СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ И СРЕДСТВ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ В УСЛОВИЯХ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Анализ проблем обеспечения устойчивости в современных электроэнергетических системах и существующих направлений в области развития подходов к настройке систем автоматического регулирования возбуждения 13
1.1. Анализ влияния внедрения новых объектов и устройств на устойчивость электроэнергетических систем 15
1.2. Обоснование решения проблемы обеспечения надежности и устойчивости современных электроэнергетических систем с помощью регулирования возбуждения синхронных генераторов электростанций 20
1.2.1. Структура автоматических регуляторов возбуждения отечественного и зарубежного типов 21
1.2.2. Основные направления в области развития систем регулирования возбуждения синхронных генераторов и подходов к их настройке 29
1.3. Обоснование настройки автоматических регуляторов возбуждения в качестве эффективного мероприятия по обеспечению надежности и устойчивости современных электроэнергетических систем 34
1.3.1. Выявление факторов, препятствующих решению проблемы настройки автоматических регуляторов возбуждения в современных электроэнергетических системах в рамках применения существующих и перспективных методов и средств 35
1.3.2. Применение гибридного подхода к моделированию электроэнергетических систем для осуществления настройки автоматических регуляторов возбуждения, адекватной реальным условиям функционирования 47
1.4. Выводы по главе 1 50
Глава 2. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем и средства ее реализации 52
2.1. Концепция настройки автоматических регуляторов возбуждения с применением Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем 52
2.2. Формирование структуры и принципов построения всережимной детальной трехфазной математической модели энергоблока 54
2.2.1. Гибридный сопроцессор синхронного генератора 64
2.2.2. Гибридный сопроцессор мультимассной модели вала 69
2.2.3. Гибридный сопроцессор системы возбуждения 72
2.2.4. Гибридные сопроцессоры нагрузки собственных нужд и силового блочного трансформатора 78
2.2.5. Микропроцессорный узел специализированного гибридного процессора энергоблока 79
2.2.6. Тестовые исследования разработанных средств гибридного моделирования энергоблока 81
2.3. Выводы по главе 2 86
Глава 3. Методика настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов в условиях развития современных электроэнергетических систем 88
3.1. Формирование положений методики настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов электрических станций 88
3.2. Выводы по главе 3 98
Глава 4. Экспериментальные исследования методики настройки автоматических регуляторов возбуждения синхронных генераторов 100
4.1. Результаты настройки автоматических регуляторов возбуждения на линеаризованной модели электроэнергетической системы 102
4.2. Результаты анализа правильности и эффективности выбранных параметров настойки автоматических регуляторов возбуждения на динамической модели электроэнергетической системы 104
4.2.1. Проверка эффективности параметров настройки АРВ в нормальной схеме при изменении уровня генерации ВИЭ 105
4.2.2. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при изменении схемно-режимных условий работы ВИЭ 112
4.2.3. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при учете поддержания непрерывности электроснабжения ВИЭ при низком напряжении 116
4.2.4. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ в случае повышения напряжения 119
4.2.5. Проверка эффективности параметров настройки АРВ при отключении ВИЭ без возмущения 120
4.2.6. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении степени компенсации продольного сопротивления отходящих линий 121
4.2.7. Проверка правильности работы АРВ СГ при изменении загрузки и параметров настройки СТАТКОМ 124
4.2.8. Проверка эффективности работы АРВ СГ совместно с ВИЭ-СТАТКОМ 127
4.2.9. Проверка эффективности работы АРВ СГ при изменении параметров настройки САУ ВИЭ 129
4.2.10. Проверка эффективности работы АРВ СГ при добавлении канала стабилизации в САУ ВИЭ 131
4.2.11. Обобщение результатов настройки АРВ СГ с применением ВМК РВ ЭЭС в соответствии с предлагаемой методикой 133
4.3. Выводы по главе 4 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 140
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 143
Приложение А. Документы, подтверждающие создание объектов интеллектуальной собственности 162
Приложение Б. Структурная схема электрической машины 165
Приложение В. Структурная схема мультимассной модели вала 167
Приложение Г. Результаты тестирования гибридной модели энергоблока 169

Весь текст будет доступен после покупки

Проблема и ее актуальность. Одной из важнейших задач в области электроэнергетики является обеспечение надежности и устойчивости функционирования современных электроэнергетических систем (ЭЭС) в условиях их постоянного развития и усложнения структуры, связанных как со строительством и вводом в эксплуатацию новых энергообъектов, электрических сетей и электроустановок, так и с переоснащением и модернизацией уже используемых в настоящее время объектов. Под новыми объектами в составе современных ЭЭС в диссертационной работе понимаются объекты генерации на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), к которым преимущественно относятся ветроэнергетические (ВЭУ) и фотоэлектрические (ФЭУ) установки, а также различные технологии гибких систем передачи переменного тока (ГСППТ). Внедрение подобного рода устройств и установок помимо неоспоримых положительных аспектов вызывает и ряд негативных последствий, которые непосредственно связаны с проблемами режимного и противоаварийного управления ЭЭС. В частности, могут ухудшаться динамические свойства ЭЭС за счет снижения общей постоянной инерции и недостатка резервов мощности, увеличиваться скорость протекания процессов и максимальные отклонения параметров электрического режима в первый момент после возмущения и, как следствие, возрастать вероятность нарушения устойчивости параллельной работы электростанций или частей ЭЭС с последующим каскадным развитием аварийных процессов вплоть до разделения системы и отключения большого числа потребителей.
