CC BY
69
УДК 621.311
Р.Б. Абеуов, К.И. Заподовников, Ю.Н. Тановицкий, Ю.В. Хрущев
Автоматическое управление процессом синхронизации генераторов мини-ТЭС по программным траекториям движения технических объектов
Описан эффективный алгоритм быстрой синхронизации генератора тепловой электростанции с энергосистемой. Приведена теория синхронизации и результаты расчетных экспериментов в программе АБШЕС.
В связи с увеличением энергопотребления в нефтедобывающих районах России, вызванного ростом объемов добычи углеводородного сырья, появилась острая необходимость в дополнительных генерирующих мощностях. Дешевизна используемого топлива (попутный газ), сравнительно небольшая стоимость, быстрота монтажа, а также ряд других преимуществ обусловили широкое применение маломощных тепловых электростанций (мини-ТЭС), выполненных на основе газотурбинных и газопоршневых энергоагрегатов для покрытия роста нагрузок в этих энергорайонах [1].
Анализ работы некоторых мини-ТЭС, эксплуатируемых в Томской и Тюменской энергосистемах, показал, что одной из актуальных задач является управление процессом точной синхронизации силовых агрегатов с сетью. Основными устройствами для точной автоматической синхронизации в настоящее время служат аналоговые автоматические синхронизаторы СА-1 и УТС-3. Хотя их возможности и характеристики удовлетворяют требованиям эксплуатации, следует признать элементную базу и алгоритмические схемы этих систем морально устаревшими.
Принцип работы данных устройств заключается в подгонке напряжения и частоты генератора к напряжению и частоте сети, а также ожидании момента времени, при котором угол разности фаз между векторами ЭДС генератора и напряжения сети попадет в допустимый диапазон. После чего подается команда на включение генератора в сеть.
Применение данного принципа не всегда позволяет обеспечить быстрое и с приемлемым качеством переходного процесса включение генератора на параллельную работу с сетью. Мини-ТЭС очень часто используются в качестве резервных источников для покрытия дефицита мощности в электроэнергетической системе (ЭЭС), так как обладают малым временем пуска (до двух минут). Однако процесс синхронизации может затягиваться на длительное время, измеряемое десятками минут, что сводит на нет положительные пусковые характеристики силовых агрегатов.
Описываемый метод повышения точности и быстроты процесса синхронизации генераторов с сетью базируется на общем принципе построения систем управления программным движением технических объектов (ПТД). Суть этого принципа заключается в разделении задачи синтеза систем управления на подзадачу построения программных (желаемых) траекторий движения объектов и подзадачу формирования обеспечивающих эти траектории управлений [2]. В работах [3, 4] подтверждена эффективность данного подхода применительно к управлению динамическими переходами сложных энергосистем. Исследуем возможность приложения принципа к более простой системе.
В процессе решения прикладной задачи управления, каковой является задача синхронизации генератора мини-ТЭС с сетью, осуществлены разработка и синтез закона управления, формирование цифровой динамической модели энергосистемы, разработка аппаратной части системы управления.
Исследование процесса синхронизации выполнялось для одномашинной энергосистемы (рис. 1). Для этого в программном комплексе моделирования переходных режимов энергосистем АЭШЕС сформирована цифровая динамическая модель ЭЭС.
В экспериментах для управления процессом синхронизации генератора Г-1 использована модель штатной системы регулирования частоты мини-ТЭС. Связь синхронизируемого генератора Г-1 с системой осуществлялась по воздушной линии электропередач ВЛ-1. Параметры шин бесконечной мощности (ШБМ) — модуль и угол ЭДС — были закреплены. По причине незагруженности ВЛ-1 (при отключенном выключателе В-1) ожидается совпадение
Р.Б. Абеуов, К.И. Заподовников, Ю.Н. Тановицкий, Ю.В. Хрущев. Автоматическое управление... 181
параметров электрических режимов начального и конечного состояний рассматриваемой ЭЭС.
Г-1 В-1 Т-1 BJ1-1 АТ"1 ШБМ
Рис. 1. Схема исследуемой энергосистемы
В качестве управляемых параметров приняты небаланс мощностей на валу АРу (t), угол выбега Sy(t) и угловая относительная скорость Vy(t) ротора генератора ЭЭС. Связь между управляемыми параметрами однозначно определяется через известную [5] подсистему дифференциальных уравнений
8 y(t) = Vy(t);
vy(t) = j;APy(t)' i1)
где Tj — постоянная инерции ротора генератора, с; со0 — номинальная круговая частота напряжения, рад/с; остальные параметры имеют следующие размерности: t, с; Ьу (рад /с)/с; Vy (рад /с)/с; APy(t), отн. ед.
