Full Text

Введение Динамические характеристики электроэнергетических систем (ЭЭС) современной структуры значительно изменяются в сравнении с традиционными ЭЭС [1], в которых основным фактором, определяющим протекание процессов, являлась динамика функционирования синхронных генераторов электрических станций и их систем автоматического регулирования и управления (САР и САУ), а сетевые элементы преимущество функционировали на переменном токе. Подобный факт непосредственно связан с внедрением в системообразующие и распределительные электрические сети все большего числа разнообразных «активных» объектов и устройств: объектов распределенной генерации (РГ) различного типа, крупных объектов генерации на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), технологий гибких управляемых электропередач переменного тока (Flexible Alternating Current Transmission System - устройств FACTS), промышленных систем накопления электрической энергии, установок генерации или потребления на постоянном токе и др. С учетом резко изменяющихся условий функционирования ЭЭС в нормальных, аварийных и послеаварийных режимах, сопровождающихся возникновением ряда проблем, которые связаны с обеспечением эффективного автоматического режимного и противоаварийного управления современными ЭЭС, среди решений, которые направлены на достижение требуемого уровня надежности и устойчивости функционирования ЭЭС, гарантирующего бесперебойное электроснабжение потребителей электрической энергией нормированного качества и в необходимом количестве, являются модернизация и адаптация существующих или разработка новых САР и САУ различных элементов ЭЭС [2, 3], среди которых стоит отдельно выделить автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) синхронных генераторов. Последние являются основным видом режимной автоматики ЭЭС, отвечающей за их функционирование в нормальных и переходных режимах, а также за все виды устойчивости (статическую апериодическую, статическую колебательную и динамическую) как отдельных агрегатов, так и всей ЭЭС в целом, и устанавливаются на традиционных источниках генерации (тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, включая газотурбинные, парогазовые и другие генерирующие установки). При этом одна из важнейших ролей в обеспечении надежности и устойчивости современных ЭЭС с объектами РГ, ВИЭ и устройствами FACTS, как и в традиционных ЭЭС, будет все так же отводиться устройствам АРВ синхронных генераторов, поскольку, как показывает мировой опыт эксплуатации ЭЭС со значительной долей объектов РГ и ВИЭ, полномасштабный переход от централизованной к децентрализованной схеме электроснабжения и полноценный отказ от мощных традиционных источников энергии в пользу низкоуглеродных и безуглеродных в настоящий момент не являются возможными ввиду возникновения широкого перечня вопросов и проблем в подобных ЭЭС, требующих всестороннего анализа и комплексного решения [4, 5]. В связи с этим чрезвычайно актуальными остаются вопросы осуществления регулирования возбуждения с точки зрения эффективного обеспечения необходимых запасов устойчивости в различных схемно-режимных состояниях современных ЭЭС, а также качества протекания процессов, динамического перехода и демпфирования возникающих колебаний. Обзор существующих направлений в области развития систем автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов электрических станций На текущий момент можно выделить несколько направлений, связанных с обеспечением эффективности функционирования систем АРВ синхронных генераторов в условиях развития современных ЭЭС, которые могут быть объединены в четыре основные группы и представлены в общем виде, как показано на рис. 1. В последующих разделах статьи приведена информация о каждом из представленных направлений. Рис. 1. Основные направления развития в области регулирования возбуждения Модернизация автоматических регуляторов возбуждения с сохранением их линейной структуры В рамках первого из направлений осуществляется модернизация широко используемых на практике структур регуляторов возбуждения с помощью добавления новых каналов и параметров регулирования или применения дополнительных схемно-алгоритмических решений в их составе. При этом отдельно стоит выделить особенности, встречаемые при анализе направлений в области развития систем регулирования возбуждения: 1) для отечественных работ характерно рассмотрение АРВ сильного действия, имеющего в своем составе каналы стабилизации внутреннего и внешнего движения синхронного генератора, параллельные основному каналу по отклонению напряжения, которые в совокупности образуют единую систему управления; 2) в зарубежных источниках при упоминании САР возбуждения генераторов зачастую подразумевается рассмотрение системного стабилизатора (Power System Stabilizer - PSS), который является по своей сути