Одним из основных средств обеспечения устойчивости ЭЭС являются устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов (СГ), устанавливаемые на традиционных электрических станциях (тепловых, гидравлических и атомных), которые в том числе отвечают за все виды устойчивости (статическую апериодическую, статическую колебательную и динамическую) как отдельных агрегатов, так и всей ЭЭС в целом. Отмеченные изменения в ЭЭС определяют необходимость решения вопросов, связанных с эффективной настройкой систем управления возбуждением, адекватной реальным условиям их функционирования, для оптимального регулирования напряжения, повышения запасов статической и динамической устойчивости, обеспечения интенсивного демпфирования локальных, межсистемных и послеаварийных электромеханических колебаний, возникающих в ЭЭС. Важность решения этой задачи обусловлена тем, что, как показывает мировой опыт эксплуатации ЭЭС со значительной долей объектов ВИЭ, полномасштабный переход от централизованной к децентрализованной схеме электроснабжения и полноценный отказ от мощных традиционных источников энергии в настоящий момент не является возможным ввиду возникновения ряда проблем, частично обозначенных ранее.
При этом существующие подходы к настройке устройств АРВ в случае рассмотрения как ЭЭС традиционной структуры, так и современных ЭЭС не всегда способны обеспечить требуемые качество регулирования и эффективность работы данной режимной автоматики в целом, что определяется, в частности, используемыми средствами для получения необходимой информации о режимах и процессах в ЭЭС различной конфигурации, которая в дальнейшем применяется для настройки каналов АРВ СГ. Данный факт подтверждается статистикой и анализом крупных системных аварий за последние десятилетия, связанных с работой различных систем управления и в том числе АРВ СГ. Настройка АРВ СГ даже для традиционных ЭЭС является нетривиальной задачей, что связано с уникальными свойствами и характеристиками данных систем, в которых процесс производства, трансформации, передачи, распределения и потребления электроэнергии представляет собой единый и непрерывный процесс, предопределяющим сложную структуру подобных энергообъединений и взаимосвязь всего вовлеченного в этот процесс оборудования. При этом существующие методики и используемые для настройки АРВ СГ средства не в полной мере позволяют учесть особенности функционирования ВИЭ и устройств ГСППТ. Таким образом, принимая во внимание современную тенденцию развития ЭЭС, связанную с внедрением новых объектов ВИЭ и устройств ГСППТ, существенно изменяющих динамику протекания процессов в энергосистеме, в особенности переходных, а также учитывая специфику их влияния на все виды устойчивости ЭЭС в целом, возникает актуальная задача определения новых, адекватных реальным условиям настроек АРВ различного типа, обеспечивающих их эффективное функционирование в различных схемно-режимных ситуациях для обеспечения надежности и сохранения устойчивости функционирования ЭЭС. В диссертационной работе для комплексного и всестороннего решения данной задачи предлагается использовать основанный на концепции гибридного моделирования Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС), который, в силу своих свойств и возможностей, позволяет обеспечить получение полной и достоверной информации о нормальных и анормальных квазиустановившихся и переходных процессах в ЭЭС любой необходимой конфигурации и структуры, используя достаточно полную и адекватную математическую модель реальной ЭЭС.
