Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ БЕСЩЕТОЧНЫХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Карачев Александр Александрович

Санкт - Петербург - 2007

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Поляхов Н. Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юрганов А. А.

кандидат технических наук, Соколов П. В.

Ведущая организация - ОАО Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (ОАО «НИИПТ»)

Защита диссертации состоится «___» _________ 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.238.05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Дзлиев С. В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Работа синхронного генератора в энергосистеме обеспечивается системой возбуждения, поэтому проблема построения регулятора возбуждения, гарантирующего устойчивость энергосистемы и обеспечивающего требуемое качество поддержания напряжения, инвариантность настроек к изменению режима работы генератора и сети, является актуальной, особенно в связи с постоянно растущими требованиями к качеству вырабатываемой электроэнергии. Объединение электроэнергосистем, строительство новых и модернизация уже существующих крупных гидро- и атомных электростанций, расширение присутствия российских производителей на мировом рынке электроэнергетической продукции и возрастающая конкуренция со стороны зарубежных производителей систем возбуждения требует разработки нового поколения цифровых систем возбуждения c реализацией на серийных микроконтроллерах. Необходимость разработки современных автоматических регуляторов возбуждения связана с требованием повышения эффективности алгоритмов управления и микроконтроллерной реализацией регулятора. Перспективными являются два направления исследований в области создания регуляторов возбуждения: развитие традиционных законов регулирования и использование интеллектуальных, в частности, нечетких и нейросетевых систем управления.

Бесщеточные системы возбуждения обеспечивают работу синхронных генераторов с максимально возможной на сегодня мощностью в диапазоне от 300 МВт до 1200 МВт, устанавливаемых на атомных и крупнейших гидроэлектростанциях. Недостатком бесщеточных систем является низкое быстродействие и качество поддержания режимных параметров синхронного генератора по сравнению со статическими тиристорными системами возбуждения. Разработка нечетких регуляторов системы возбуждения позволит улучшить динамические характеристики и точность поддержания режимных параметров бесщеточного синхронного генератора. В то же время разработка методик синтеза и структур нечетких систем возбуждения, исследование эффективности и устойчивости нечетких регуляторов является необходимым условием создания высокоэффективных нечетких систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора.

Цель работы. Развитие и исследование теоретических и прикладных вопросов синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов в составе энергосистемы, работающих в различных схемно-режимных условиях.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Оценка современного состояния и определение пути повышения эффективности систем возбуждения синхронных генераторов в направлении разработки полностью цифровых систем с реализацией интеллектуальных, в частности, нечетких алгоритмов регулирования возбуждения.

2. Синтез нечетких регуляторов с обеспечением устойчивости и грубости при управлении объектами с ограниченной неопределенностью на основе предложенного подхода, основанного на применении квадратичных неравенств и концепции универсального аппроксиматора.

3. Разработка методик синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора.

4. Оптимизация коэффициентов усиления каналов регулирования для трех типов современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М и синтез в соответствии с предложенными методиками интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов с обоснованием выбора структуры и параметров системы возбуждения и разрабатываемых регуляторов.

5. Сравнительное исследование эффективности работы и энергозатрат на управление разработанных интеллектуальных регуляторов со стандартными и субоптимальными регуляторами системы возбуждения бесщеточного генератора.

6. Разработка программного комплекса моделирования систем возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы.

Методы исследования. При решении поставленных задач использованы: математический аппарат современной теории автоматического управления, методы пространства состояний, метод функций Ляпунова, теория нечетких множеств, основные положения нечеткого и нейросетевого управления, методы оптимизации, методы математического моделирования, программный пакет Matlab.

Научные результаты, выносимые на защиту:

1. Подход, основанный на применении нечетких и нейросетевых моделей как универсальных аппроксиматоров и квадратичных неравенств, характерных для метода функций Ляпунова.

2. Методики синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщёточного синхронного генератора.

3. Нечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы, разработанные для трех типов систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М.

4. Программный комплекс моделирования систем возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы.