Объектом управления в рассматриваемом случае является изображающая точка ху = colon[t,APy,vy,8y], которой искомым управлением u(t) предписывается перемещение по ПТД хр = colon[t, ДРр,ир,5р] в динамической среде ЭЭС. Для построения ПТД используются уравнения (1), так как xp{t) — это одна из траекторий движения объекта.
Поскольку координаты изображающей точки, движущейся по ПТД
хр = colon[t,APp,vp, 5р],
отражают пространственное и энергетическое состояния ротора генератора в каждый момент времени, то абстрактному понятию управляемый объект можно поставить в соответствие физический аналог — управляемый ротор генератора.
Задача состоит в определении управлений, обеспечивающих движение ротора генератора Г-1 по программной траектории изменения угла 5^(0 и относительной скорости V (t) .
При использовании уравнения системы (1) сформированы расчетные выражения для определения параметров ПТД синхронизируемого генератора, а также обеспечивающих ПТД управлений. С помощью этих выражений в математическом приложении MS Excel сформирована программа расчета и построения программных траекторий движения управляемого генератора мини-ТЭС. Пример программной траектории изменения угла и относительной скорости синхронизируемого генератора мини-ТЭС представлен на рис. 2.
Конкретизируем подход к формированию ПТД такого генератора. На интервале управления tf\ выделяются три подынтервала, на которых при формировании ПТД достигаются различные промежуточные цели (см. рис. 2). На первом подынтервале [t1( t2] происходит уменьшение до нулевого значения кинетической энергии ротора генератора, накопленной во время разгона. В конце этого подынтервала относительная скорость ротора становится нулевой {Vpl = 0), а угол принимает экстремальное значение = extr . На втором подынтервале [г2> реализуется первый этап приведения угла генератора к нулевому значению. Управлением u(t) в конце этого подынтервала достигается некоторая экстремальная относительная скорость Урз' = extr. На подынтервале управления [i3, ir] реализуется второй этап приведения угла генератора к нулевому значению. Управлением u(t) в конце этого интервала tT относительная скорость и угол генератора приводятся к нулю, что соответствует цели управления и условию точной синхронизации.
Перейдем к проверке на динамической модели ЭЭС изложенной теории вычисления программных траекторий управления движением ротора генератора при синхронизации его с сетью (см. рис. 1).
Эта задача была успешно решена в программном приложении комплекса ASIMEC, позволяющем создавать электроэнергетические трехфазные динамические модели и выполнять моделирование переходных режимов в масштабе времени, близкому к реальному.
Рис. 2. Программная траектория изменения угла и относительной скорости генератора в процессе синхронизации с сетью
Результатами моделирования являются осциллограммы интересующих исследователя параметров процесса, в нашем случае — это изменения угла выбега ротора генератора. Осциллограммы сформированного закона управления приведены на рис. 3, 4.
Весь интервал управления процессом синхронизации генератора разбит на три подынтервала (масштаб по оси времени 0,5 с в одной клетке). В процессе пуска (до t1) агрегат разогнан до частоты 52 Гц. На этом этапе управление отсутствует. На первом подынтервале осуществляется первый этап управления — относительная скорость приводится к нулевому значению (момент Управляющие воздействия на втором и третьем подынтервалах, согласно закону управления процессом точной синхронизации, направлены на приведение к нулю значения угла выбега ротора генератора. В момент времени ¿т подается сигнал на включение выключателя В-1 и генератор мини-ТЭС втягивается в синхронизм.
Полученные результаты моделирования обнаруживают полное соответствие движения ротора генератора с теоретически заданной траекторией движения и реализованной в алгоритме управления процессом синхронизации. Подобная задача также была решена в приложении МаШЬ 81ти1тк, результаты моделирования полностью совпадают с ранее полученными результатами, однако этот вариант работает в сотни раз медленнее, чем АБ1МЕС, и не пригоден для выполнения расчетов в режиме реального времени.
