Синтез адаптивных синхронизаторов для мини-энергосистем с управлением по программным траекториям движения генераторов и подсистем

Актуальность темы

.

К настоящему времени в России созданы электроэнергетические системы (ЭЭС), в силу ряда объективных причин оставшиеся «островками», не связанными, либо «слабо» связанными с Единой национальной энергетической системой (ЕНЭС) электрическими сетями. К ним, в частности, относятся энергосистемы Якутии, Магаданской и Камчатской областей, Чукотского, Ямало-Ненецкого, Ханты-Мансийского автономных округов, острова Сахалин, полуострова Таймыр и множество энергосистем малой мощности, которые кратко можно обозначить как мини-энергосистемы (мини-ЭЭС) [1]. Основными причинами возникновения таких энергосистем можно считать:

• низкую степень социально-экономической освоенности территорий;

• территориальную удаленность от объектов ЕНЭС й, как следствие, экономическую нецелесообразность их объединения с ЕНЭС;

• привязку энергетических объектов к одному крупному потребителю (промышленному предприятию, месторождению полезных ископаемых, городу, поселку и пр.);

• малую плотность хозяйствующих субъектов и населения на территориях, и их концентрацию вокруг объектов электроэнергетики. Энергетический район, на территории которого располагаются подобные энергосистемы можно определить как территорию в малонаселенном и малоосвоенном регионе, обслуживаемую энергетическим комплексом, состоящим из одного или нескольких генерирующих источников (электростанций) и не связанным, либо «слабо» связанным с объектами ЕНЭС линиями электропередачи. Однако при рассмотрении вопросов управления режимами энергосистем использовать термин энергетический район" не совсем корректно, так как он характеризует некую территорию, на которой располагаются объекты энергетики, а не электроэнергетическую систему. Поэтому далее для обозначения таких ЭЭС используется термин «мини-энергосистема».

Мини-энергосистема — это энергосистема, удаленная от основных энергетических центров, примыкающая к объектам ЕНЭС по «слабым» связям, либо работающая автономно, и имеющая в своем составе одну или несколько электростанций малой мощности. В большинстве своем это газотурбинные (ГТЭС), газопоршневые (ГПЭС) и дизельные электростанции (ДЭС), установленная мощность которых колеблется от 0,1 до 24 МВт. Обобщенно эти станции далее называются мини-тепловыми электростанциями (мини-ТЭС) [2].

Мини-ЭЭС и, соответственно, мини-ТЭС относятся к совокупности объектов «малой энергетики», как подотрасли энергетики в целом.

Целесообразность обособления «малой энергетики» подтверждается наличием ряда особенностей функционирования ее объектов, таких как:

• отсутствие принципов диспетчеризации, характерных для мощных энергообъединений (ЭО);

• преобладание генерации электрической энергии на базе мини-ТЭС;

• отсутствие, или слабая оснащенность системами противоаварийного управления и противоаварийной автоматики;

• преобладание воздушных линий (BJI) электропередачи на опорах в деревянном исполнении над кабельными линиями;

• почти повсеместное отсутствие утилизации тепла и, как следствие, низкий коэффициент полезного действия электростанций. В условиях Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера дополнительно проявляются:

• повышенные требования к надежности из-за работы в тяжелых климатических условиях;

• большая рассредоточенность объектов энергетики;

• продолжительное время, требуемое для доставки ремонтного персонала, а также материалов и инструментов при необходимости устранения аварий.

В таких условиях задачи обеспечения эффективного управления режимами мини-ЭЭС остаются одними из важных. Из всего разнообразия этих задач, одной из наиболее актуальных является задача повышения эффективности систем синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС. Это объясняется тем, что существующие системы синхронизации не всегда позволяют обеспечить быстрое и с приемлемым качеством переходного процесса включение генераторов и подсистем мини-ЭЭС на параллельную работу с сетью, а элементная база и алгоритмические схемы этих систем являются морально устаревшими. Решение задачи повышения эффективности систем синхронизации может быть достигнуто различными способами, в том числе с применением плавно управляемых технических средств изменения активной и реактивной мощностей. Появление интереса к подобным средствам продиктовано в настоящее время интенсивной реализацией концепции широкого применения управляемых (гибких) линий электропередач переменного тока, получившей в иностранной литературе название Flexible AC Transmission Systems (FACTS). В рамках работы исследуется возможность применения статического тиристорного компенсатора (СТК), как одного из существующих FACTS-устройств, в качестве средства управления процессом точной синхронизации подсистем мини-ЭЭС.