Новизна научных результатов.

1. Подход, основанный на применении нечетких и нейросетевых моделей как универсальных аппроксиматоров и квадратичных неравенств, характерных для метода функций Ляпунова, на основе которого получены в виде теорем результаты в исследовании устойчивости и грубости интеллектуальных систем управления динамическими объектами с ограниченной неопределенностью.

2. Методики синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщёточного синхронного генератора отличаются совместным использованием алгоритмов оптимизации, методов нечеткого управления и нейросетевых алгоритмов, что обеспечивает оптимальный выбор структуры и настройку всех параметров нечетких, нейросетевых и нейронечетких регуляторов системы возбуждения.

3. Нечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы, разработанные для трех типов систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М, отличаются использованием при построении регулятора возбуждения пакетных и комбинированных нечетких регуляторов с настройкой параметров с помощью адаптивной нейронечеткой сети ANFIS.

4. Программный комплекс моделирования систем возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы отличается тем, что охватывает полный цикл проектирования, формирования структуры, оптимизации, обучения, моделирования, мониторинга, оценки и протоколирования результатов исследования традиционных и интеллектуальных систем возбуждения синхронных генераторов.

Практическая ценность работы.

1. Подтверждено применение нечетких алгоритмов управления для улучшения динамических характеристик, точности поддержания режимных параметров и энергосбережения систем возбуждения при изменении схемно-режимных условий работы бесщеточного синхронного генератора, а также для повышения качества вырабатываемой бесщеточным генератором электроэнергии.

2. Разработаны практически реализуемые нечеткие регуляторы различной структуры для трех типов современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М.

3. Программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы может быть использован для синтеза и исследования существующих и разрабатываемых перспективных интеллектуальных регуляторов статических тиристорных и бесщеточных диодных систем возбуждения синхронного генератора.

4. Результаты работы являются теоретической и алгоритмической базой для реализации на серийных микроконтроллерах высокоэффективных нечетких систем возбуждения бесщеточных генераторов для мощных энергогенерирующих объектов, обеспечивая конкурентоспособность российских систем возбуждения на внутреннем и мировом рынке электроэнергетической продукции.

Достоверность научных выводов и рекомендаций.

Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются корректным использованием математического аппарата современной теории автоматического управления, метода пространства состояний, метода функции Ляпунов, теории нечетких множеств, основных положении нечеткого и нейросетевого управления, методов оптимизации, методов математического моделирования, достаточной апробацией и публикациями полученных результатов.

Реализация результатов работы. Теоретические положения, методики синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения и разработанные нечеткие регуляторы систем возбуждения использованы в НИР:

1) Теоретические основы разработки интеллектуальных регуляторов возбуждения мощных синхронных генераторов, № госрегистрации: 01 2003 03 990, Источник финансирования - федеральный бюджет РФ, министерство образования и науки РФ. Сроки - 01.01.2003-31.12.2004.

2) Разработка нового поколения систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов на базе нечёткой логики. Шифр - ИИД/CАУ-72, № госрегистрации: 75436. Источник финансирования - федеральный бюджет РФ, министерство образования и науки РФ, программа «Развитие научного потенциала высшей школы». Сроки - 1.01.2005-31.12.2005.

3) Теоретические основы разработки интеллектуальных систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов, № госрегистрации: А04-3.14-493, 2004 г., Источник финансирования - персональный грант федерального агентства по образованию министерства образования и науки РФ для поддержки научно-исследовательской работы аспирантов государственных образовательных учреждений высшего профессионального образования 2004 года. Сроки - 1.10.2004-31.12.2004.

4) Разработка и исследование системы регулирования возбуждением бесщеточного синхронного генератора. № госрегистрации: М05-3.1К-245. Источник финансирования - персональный грант правительства Санкт-Петербурга для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга 2005 года. Сроки: 1.05.2005-31.12.2005.

Практическая полезность результатов работы подтверждается актами использования на предприятии филиала ОАО «Силовые Машины» «Электросила» в Санкт-Петербурге и в учебном процессе СПбГЭТУ “ЛЭТИ”.