отдельным элементом и соединяется последовательно с автоматическим регулятором напряжения (АРН). Таким образом, в работе [6] предлагается использовать разность между отклонением частоты вращения вала генератора и частотой напряжения на шинах электростанции вместо частоты напряжения на зажимах генераторов в качестве входного сигнала каналов стабилизации внешнего движения у АРВ. Также в [7] рассматривается возможность учета в структуре АРВ дополнительного канала по взаимным углам между роторами синхронных машин, значения которых вводятся в систему регулирования на основе данных системы мониторинга переходных режимов (СМПР). В работе [8] показана возможность применения дополнительного канала стабилизации угла нагрузки в структуре системы регулирования возбуждения для повышения устойчивости синхронных машин большой мощности. Еще одним способом увеличения уровня стабилизации работы синхронных генераторов является использование частоты центра инерции энергорайона, получаемой по данным СМПР [9]. Кроме того, применение устройств синхронизированных векторных измерений (Phasor Measurement Unit - PMU) позволяет на основе структуры классических АРВ сформировать централизованную систему АРВ для демпфирования межсистемных колебаний (рис. 2) [10]. Также интеграция дополнительных каналов, параллельных основным каналам стабилизации, при их определенной конфигурации может способствовать значительному расширению частотного диапазона, в котором каналы стабилизации АРВ способны обеспечивать эффективное демпфирование колебаний [11]. Рис. 2. Структурная схема управления возбуждением с применением синхронизированных векторных измерений Разработка адаптивных и робастных автоматических регуляторов возбуждения нелинейной структуры Второе направление развития систем АРВ заключается в разработке принципиально новых адаптивных и робастных регуляторов возбуждения различной структуры, осуществляющих параметрическую адаптацию АРВ на основе информации о состоянии объекта управления. Подобные устройства могут использовать классическую линейную структуру АРВ, параметры которой автоматически настраиваются в режиме реального времени, как показано на рис. 3, что позволяет обеспечить необходимый уровень качества переходных процессов в зависимости от постоянно изменяющихся схемно-режимных условий работы ЭЭС. Рис. 3. Структурная схема ПИД-регулятора с блоком автонастройки на основе нейронной сети В общем случае на основе получаемой информации и заложенных алгоритмов определяются необходимые коэффициенты усиления пропорционального, интегрального и дифференциального каналов регулятора (KP, KI и KD соответственно). В противном случае линейная структура АРВ полностью замещается нелинейной, формирующей необходимый уровень сигнала управления. Проводятся исследования по разработке адаптивных АРВ на основе нечеткой логики [12, 13] и нейронных сетей [14, 15], а также их комбинаций [16, 17], которые могут быть представлены в виде обозначенного блока автонастройки или основного контура управления. В данном направлении получают широкое распространение работы, связанные с разработкой централизованных систем управления возбуждением, которые позволяют осуществлять эффективное демпфирование межсистемных низкочастотных колебаний, повысить статическую и динамическую устойчивость ЭЭС в целом [18, 19]. Также при проектировании нелинейных робастных структур регуляторов возбуждения находят применение H∞-анализ [20, 21], метод функций Ляпунова [22], теорема Харитонова [23], теория непрерывного вейвлет-преобразования [24] и др. Подобные методы и способы позволяют обеспечить приемлемое качество переходных процессов, необходимую точность и грубость (робастность) к неопределенности в объекте управления. При этом в ряде работ отмечается, что с помощью классических АРВ в принципе невозможно осуществлять эффективное управление нормальными и переходными режимами в широком многообразии схемно-режимных условий работы ЭЭС. В связи с этим предлагается их полная замена разрабатываемыми адаптивными устройствами АРВ, обладающими свойствами «идеальной» системы регулирования [25, 26]. Адаптация существующих и разработка новых методик по настройке автоматических регуляторов возбуждения В рамках третьего направления формируются новые подходы и соответствующие методики по настройке систем АРВ с учетом как классических структур регуляторов, так и новых, представленных выше. При этом могут быть выделены несколько ключевых подходов к решению вопроса нахождения наиболее оптимальной настройки АРВ, соответствующей изменяющимся условиям функционирования ЭЭС, особенно при внедрении объектов РГ, в том числе на базе ВИЭ, и устройств FACTS. Первый из них заключается в разработке принципиально новых методик по настройке устройств АРВ одного генератора или их группы в рамках одной электростанции. В работах [27, 28] предлагается методика настройки регуляторов возбуждения с применением частотных методов анализа для генераторов, работающих в ЭЭС сложной структуры. Также в [29, 30] рассматривается возможность модификации классического метода D-разбиения для нахождения настроек устройств регулирования возбуждения различной структуры. Кроме того, при определении параметров настройки АРВ широкое распространение получают методы параметрической оптимизации, основанные на различных естественных и биологических процессах, в частности, метод оптимизации на основе алгоритма оптимизации китов [31], метод роя частиц (рис. 4) [32], метод многокритериальной оптимизации [33, 34] и др. Рис. 4. Блок-схема метода оптимизации роем частиц Второй подход включает в себя исследования, направленные на координацию настроек устройств АРВ между собой, другими системами регулирования синхронных генераторов или САУ объектов ВИЭ и устройств FACTS с целью повышения управляемости нормальными и переходными режимами ЭЭС. В работах [35, 36] предлагаются методы согласованной настройки регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов для решения актуальных задач, возникающих в условиях формирования и развития крупномасштабных энергообъединений. В первой из них используется аппарат нечеткой логики, во второй - нахождение минимума целевой функции. При координации настройки АРВ с управляемыми устройствами продольной компенсации для обеспечения колебательной устойчивости ЭЭС, что становится особенно актуальным в связи с возрастающей вероятностью возникновения явления субсинхронного резонанса в электрических сетях с подобным типом устройств FACTS [37], также находит применение метод D-разбиения [38]. В работе [39] используется генетический алгоритм, с помощью которого настраиваются основные каналы по отклонению напряжения и каналы стабилизации АРВ, а также САУ статического тиристорного компенсатора реактивной мощности. Также в подобных работах зачастую используются аналогичные методы параметрической оптимизации, в частности, метаэвристический алгоритм оптимизации койотов [40], алгоритм летучих мышей [41] и др. Разработка методик по нахождению оптимальных мест установки автоматических регуляторов возбуждения В качестве отдельного направления также выделены исследования, связанные с нахождением оптимального места установки устройств АРВ и их настройки для повышения уровня демпфирования широкого спектра колебаний в ЭЭС, например, с применением метода роя частиц [42] или с помощью идентификации когерентных групп генераторов в совокупности с методом оптимизации средней дисперсии [43]. Кроме того, подобные исследования могут заключаться в выборе оптимального типа регулятора [44], что, в частности, относится к каналам стабилизации или системному стабилизатору АРВ, в нахождении оптимальных мест установки устройств FACTS различного типа, состава и мощности с учетом наличия в ЭЭС традиционных источников генерации с АРВ [45, 46], а также рассматривать при этом возможность установки не только синхронных генераторов, но и синхронных компенсаторов с АРВ [47]. Оценка возможности развития систем регулирования возбуждения в рамках представленных направлений Весомым достоинством развития систем АРВ в рамках первого направления является сохранение классической линейной структуры регуляторов, которая широко используется в мировой практике и апробирована десятилетиями их успешной эксплуатации. Изменение закона регулирования путем добавления новых сигналов и каналов не является столь радикальным мероприятием по сравнению с замещением на нелинейные адаптивные и робастные устройства АРВ. Также зачастую предлагаемые в данном направлении решения являются реализуемыми на практике, в частности, в связи с непрерывным развитием систем мониторинга и измерения параметров электрического режима [48], что позволяет оперативно получать точную и достоверную информацию, необходимую для реализации новых функций или алгоритмов в структуре систем АРВ. Разработка адаптивных устройств АРВ позволяет осуществлять, как уже отмечалось ранее, эффективное управление режимами в широком многообразии схемно-режимных условий функционирования ЭЭС, учитывая изменения их структуры и свойств при внедрении объектов РГ, ВИЭ и устройств FACTS. Данная возможность является неоспоримым преимуществом подобных систем регулирования возбуждения в сравнении с АРВ классической структуры. Адаптивные и робастные АРВ могут быть разработаны для учета разных типов генераторов или даже групп генераторов и их совместного управления, способны учитывать особенности функционирования ЭЭС, их динамические характеристики, выражающиеся в скорости протекания процессов, спектре возникающих колебаний и диапазоне изменения параметров электрического режима. Однако масштабное применение подобного рода устройств АРВ с целью повышения