Таким образом, в опробованном на модели алгоритме достигаются цели управления, соответствующие условиям точной синхронизации. В момент включения Цт) генератора Г-1 на параллельную работу частота генератора равна частоте сети и угол разности фаз равен нулю. Достоинством алгоритма является контролируемая продолжительность процесса синхронизации. Продолжительность каждого из трех шагов может быть заранее просчитана, исходя из технических параметров системы регулирования силового агрегата. Вполне возможны постановка и решение задачи минимизации времени синхронизации генератора с сетью путем разработки специальной аппаратуры активного торможения ротора генератора, что обеспечит дополнительное сокращение времени на интервалах с перерегулированием контролируемых параметров.
В рамках проведенных исследований разработана функциональная схема микропроцессорной системы управления, реализующая описанный алгоритм управления процессом точной синхронизации по ПТД.
Р.Б. Абеуов, К.И. Заподовников, Ю.Н. Тановицкий, Ю.В. Хрущев. Автоматическое управление... 183
Рис. 3. Осциллограмма изменения относиной скорости генератора мини-ТЭС
в процессе синхронизации
• / / ■■■-¡- Г - !
/ !
/
/ ; / ;
/ / ! /
/ ; :
; ! К.. ! !
: ; !
; ........; -----
; ; ; :
ч-,-—-,-_,---;-_—-,-_
'1 Ч 'з 'т
Рис. 4. Осциллограмма изменения угла выбега генератора мини-ТЭС в процессе синхронизации
Выводы
Показана работоспособность алгоритма синхронизации по методу ПТД и его эффективность. Основным достоинством предложенного алгоритма является возможность достижения нулевых значений угла и относительной скорости при любых начальных значениях контролируемого процесса — времени управления, относительного угла и скорости — за три шага с заранее просчитанной продолжительностью.
Контроль времени и угла опережения по ходу процесса для данного закона управления не требуется, так как управляющие воздействия рассчитываются по априорным данным электромеханической системы и к концу третьего интервала управления генератор обладает нулевыми значениями относительной кинетической и потенциальной энергий.
Реализация задачи управления процессом синхронизации является первым шагом по прикладному применению теоретического метода управления техническими объектами энергосистем по программным траекториям движения в переходных режимах. Первые положительные результаты применения теоретического метода ПТД в рамках решаемой нами задачи воодушевляют и позволяют с оптимизмом ожидать скорую разработку технологий обеспечения приемлемого качества управления переходными режимами ЭЭС [4].
Литература
1. О применении газотурбинных генераторов в энергосистемах России / Ю.В. Борисов [и др.] // Электричество. - 1995. - № 11. - С. 2-8.
2. Тимофеев A.B. Построение адаптивных систем управления программным движением / A.B. Тимофеев. - JI. : Энергия. Ленингр. отделение, 1980. - 88 с.
3. Армеев Д.В. Исследование непрерывного управления фазами режимных параметров для обеспечения динамической устойчивости электрических систем: автореф. дис. ... канд. техн. наук / Д.В. Армеев. - Новосибирск, 2003. - 18 с.
4. Хрущев Ю.В. Управление движением генераторов в динамических переходах энергосистем / Ю.В. Хрущев. - Томск : STT, 2001. - 310 с.
5. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах / В.А. Веников. - М. : Высш. шк., 1978. - 415 с.
Абеуов Ренат Болтабаевич
Ст. преподаватель, аспирант каф. электроэнергетических систем и высоковольтной техники электротехнического института Томского политехнического университета Тел.: (3822) 56 37 63, 8 960 973 84 16 Эл. почта: Voueba@mail.ru
Заподовников Константин Иванович
Канд. техн. наук, доцент каф. электроэнергетических систем и высоковольтной техники электротехнического института Томского политехнического университета Тел. (3822) 56 46 54, 26 15 72, +7 909 539 73 25 Эл. почта: zapod@mail.ru
Тановицкий Юрий Николаевич
Канд. техн. наук, доц. каф. промышленной электроники ТУСУРа Тел. (3822) 41 35 27 доп. тон. 2239, (3822) 45 45 88, 8 913 881 95 63 Эл. почта: tyn@mail.ru
Хрущев Юрий Васильевич
Д-р техн. наук, профессор, зам. зав. каф. электроэнергетических систем и высоковольтной техники электротехнического института Томского политехнического университета Тел.: (3822) 56 37 63
R.B. Abeuov, K.I. Zapodovnikov, Yu.N. Tanovitskiy, Yu.V. Chrushcev Automatic control process synchronization generators mini-tps on program trajectories movement of technical objects
In article the effective algorithm fast synchronization the generator of a thermal power station with an electric power system is described. The theory of synchronization and results rated experiments in program ASIMEC is presented.