Апробация результатов работы. Основные теоретические и прикладные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 10 международных, всероссийских и региональных конференциях, в том числе:

- на ХVI международной конференции по электрическим машинам "ICEM - 2004" (г. Краков, Польша, 5-8 сентября 2004 г.);

- на VIII и IX международных конференциях по мягким вычислениям и измерениям SCM-2005 и SCM-2006 (г. Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 27-29 июня 2005 и 2006 г.);

- на XII международной научно-технической конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ(ТУ), 2-3 марта 2006 г.);

- на 3-ей и 4-ой всероссийских научных конференциях «Управление и информационные технологии УИТ-2005 и УИТ-2006» (г. Санкт-Петербург, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 30 июня - 2 июля 2005 г. и 10-12 октября 2006 г.);

- на IV всероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука - региону» (г. Вологда, ВоГТУ, 21 февраля 2006 г.);

- на научно-техническом совете филиала ОАО «Силовые Машины» «Электросила» в Санкт-Петербурге (25 января 2006 г.);

- на 58-ой и 59-ой научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЭТУ (СПбГЭТУ «ЛЭТИ», январь 2005 и 2006 г.);

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, из них - 4 статьи (2 статьи включены в перечень изданий, рекомендованных ВАК) и 8 работ - в материалах международных и межрегиональных научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы, включающего 125 наименований, и четырех приложений. Основная часть работы изложена на 114 страницах машинописного текста. Работа содержит 66 рисунков и 20 таблиц.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определен круг решаемых задач, дана краткая характеристика работы и сформулированы цели и задачи исследований.

В первой главе представлен обзор и сравнение современных российских и зарубежных систем возбуждения синхронных генераторов. Дано краткое описание и общая структура бесщеточной системы возбуждения синхронного генератора в составе энергосистемы. Рассмотрено развитие, современное состояние и перспективы дальнейшего совершенствования бесщеточных систем и регуляторов возбуждения синхронных генераторов. Дан обзор регуляторов возбуждения сильного действия серии АРВ, используемых в отечественных системах возбуждения, и отмечены особенности западных систем возбуждения.

Показано, что статические системы возбуждения из-за наличия щеточно-контактного узла не могут обеспечить требуемые токи возбуждения синхронных генераторов повышенной мощности. Бесщеточные системы возбуждения позволяют существенно повысить предельно-допустимые уровни токов в обмотке возбуждения мощных синхронных генераторов, однако быстродействие таких систем снижается из-за наличия совместно-вращающегося на валу бесщеточного возбудителя. Повышение быстродействия бесщеточной системы достигается включением жесткой обратной связи возбудителя и повышенной кратности напряжения возбуждения возбудителя.

Современные автоматические регуляторы возбуждения развиваются по пути повышения эффективности алгоритмов управления и микроконтроллерной реализацией регулятора. Ведутся разработки регуляторов возбуждения с различными интеллектуальными свойствами, это в первую очередь адаптивные и робастные регуляторы, известны примеры исследования нечетких и нейросетевых системных стабилизаторов. Применение интеллектуальных регуляторов в цифровых открытых системах является прогрессивным направлением развития систем возбуждения, поэтому в работе основное внимание при разработке системы регулирования бесщеточного генератора уделено созданию и оптимизации интеллектуальных, в частности нечетких, регуляторов возбуждения. Отечественные системы возбуждения серии АРВ с регуляторами «сильного действия» не только не уступают западным образцам, но и по функциональным возможностям превосходят их, поэтому при разработке бесщеточной системы в качестве базовых выбраны именно современные российские системы возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС производства НИИ «Электромаш» и АРВ-М производства филиала ОАО «Силовые машины» «Электросила».

