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Беляев, А.Н. Повышение динамической устойчивости автономных энер госистем нефтегазодобывающих комплексов на основе электрического тормо жения / А.Н. Беляев // Научно-технические ведомости СПбГПУ.– СПб.,.– №4(63): Основной выпуск.– С. 163-169.

2. Беляев, А.Н. Снижение скручивающих моментов в системе газотурбин ного привода генераторов автономной электростанции / А.Н. Беляев // Извес тия РАН. Энергетика.– 2010.– № 2.– С. 124-132.

3. Беляев, А.Н. Демпфирование составляющих крутильных колебаний в автономных энергосистемах с преобладающей двигательной нагрузкой за счет «сильного» регулирования устройств продольной емкостной компенсации / А.Н. Беляев, А.А. Смирнов, С.В. Смоловик // Известия высших учебных за ведений. Проблемы энергетики.– Казань, 2011.– № 7-8.– С. 71-82.

4. Беляев, А.Н. Исследование пусковых режимов асинхронных двигателей для оптимизации работы нефтеперекачивающих станций с газопоршневыми аг регатами соизмеримой мощности / А.Н. Беляев, А.А. Смирнов, С.В. Смоловик // Научно-технические ведомости СПбГПУ.– СПб., 2011.– №1(117): Наука и образование.– С. 80-88.

5. Беляев А.Н. О применении устройств управляемой поперечной компен сации для транзитных электропередач класса 500 кВ / А.Н. Беляев [и др.] // Электричество.— М., 2009.– №2.– С. 2-13.

6. Беляев А.Н. Робастный адаптивный регулятор для демпфирования меж районных колебаний в электроэнергетической системе / А.Н. Беляев [и др.] // Электричество.– М., 2011.– №6.– С. 2-10.

7. Беляев А.Н. Демпфирование крутильных колебаний в электроэнергети ческой системе на основе принципов робастного управления / А.Н. Беляев, Б.Т.

Кадхем, С.В. Смоловик // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики.– Казань, 2009.– №1-2.– С.61-70.

8. Беляев А.Н. Проектирование адаптивных автоматических регуляторов возбуждения с помощью нейронечеткого моделирования / А.Н. Беляев, С.В.

Смоловик // Электричество.– М., 2002.– №3.– С. 2-9.

9. Беляев, А.Н. Регулирование синхронных генераторов с дизельным при водом / А.Н. Беляев, О.В. Епифанова, С.В. Смоловик // Научно-технические ведомости СПбГТУ.– СПб., 2006.– №5, т.1.– С. 74-79.

10. Беляев, А.Н. Управляемые источники реактивной мощности для обес печения устойчивости узлов нагрузки нефтегазодобывающих комплексов / С.Т.

Андрус, А.Н. Беляев // Научно-технические ведомости СПбГТУ.– СПб.,.– №1.– С.92-97.

11. Беляев А.Н. Подавление крутильных колебаний валопровода в элек тропередаче с продольной емкостной компенсацией / А.Н. Беляев, Б.Т. Кадхем, С.В. Смоловик // Научно-технические ведомости СПбГТУ.– СПб., 2008.– №1.– С.102- 12. Беляев А.Н. Формы крутильных колебаний валопровода турбоагрегата / А.Н. Беляев [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ.– СПб.,.– №4 (63).– С. 169-180.

13. Беляев, А.Н. Smart grid. Разработка приложений / А.Н. Беляев [и др.] // Научно-технические ведомости СПбГПУ.– СПб., 2011.– №6.1(138): Инфор матика, телекоммуникации, управление.– С.115-121.

14. Беляев А.Н., Назарова Е.С., Смирнов А.А. Влияние устройств попереч ной компенсации на статическую устойчивость транзитных электропередач // Электрика, 2011, № 5, с. 3-9.

15. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Системы глобальных измерений в алго ритмах управления энергообъединений // Труды 9-ой Всероссийской научно технической конференции «Энергетика: экология, надежность, безопасность», Томск, 2003.

16. Беляев А.Н., Кабанов И.А., Смоловик С.В., Шхати Х.В. Сравнение со временных подходов к моделированию электроэнергетических систем // Мате риалы Всероссийской научно-технической конференции «Наука - производство - технологии – экология». Киров: Изд-во ВятГТУ. 2001.

17. Беляев А.Н., Насери А., Смоловик С.В. Рациональный выбор весовых функций в процессе построения робастного регулятора возбуждения синхрон ных генераторов // Высокие интеллектуальные технологии образования и нау ки. Материалы IX международной научно-методической конференции – СПб:

СПбГТУ, 14-15 февраля 2002.

18. Беляев А.Н., Епифанова О.В., Смоловик С.В. Оптимизация работы ти хоходных дизель-генераторов большой мощности в автономных системах элек троснабжения // Труды СПбГТУ «Электроэнергетическое оборудование: на дежность и безопасность», № 501, с. 48-57.

19. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Применение методов нейро-нечеткой иден тификации для автоматизации процесса проектирования адаптивных регулято ров возбуждения. Труды научно-технической конференции «Энергосистема:

управление, качество, безопасность», Екатеринбург, 2001. с. 148-154.