Широкое применение FACTS-технологий для управления процессами синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС сдерживается отсутствием рациональных законов управления и соответствующих этим законам автоматических систем. К настоящему времени более развиты способы и технологии непрерывных воздействий на нормальные режимы энергосистем. Между тем, широкие возможности средств плавного управления и их бурное развитие в последние годы продиктовали необходимость в оценке их применимости для управления переходными режимами ЭЭС. Важно отметить, что развитие FACTS-технологий в электроэнергетике поддерживается корпоративной программой «Создание в Единой Национальной Энергосистеме России гибких систем электропередачи переменного тока» [3]. Этот факт внес новые стимулы в разработку принципов, законов и FACTS-устройств для управления движением энергосистем в переходных режимах, в том числе и в режимах синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС.

Для разработки эффективных систем автоматического управления процессами синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС с применением, или без применения FACTS-устройств к настоящему времени накоплены достаточные теоретические знания. К ним, прежде всего, следует отнести высокий уровень развития теории автоматического управления в целом и развитие научно-технического направления «Автоматическое управление программным движением объектов» в частности [4]. Основные теоретические положения этого направления в прикладном аспекте для управления переходными режимами энергосистем проработаны и опубликованы в книге [5]. Потенциал прикладных разработок этого направления для энергосистем далеко не исчерпан. Предлагаемая вниманию работа является одним из первых шагов в этом направлении.

Цель работы.

Целью работы является построение эффективных алгоритмов и структурно-функциональных схем систем точной синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС на основах теории автоматического управления программным движением объектов.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи: • обоснование возможности эффективного решения задач управления процессами точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС на основах теории автоматического управления программным движением объектов;

• разработка и алгоритмизация способов адаптивного управления процессами точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС по программным траекториям движения;

• обоснование и формирование структурно-функциональных схем систем автоматического адаптивного управления процессами точной синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС;

• синтез основных функциональных блоков адаптивных систем синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС, как элементов сформированных структурно-функциональных схем.

Методика проведения исследования.

Работа основана на общей теории функционирования электроэнергетических систем, теории электромагнитных и электромеханических переходных процессов, положениях теории автоматического управления программным движением и принципах построения адаптивных систем управления программным движением (СУПД) технических объектов. Моделирование режимов работы ЭЭС выполнялось численными методами с использованием промышленного программного комплекса ДАКАР, и цифровой трехфазной динамической модели энергосистем разработанной специалистами Томских университетов, политехнического и университета систем управления и радиоэлектроники.

Научная новизна.

Научная новизна диссертации заключается в том, что впервые осуществлены:

• постановка и решение задачи синтеза эффективных адаптивных систем точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС на основах теории автоматического управления программным движением технических объектов;

• построение алгоритмов формирования программных траекторий движения для адаптивных систем точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС;

• построение структурно-функциональных схем адаптивных синхронизаторов генераторов и подсистем мини-ЭЭС действующих на основе управления по программным траекториям движения;

• построение структурно-функциональной схемы адаптивного синхронизатора подсистем мини-ЭЭС с использованием программной траектории движения в качестве эталонной модели;

• обоснование применимости СТК, как одного из существующих плавнорегулируемых устройств, для адаптивного управления процессами синхронизации подсистем мини-ЭЭС по программным траекториям движения.

Практическая ценность.

Результаты разработки предлагаемых способов адаптивного управления по программным траекториям движения достаточны для создания синхронизаторов, обеспечивающих включение генераторов в сеть и объединения подсистем мини-ЭЭС с весьма малыми значениями потенциальной и кинетической энергий относительного движения и, следовательно, с высоким качеством последующих переходных процессов.

Реализация предлагаемых способов точной синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС представляет самостоятельный интерес, а также рассматривается в качестве базы для создания более совершенных систем точной синхронизации частей ЭЭС в цикле автоматического повторного включения, и как начальная ступень для их развития и применения в мощных энергосистемах ЕНЭС.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Новый способ адаптивной синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС, позволяющий сократить время включения на параллельную работу, и повысить качество последующего переходного процесса.

2. Методические рекомендации к построению и примеры построения программных траекторий движения для синтезируемых адаптивных систем синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС.

3. Структурно-функциональная схема системы точной синхронизации подсистем мини-ЭЭС с использованием программной траектории движения в качестве эталонной модели.

4. Математическая модель функционирования СТК, в качестве силовых устройств управления в процессе адаптивной синхронизации подсистем мини-ЭЭС.