Во второй главе обоснован выбор математических моделей синхронного генератора, бесщеточного возбудителя, диодного преобразователя и системы возбуждения. На основе метода эквивалентирования внешней электрической сети станции [Юрганов А.А.] построена модель бесщеточного синхронного генератора в составе энергосистемы для исследования внешнего движения. Представлены математические модели бесщеточной системы возбуждения и автоматического регулятора возбуждения. Выполнен расчет параметров установившихся режимов синхронного генератора в составе энергосистемы при изменении режимов работы и вариации внешнего реактивного сопротивления электросети. Модель бесщеточного синхронного генератора приведена к форме пространства состояний и выделена ограниченная неопределенность и диапазон изменения параметров линеаризованной модели бесщеточного генератора в различных схемно-режимных условиях генератора относительно номинального режима работы. Показано, что бесщеточный синхронный генератор в энергосистеме является техническим объектом управления с ограниченной неопределенностью параметров. С помощью средств MatLAB/Simulink построена модель системы возбуждения бесщеточного синхронного генератора в составе энергосистемы, используемая далее при разработке и исследовании стандартных и нечетких регуляторов возбуждения.

В третьей главе дана разработка теоретических результатов для построения интеллектуальных регуляторов возбуждения бесщеточного генератора как технического объекта с ограниченной неопределенностью. В качестве основы предложен подход в исследовании устойчивости и грубости нечетких систем, основанный на использовании концепции универсального аппроксиматора и метода функций Ляпунова (I Научный результат).

Сформулированы и доказаны следующие теоремы:

1. Нечеткая система обладает грубостью.

Следствие. Нечеткий регулятор можно представить объединением некоторого числа нечетких регуляторов.

С помощью указанного представления возможно:

- построить пакетный нечеткий регулятор с усиленным свойством грубости и удовлетворением требованию точности аппроксимации, а именно: небольшое число правил в каждом нечетком регуляторе дает ему хорошее свойство обобщения, а объединение нечетких регуляторов позволяет получать хорошее аппроксимирующее свойство;

- построить комбинированные регуляторы со структурой типа “нечеткий регулятор + традиционные регуляторы”, в которых возмущения, приведенные к входу объекта управления, компенсируются нечетким регулятором как аппроксиматором этих возмущений.

2. Нечетким регулятором обеспечивается асимптотическая устойчивость в целом и грубость нечеткой системы по отношению к ограниченной неопределенности объекта управления.

Нечеткий регулятор является непрерывным оператором , где совокупность аргументов - переменные движения объекта управления и/или допустимые функции от них. Возьмем нечеткую систему в виде Такаги-Сугено:

y = Lx

, ,

где , L - постоянные матрицы (в том числе с номинальными значениями); ограниченная неопределенность управляемого объекта выражена в приведенных к входу возмущениях ; - внешние ограниченные возмущения; - число нечетких правил; - конечномерный вектор состояния.

На основе теоремы 2 методом функций Ляпунова для нечеткой системы устанавливаются:

- асимптотическая устойчивость в целом нечетким стабилизирующим управлением, если , u = Kx - стабилизирующий четкий закон, обеспечивающий желаемое качество управления системе с матрицами без учета приведенных возмущений;

- грубость, если , что означает нечеткую компенсацию возмущений.

Здесь - точности аппроксимации.

Отметим, что увеличение числа правил нечеткого условного логического вывода приводит к улучшению точности аппроксимации, но к ухудшению обобщающей способности или свойства грубости. Поэтому предлагается построение нечетких регуляторов по пакетной структуре, состоящей из объединения, в простом случае - суммы, нечетких регуляторов с небольшим числом указанных правил. Увеличение числа нечетких регуляторов в пакетной структуре обеспечит необходимые точности () аппроксимации стабилизирующего регулятора и приведенных к входу системы возмущений. При необходимости компенсации возмущений с большим радиусом предельного множества наращивается число нечетких регуляторов.