20. Беляев А.Н., Ивановский Р.И., Карпов Ю.Г., Смоловик С.В. Противо аварийное управление в электроэнергетических сетях // Материалы Всероссий ского научного семинара «Энергетическая безопасность России» 12 апреля 2006 г., СПб, СПбГПУ.

21. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Обзор развития крупных системных ава рий: роль «человеческого фактора» // Материалы научно-технической конфе ренции «Устойчивость и надежность электроэнергетических систем», 10-15 ок тября 2005 г., СПб.

22. Беляев А.Н., Кадхем Б.Т., Смоловик С.В. Расчет переходных процессов генераторов и крутильных колебаний валопровода с продольной емкостной компенсацией // Материалы научно-практической конференции «Научные ис следования и инновационная деятельность». СПб: СПбГПУ, 2007. с. 113-120.

23. Беляев А.Н., Смоловик С.В., Фролов О.В. Обоснование целесообразно сти установки управляемых реакторов на станциях для компенсации избыточ ной реактивной мощности // Материалы научно-практической конференции «Научные исследования и инновационная деятельность». СПб. СПбГПУ, 2007.

с. 78-86.

24. Беляев А.Н., Кадхем Б.Т., Смоловик С.В. Влияние степени компенса ции на величины скручивающих моментов при коротких замыканиях на зажи мах генератора // Материалы научно-практической конференции «Научные ис следования и инновационная деятельность». СПб: СПбГПУ, 2008. с.66-71.

25. Беляев А.Н., Андрус С.Т. Совершенствование методов анализа дина мической устойчивости при обосновании технических требований к оборудо ванию газотурбинных электростанций нефтедобывающих комплексов // Мате риалы научно-практической конференции «Научные исследования и инноваци онная деятельность». СПб. СПбГПУ, 2008, с. 25-29.

26. Belyaev A.N., Smolovik S.V. Development of the fuzzy PSS automated de sign method // Proceedings of 16th International Power System Conference (PSC2001) on 22-24 Oct. 2001 in Tehran.

27. Belyaev A.N., Smolovik S.V. An improvement of AC electrical energy transmission system with series compensation by implementation of controllable shunt reactors // Power Tech Conference Proceedings, 2003 IEEE Bologna, Vol. 3.

28. Belyaev A.N., Smolovik S.V. Steady-state and transient stability of 500 kV long-distance AC transmission lines with magnetically controlled shunt reactors // Power Tech Conference Proceedings, 2005 IEEE Russia.

29. Belyaev A.N., Smolovik S.V., Shuhati H.W. Analysis of voltage behavior during network connection of different types of distributed generation units // Pro ceedings of "SPb-IEEE Con'03", 2003, St-Petersburg IEEE chapters conference.

30. Belyaev A.N., Maslov A.V. An improvement of Russian long-length AC electrical energy transmission systems by implementation of Controllable Shunt Re actors // Proceedings of "SPb-IEEE Con'04", 2004, St-Petersburg IEEE chapters con ference.

31. Belyaev A.N., Karpov Yu.G, Smolovik S.V., Sotnikov K.A. Object-Oriented Modeling for Electrical Grid Risk Assessment // Proceedings of "SPb-IEEE Con'05", 2005, St-Petersburg IEEE chapters conference.

32. Belyaev A.N., Smolovik S.V. The human factor role on large system crashes // Proceedings of the Fourth International Scientific Symposium ELEKTROENER GETIKA 2007, Star Lesn, Slovakia. Technical University of Koice.

33. Belyaev A.N., Nazarova E.S., Smolovik S.V., Frolov O.V. Magnetically controlled shunt reactor application for AC HV and EHV transmission lines. // Pro ceedings of the Fourth International Scientific Symposium ELEKTROENER GETIKA 2007, Star Lesn, Slovakia. Technical University of Koice.

34. Belyaev A.N., Kadhem B.T., Shuhati H.W., Smolovik S.V. Torsional natural frequencies and mode shapes for different turbine-generator shaft // Proceedings of the Fourth International Scientific Symposium ELEKTROENERGETIKA 2007, Star Lesn, Slovakia. Technical University of Koice.

35. Belyaev A., Yadykin I., Smolovik S. Adaptive Robust Controller for Elec tromechanical and Interarea Oscillations Damping in the Power Systems // Proceed ings of 4th International Conference «Liberalization and modernization of power sys tems: Coordinated Monitoring and Control towards Smart Grids», July 13-17, 2009, Irkutsk, Russia.

36. Belyaev A.N., Smirnov A.A., Nazarova E.S., Artemiev M.S. Impact of Mag netically Controlled Shunt Reactors on Transient Stability of Oil-Production Enter prise Isolated Power Systems // Proceedings of the Sixth International Scientific Symposium ELEKTROENERGETIKA 2011, Star Lesn, Slovakia. Technical Uni versity of Koice.

37. Беляев А.Н., Смоловик С.В. Программирование на примере электро технических и электроэнергетических задач: Учебное пособие. СПб: СПбГПУ, 2006. 120 с.

38. Беляев А.Н., Горюнов Ю.П., Смирнов А.А., Смоловик С.В. Анализ раз вития крупных системных аварий: Учебное пособие по курсу «Электромехани ческие переходные процессы в электроэнергетических системах». СПб.

СПбГПУ, 2006. 72 с.