Степень разработанности темы исследования. Принципам построения систем АРВ СГ, а также разработке методик по их настройке и другим различным аспектам в данной области посвящено множество работ как отечественных ученых и специалистов: Андреева М.В., Беляева А.Н., Ботвинника М.М., Булатова Ю.Н., Веникова В.А., Герасимова А.С., Глебова И.А., Горева А.А., Гурикова О.В., Есиповича А.Х., Зеленина А.С., Зеленохат Н.И., Игнатьева И.В., Кабанова Д.А., Климовой Т.Г., Когана Ф.Л., Лебедева С.А., Литкенс И.В., Логинова А.Г., Паздерина А.В., Покровского М.И., Рагозина А.А., Смоловик С.В., Сорокина Д.В., Строева В.А., Тащилина В.А., Штефка Й., Юрганова А.А. и др., так и зарубежных ученых: Abido M.A., Concordia C., Folly K.A., Guo Q., Hiyama T., Hope G.S., Hsu Y.Y., Kamwa I., Kundur P., Malik O.P., Mukherjee V., Ngamroo I., Panda S., Shayeghi H., Venayagamoorthy G.K., Vournas C.D., Wang H.F., Yokoyama R. и др. Однако, несмотря на это, в настоящее время остается довольно много дискуссионных вопросов, связанных с получением параметров настройки АРВ СГ электрических станций, наиболее адекватных реальным условиям их функционирования. В связи с этим идея работы, посвященная решению обозначенной проблемы настройки устройств АРВ СГ в условиях развития современных ЭЭС с применением методики и средств, в основе которых лежит комплексный гибридный подход к моделированию подобных ЭЭС, является актуальной для мировой электроэнергетики в целом.

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Анализ проблем обеспечения устойчивости в современных электроэнергетических системах и существующих направлений в области развития подходов к настройке систем автоматического регулирования возбуждения
В настоящее время во многих странах мира, в том числе Российской Федерации, продолжается устойчивое развитие современных электроэнергетических систем (ЭЭС), которое сопровождается внедрением объектов генерации на базе возобновляемых источников энергии (ВИЭ), для которых характерно непостоянство выработки электроэнергии (ветроэнергетические (ВЭУ) и фотоэлектрические (ФЭУ) установки), и установкой в электрической сети технологий гибких систем передачи переменного тока (ГСППТ) первого и второго поколения (синхронные статические компенсаторы реактивной мощности, объединенные регуляторы потоков мощности, фазоповоротные устройства и др.). Под современными ЭЭС в диссертационной работе подразумеваются энергосистемы, в составе которых помимо «традиционной» части (мощных тепловых или гидравлических электростанций, системообразующих и распределительных сетей разных классов напряжения на переменном токе и др.) присутствуют в значительной мере обозначенные устройства и установки различного типа, состава и мощности. При этом в литературе с учетом внедрения технологий, использующих в себе элементы на постоянном токе, также встречается термин «гибридные энергосистемы», который подразумевает комбинирование процессов производства, трансформации, передачи, распределения или потребления электроэнергии на переменном и постоянном токе, что в широком смысле характеризует текущий этап развития современных ЭЭС (рисунок 1.1).

Весь текст будет доступен после покупки

1. Волкова, И.О. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью / И.О. Волкова, В.В. Бушуев, Ф.В. Веселов. – М.: ОАО Федеральная сетевая компания Единой Электроэнергетической системы, 2012. – 238 с.
2. Илюшин, П.В. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией: монография / П.В. Илюшин, А.Л. Куликов. – Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019. – 364 с.
3. Ackermann, T. Distributed generation: A definition / T. Ackermann, G. Andersson, L. Soder // Electric Power Systems Research. – 2001. – Vol. 57 (3). – P. 195–204.
4. Жданеев, О.В. Развитие ВИЭ и формирование новой энергополитики России / О.В. Жданеев, С.С. Зуев // Энергетическая политика. – 2020. – № 2 (144). – С. 84–95.
5. Денисенко, А.И. Регулировочные характеристики статического синхронного продольного компенсатора / А.И. Денисенко, А.С. Лямов, С.В. Смоловик, А.Л. Тупицина // Известия НТЦ Единой энергетической системы. – 2019. – № 2 (81). – С. 107–112.