Таким образом, при исследовании интеллектуальных систем управления технических объектов с ограниченной неопределенностью в работе получены следующие результаты:

- предложено применение квадратичных неравенств и универсального аппроксиматора как платформы синтеза и исследования нечетких регуляторов для систем управления техническими объектами с ограниченной неопределенностью;

- показано, что свойства универсального аппроксиматора и обобщения придают системам с интеллектуальными (нечеткими, нейросетевыми, нейронечеткими) регуляторам качество грубых систем при управлении техническими объектами с неопределенностью;

- обосновано свойство нечетких регуляторов компенсировать ограниченную неопределенность параметров динамических объектов и способность нечетких комбинированных систем сохранять свойства оптимальности при действии ограниченных внешних возмущений на объект управления;

- проведен анализ устойчивости и грубости нечетких систем управления и синтез пакетных (с расширенной областью грубости) и комбинированных нечетких регуляторов, включающих традиционные регуляторы (для систем возбуждения - регулятор напряжения + системный стабилизатор);

- разработаны процедуры синтеза нечетких, нейросетевых и нейронечетких регуляторов.

В четвертой главе отмечены проблемы оптимизации и повышения эффективности функционирования бесщеточных систем возбуждения и предложены пути их решения. Обосновывается выбор коэффициента жесткой обратной связи по напряжению бесщеточного возбудителя. Представлены результаты оптимизации стандартных регуляторов современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРМ-М. Cформулирована методика синтеза интеллектуальных регуляторов бесщеточных систем возбуждения. Анализируются различные структуры нечетких регуляторов систем возбуждения. Обосновывается выбор нечеткой системы Такаги-Сугено для синтеза нечетких регуляторов возбуждения бесщеточного генератора. В соответствии с предложенной методикой выполняется синтез нечетких и нейросетевых регуляторов систем возбуждения бесщеточного генератора средствами пакета Matlab. Исследуется и обосновывается выбор структуры, параметров и методов настройки нечетких регуляторов систем возбуждения. Рассматриваются вопросы формирования обучающей выборки и пути повышения качества настройки и обучения нечетких регуляторов. Выполняется сравнительное исследование в среде Matlab разработанных нечетких регуляторов с нейросетевыми, стандартными и субоптимальными регуляторами систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора в составе энергосистемы. Даны оценки качества вырабатываемой бесщеточным генератором электроэнергии, быстродействия систем возбуждения и энергозатрат на управление бесщеточным генератором в различных схемно-режимных условиях работы энергосистемы. Даны практические рекомендации реализации нечетких регуляторов в современных системах возбуждения. Представлен разработанный программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы.

Традиционно входящие в состав системы возбуждения блок форсировки, блок обеспечения минимального возбуждения, система ограничения и защиты определяются в основном предельно допустимыми параметрами используемого в энергосистеме силового оборудования, технологическими режимами работы синхронного генератора, электросетью и другими факторами, поэтому, как правило, эти подсистемы и их параметры выбираются заранее и не меняются в процессе эксплуатации системы возбуждения. Применение интеллектуальных, в частности, нечетких регуляторов эффективно в регуляторах напряжения и системных стабилизаторах.

Методика синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов (II Научный результат).

Методика позволяет выполнять оптимизацию стандартных регуляторов и синтезировать интеллектуальные регуляторы статических тиристорных и бесщеточных диодных систем возбуждения, а именно: нечеткие, нейросетевые и нейронечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы, а также интегрированные регуляторы, сочетающие в одном блоке функции регулятора напряжения и системного стабилизатора. Методика объединяет все этапы проектирования, оптимизации, моделирования, испытания и реализации бесщеточной системы возбуждения.

1. На основе технической документации и математических моделей основных составных компонентов электроэнергетической системы составляются модели синхронного генератора, бесщеточного возбудителя (если предполагается его использование) и системы возбуждения, а также формируется система мониторинга и оценки энергосистемы. Все составляющие согласуются и интегрируются в рамках единой модели энергосистемы, учитывающей все особенности используемого оборудования, в том числе его резервирование. Выбирается базовая система возбуждения, для которой проектируется регулятор.

2. Выбираются режимы работы энергосистемы. Рассчитываются параметры модели синхронного генератора в исследуемых режимных точках, выбранных в рабочей области.