эффективности решения проблем режимного управления в современных ЭЭС и их устойчивости является маловероятным, как минимум, в среднесрочной перспективе, так как практическая реализация данных устройств заметно усложняет сам регулятор, что приводит к снижению его надежности, и в настоящее время отсутствуют какая-либо общая структуризация и методика их формирования и настройки [49, 50]. Кроме того, среди причин отсутствия практического внедрения подобного типа АРВ находятся сложность и нелинейность алгоритмов их работы, которые оказывают влияние на неопределенность их функционирования. Объект управления, в качестве которого выступает синхронный генератор, по своей сути достаточно сложен, а применение сложных алгоритмов адаптации с большим количеством предположений относительно его режимов работы и многообразных схемно-режимных состояний ЭЭС является затруднительным. Также одной из проблем адаптивных регуляторов является невозможность гарантирования их эффективной работоспособности в системах и условиях, отличных от тех, в которых они были разработаны и настроены для конкретного объекта. Кроме того, есть проблема существования и достижимости как оптимальных нелинейных законов управления, так и решения задачи адаптивного управления с нелинейной параметризацией, в особенности достижения стабилизации и гарантированного качества регулирования процессов. При этом стоит отметить, что введение новых каналов или сигналов регулирования, т.е. создание нового типа АРВ классической линейной структуры, также затруднительно, поскольку требует достаточного обоснования, экспериментальной проверки и комплексного сравнения с существующими устройствами АРВ [51, 52]. Основным достоинством разработки новых подходов и методик по настройке систем регулирования возбуждения является их универсальность при рассмотрении АРВ разной структуры с учетом места их установки или структуры и топологии ЭЭС в целом. При этом становится возможным учесть множество факторов при настройке устройств АРВ, в том числе значительное количество рассматриваемых схемно-режимных состояний ЭЭС, взаимовлияние других объектов в ЭЭС, необходимые показатели качества регулирования и т.д., а также адаптировать данные методики под решение конкретных задач и соблюдение нормированных показателей, отраженных в сетевых кодексах и стандартах, например, необходимость демпфирования электромеханических колебаний за время, не превосходящее 15 секунд [53]. Однако применение различных методов оптимизации неизбежно связано с определенными трудностями, в частности, с выбором весовых коэффициентов при использовании различных показателей качества с целью формирования единого критерия оптимальности; зависимостью надежности методов от условий поиска, т.е. в случаях, когда рассматривается значительное количество схемно-режимных условий, вычислительный процесс может расходиться, вследствие чего необходимые параметры настройки не будут определены; описанием необходимой целевой функции, слабая проработанность которого приводит к ухудшению результатов оптимизации и проявляется на этапе экспериментальной проверки найденных решений, и др. В то же время в каждой из представленных выше работ показывается преимущество предлагаемой методики настройки над другими, в связи с чем невозможно оценить, который из вариантов является наиболее эффективным и относительно легко реализуемым на практике. Таким образом, вопрос нахождения наиболее оптимальной настройки АРВ определенной структуры в условиях работы в конкретной ЭЭС с учетом возможных схемно-режимных состояний и возмущений остается крайне актуальным. Заключение Изменяющиеся свойства и характеристики ЭЭС современной структуры становятся одной из основных причин, способствующих развитию различных областей электроэнергетики, среди которых отдельно можно выделить подходы к автоматическому регулированию возбуждения синхронных генераторов электростанций. В настоящий момент существует несколько направлений в рамках развития подобных систем, связанных с модернизацией АРВ классической линейной структуры, разработкой адаптивных АРВ, формированием новых методик по их настройке и нахождением оптимальных мест установки АРВ совместно с синхронными генераторами или компенсаторами. В статье приведена информация о решениях, используемых в рамках представленных направлений, а также сделаны некоторые выводы о достоинствах и недостатках каждого из них.

About the authors

A. B Askarov

National Research Tomsk Polytechnic University

M. V Andreev

National Research Tomsk Polytechnic University

E. M Chikishev

Industrial University of Tyumen

A. A Suvorov

National Research Tomsk Polytechnic University

V. E Rudnik

National Research Tomsk Polytechnic University

References

Statistics

Views

Abstract - 37

PDF (Russian) - 15

Refbacks

• There are currently no refbacks.