6. Impram, S. Challenges of renewable energy penetration on power system flexibility: A survey / S. Impram, S. Varbak Nese, B. Oral // Energy Strategy Reviews. – 2020. – Vol. 31. – 100539.
7. Adetokun, B.B. Application and control of flexible alternating current transmission system devices for voltage stability enhancement of renewable-integrated power grid: A comprehensive review / B.B. Adetokun, C.M. Muriithi // Heliyon. – 2021. – Vol. 7(3). – e06461.
8. Булатов, Ю.Н. Применение накопителей энергии и управляемых установок распределенной генерации для снижения провалов напряжения в сетевом энергетическом кластере / Ю.Н. Булатов, А.В. Крюков, В.Х. Нгуен // Системы. Методы. Технологии. – 2018. – № 2 (38). – С. 38–43.
9. Petinrin, J.O. Impact of renewable generation on voltage control in distribution systems / J.O. Petinrin, M. Shaabanb // Renewable and Sustainable Energy Reviews. – 2016. – Vol. 65. – P. 770–783.
10. Kou, G. Fault Characteristics of Distributed Solar Generation / G. Kou, L. Chen, P. Vansant, F. Velez-Cedeno, Y. Liu // IEEE Transactions on Power Delivery. – 2020. – Vol. 35 (2). – P. 1062–1064.
11. Шескин, Е.Б. Проблемы использования потенциала возобновляемых источников энергии для регулирования частоты в электрических системах / Е.Б. Шескин // Известия НТЦ Единой энергетической системы. – 2019. – № 1 (80). – С. 97–104.
12. Ситников, С.А. Анализ проблем энергосистемы с высокой долей солнечной генерации / С.А. Ситников, Н.М. Шайтор, А.В. Горпинченко, Е.А. Дубков // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. – 2021. – Т. 24, № 1. – С. 87–95.
13. Kroposki, B. Achieving a 100% Renewable Grid: Operating Electric Power Systems with Extremely High Levels of Variable Renewable Energy / B. Kroposki, B. Johnson, Y. Zhang, V. Gevorgian, P. Denholm, B.-M. Hodge, B. Hannegan // IEEE Power and Energy Magazine. – 2017. – Vol. 15 (2). – P. 61–73.
14. Braslavsky, J.H. Voltage Stability in a Grid-Connected Inverter With Automatic Volt-Watt and Volt-VAR Functions / J.H. Braslavsky, L.D. Collins, J.K. Ward // IEEE Transactions on Smart Grid. – 2019. – Vol. 10 (1). – P. 84–94.
15. Liu, H. An Oscillatory Stability Criterion Based on the Unified dq-Frame Impedance Network Model for Power Systems With High-Penetration Renewables / H. Liu, X. Xie, W. Liu // IEEE Transactions on Power Systems. – 2018. – Vol. 33 (3). – P. 3472–3485.
16. Рысев, Д.В. Оценка учета АРВ генератора в модели энергосистемы при исследовании подсинхронного резонанса / Д.В. Рысев, П.В. Рысев, К.С. Шульга, О.В. Мешалкин // Динамика систем, механизмов и машин. – 2019. – Т. 7, № 2. – С. 67–72.
17. Li, J. Impact of increased wind power generation on subsynchronous resonance of turbine-generator units / J. Li, X.-P. Zhang // Journal of Modern Power Systems and Clean Energy. – 2016. – Vol. 4 (2). – P. 219–228.
18. Безруких, П.П. Ветроэнергетика: Справочное и методическое пособие. – М.: изд. «Энергия», 2010. – 320 с.
19. Ackermann, T. Wind Power in Power Systems, 2nd Edition. – John Wiley & Sons, Ltd., New York, NY, USA, 2012. – 1120 p.
20. Wang, L. Investigation of SSR in Practical DFIG-Based Wind Farms Connected to a Series-Compensated Power System / L. Wang, X. Xie, Q. Jiang, H. Liu, Y. Li, H. Liu // IEEE Transactions on Power Systems. – 2015. – Vol. 30 (5). – P. 2772–2779.
21. Ахмедов, С.Б. Влияние распределенной генерации на базе возобновляемых источников энергии с использованием силовой электроники на резонанс на гармонических частотах / С.Б. Ахмедов, П.Л. Климов // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – Т. 24, № 1 (150). – С. 97–111.

Весь текст будет доступен после покупки