Реализация результатов работы.

Результаты работы включены в план мероприятий по модернизации системы электроснабжения муниципального предприятия «Салехардэнерго», а также предусматриваются к использованию в проектной деятельности ООО «Томскэл ектр осетьпроект».

Апробация работы.

Основные результаты работы были доложены и обсуждены на семинарах кафедры электроэнергетических систем и высоковольтной техники Томского политехнического университета (ТПУ) — на Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика: Экология, надежность, безопасность». Томск, ТПУ, 2004, 2005, 2007 г. г.- на Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых — «Современные техника и технологии». Томск, ТПУ, 2007, 2008 г. г.- на Международной научно-технической конференции.

Электромеханические преобразователи энергии". Томск, ТПУ 2007 г.- на.

Всероссийских научных конференциях молодых ученых — «Наука. Технологии. Инновации». Новосибирск, НГТУ, 2006, 2007 г. г.- на Всероссийском совещании «Энергоэффективность и использование возобновляемых источников энергии — основные резервы энергетической безопасности регионов России». Томск, ТМДЦ «Технопарк», 2007 г.- на Университетской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых — «Знания, умения, навыки — путь к созданию новых инженерных решений». Томск, ТПУ, 2007 г.- на Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования». Томск, 2008 г.

Публикации.

По результатам исследований опубликовано 20 научных работ. Из них: статьи в реферируемых журналах — 3- материалы и тезисы докладов — 16- патент на полезную модель — 1.

Структура и объем работы.

Материалы диссертации структурно представлены введением, четырьмя главами, заключением, библиографическим списком из 96 наименований и приложениями. Основное содержание изложено на 165 страницах, иллюстрировано 28 рисунками, содержит 8 таблиц.

Основные результаты по достижению поставленной цели исследований представлены в виде выводов к разделам диссертации.

Наиболее важные из них формулируются так:

1. Разработаны способ и структурно-функциональные схемы устройств точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС, реализующие принцип управления по программным траекториям движения.

2. Предложена новая форма ПТД управляемого объекта в составе синхронизируемой подсистемы, позволяющая исключить скачкообразные изменения параметров управляющих устройств.

3. Разработана структурно-функциональная схема адаптивного синхронизатора для подсистем мини-ЭЭС с использованием ПТД в качестве эталонной модели и СТК в качестве силового элемента.

4. Показано, что обобщенная структурно-функциональная схема, используемая в теоретических исследованиях адаптивных СУПД управляемых объектов, может быть принята в качестве концептуальной основы для разработки адаптивных синхронизаторов мини-ЭЭС. Задачи функционирования подсистем, предполагаемых к разработке адаптивных синхронизаторов мини-ЭЭС, логически согласуются с задачами функционирования блоков обобщенной схемы.

На основании этих и других результатов работы можно говорить о том, что к настоящему времени обоснована применимость принципа управления по программным траекториям движения для решения задач синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС. Создание синхронизаторов, работающих на этом принципе, позволит управлять процессами движения до полного выполнения условий точной синхронизации. Результаты моделирования работы алгоритмов и синтеза структурно-функциональных схем подтверждают тезис о реализуемости и потенциальной эффективности адаптивных синхронизаторов, построенных на этом принципе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Существующие тенденции развития мини-ЭЭС предопределяют необходимость дальнейшего развития средств и методов управления процессами синхронизации генераторов и подсистем, как одной из задач актуальной проблемы повышения эффективности работы этих систем.

Теоретические предпосылки и полезные практические аналоги для создания более эффективных систем точной автоматической синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС содержатся в разработках и приложениях теории построения адаптивных систем управления программным движением объектов. Принципиальную основу этой теории составляет положение о раздельном решении задач формирования программных траекторий движения объектов и построения управлений, обеспечивающих движение по этим траекториям.

В теоретическом плане важно обосновать соответствие методов построения адаптивных СУПД технических объектов задачам синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС. В практическом плане для применения этого подхода к решению задач синхронизации генераторов и подсистем мини-ЭЭС необходимо решение ряда методических и технических задач.

Наметившееся в последние годы интенсивное распространение плавноуправляемых устройств в энергосистемах позволяет с новых позиций рассматривать задачу точной синхронизации подсистем мини-ЭЭС. Использование этих устройств в качестве силовых элементов позволит с большей гибкостью формировать законы и синтезировать системы точной синхронизации подсистем мини-ЭЭС.