3. С помощью пользовательского интерфейса или файла инициализации задаются все необходимые параметры и ограничения силового и регулирующего оборудования, выбирается тип системы возбуждения и предполагаемые возмущающие воздействия, которые должен эффективно отрабатывать стандартный или интеллектуальный регулятор.

4. Выполняется моделирование энергосистемы и данные мониторинга используются для формирования базы данных измерений и расчета показателей качества. В соответствии с установленными требованиями, предъявляемыми к работе системы формируется функционал эффективности работы энергосистемы, по которому будет выполняться оптимизация коэффициентов усиления стандартного регулятора. Например, с помощью NCD-оптимизации или другого алгоритма. Рассчитанные таким образом коэффициенты могут быть непосредственно использованы в базовой системе возбуждения в блоках регулятора напряжения и системного стабилизатора.

5. Если требуется разработка интеллектуального регулятора, то сначала выбирается его вид: нечеткий, нейронечеткий или нейросетевой. Для нечеткого регулятора выбирается его тип согласно используемому механизму нечеткого логического вывода (Мамдани, Цукамото, Сугено), формируется структура и настраиваются параметры, а затем регулятор включается в соответствующий блок системы возбуждения. Нейронечеткие и нейросетевые регуляторы после формирования структуры настраиваются в процессе обучения в соответствии с предъявляемой обучающей выборкой, которая формируется из базы данных мониторинга, и также включаются в состав системы возбуждения.

6. Выполняется моделирование энергосистемы с разработанными регуляторами и оценивается эффективность их работы, например, по сравнению со стандартными или зарубежными регуляторами. Анализируется устойчивость и грубость энергосистемы. Решается вопрос об оптимизации структуры регулятора возбуждения, использования интегрированных, пакетных или комбинированных структур интеллектуальных регуляторов.

7. После окончания итерационного процесса синтеза регулятора возбуждения с помощью средств программирования или в автоматическом режиме формируются управляющие программы для микроконтроллеров систем возбуждения. Далее следуют завершающие этапы реализации и испытаний системы возбуждения.

В качестве оптимального режима выбрана работа энергосистемы с регуляторами системы возбуждения, рассчитанными на основе алгоритма NCD-оптимизации. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству вырабатываемой основным генератором электроэнергии с учетом ограничений параметров силового оборудования, для каждой из базовых систем возбуждения АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М рассчитаны субоптимальные коэффициенты усиления регулятора в восьми исследуемых рабочих точках при изменении режимов работы бесщеточного синхронного генератора и внешнего реактивного сопротивления электросети.

В работе показано, что нечеткий регулятор Сугено 1-го порядка сочетает хорошие аппроксимирующие свойства и способность к обучению с помощью адаптивной нейро-нечеткой сети, поэтому он использован как основа для построения нечетких регуляторов систем возбуждения. Выполнены исследования и обоснован выбор треугольной формы функций принадлежности и их количества на каждый вход нечетких регуляторов, а также сформированы обучающие наборы данных для настройки параметров функций принадлежности и заключений нечетких правил нечетких регуляторов.

В соответствии с разработанной методикой синтезированы нечеткие регуляторы напряжения и нечеткие системные стабилизаторы для трех базовых систем возбуждения (III Научный результат). При построении систем возбуждения исследовались различные варианты включения блоков нечеткого регулятора возбуждения. Два основных блока системы возбуждения (регулятор напряжения (РН) и системный стабилизатор (СС)) определяют следующие исследуемые структуры регуляторов систем возбуждения, представленные на рисунке 1. Интеграция в одном регуляторе системного стабилизатора и регулятора напряжения приводит к увеличению входов нечеткого регулятора, количества правил управления к лавинообразному увеличению настраиваемых параметров. Благодаря построению пакетных и комбинированных нечетких регуляторов и упрощена структура нечетких регуляторов возбуждения, сокращено количество правил управления. Все нечеткие регуляторы имеют одинаковый тип Сугено 1-го порядка, для входов выбрана треугольная форма функций принадлежности, выходами являются синглтоны, метод дефаззификации - центр тяжести. Количество функций принадлежности на каждый вход различно: по 2 функции принадлежности для нечеткого регулятора напряжения (НРН), по 3 функции принадлежности для нечетких системных стабилизаторов по каналу частоты и производной тока возбуждения (НСС2), а также для нечеткого регулятора возбуждения (НАРВ), по 4 функции принадлежности для нечеткого системного стабилизатора (НСС). В современных системах возбуждения нечеткие регуляторы могут быть реализованы как программные модули микроконтроллера или как отдельные нечеткие процессоры.



Рис. 1 Структуры исследуемых регуляторов системы возбуждения

1) стандартный регулятор возбуждения: стандартные РН и СС (РН+СС);

2) комбинированный нечеткий регулятор возбуждения: РН и нечеткий СС (РН + НСС);

3) пакетный нечеткий СС: РН и пакетный нечеткий СС (РН +НСС2);

4) пакетный нечеткий регулятор возбуждения: нечеткий РН и нечеткий СС (НРН + НСС);

5) нечеткий регулятор возбуждения: нечеткий РН и нечеткий СС в одном блоке (НАРВ).

С помощью средств пакета Matlab на основе математических моделей основных структурных компонентов сформирована модель энергосистемы (рис. 2).



Рис. 2 Блок-схема математической модели энергосистемы в Matlab/Simulink

Разработан программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы с пользовательским интерфейсом в пакете Matlab 7.0,охватывающий полный цикл инициализации настройки, моделирования, мониторинга, оценки и протоколирования результатов исследования стандартных и интеллектуальных регуляторов статических тиристорных и бесщеточных диодных систем возбуждения (IV научный результат). Модель энергосистемы может быть адаптирована к условиям работы и используемому оборудованию конкретной электростанции благодаря использованию наиболее общего математического описания отдельных элементов системы и электросети. В модели предусмотрена возможность включения различных стандартных и интеллектуальных регуляторов возбуждения. Комплекс состоит из девяти взаимосвязанных программных модулей, выполненных в виде исполняемых m.-файлов: модуль инициализации, модуль пользовательского интерфейса, модуль визуализации и оценки работы энергосистемы, модуль формирования базы данных мониторинга энергосистемы, модуль расчета модели генератора в энергосистеме, модуль расчета бесщеточной системы возбуждения, модуль оптимизации регулятора, модули синтеза нечёткого, нейро-нечеткого и нейросетевого регулятора. Запуск необходимых компонентов выполняется непосредственно из основной модели Simulink энергосистемы. Система мониторинга позволяет в автоматическом режиме контролировать все основные переменные генератора, бесщеточного возбудителя и системы возбуждения и рассчитывать показатели качества и оценочные функционалы. При помощи графического пользовательского интерфейса можно установить параметры силового оборудования, электросети и системы возбуждения, выбрать структуру и тип всех регуляторов, входящих в энергосистему, а также задать режим работы генератора и возмущающие воздействия. Система является открытой и позволяет добавлять новые блоки и подсистемы в модель, подключать дополнительные регуляторы, а также интегрировать подпрограммы, расширяющие возможности комплекса.

Мониторинг и оценка эффективности работы систем возбуждения.

Оценка эффективности нечетких регуляторов систем возбуждения выполнена на основе результатов моделирования бесщеточного турбогенератора ТВВ-320-2У3 в энергосистеме в различных схемно-режимных условиях работы. При этом системой мониторинга контролировались переходные процессы, определяющие качество вырабатываемой электроэнергии и эффективность работы, быстродействие системы возбуждения и энергозатраты на управления бесщеточным синхронным генератором, и оценивались следующие параметры энергосистемы: отклонения номинальных значений напряжения и частоты напряжения на статоре основного генератора в установившихся и переходных режимах, а также напряжения возбуждения главного генератора и бесщеточного возбудителя в различных схемно-режимных условиях работы энергосистемы. синхронный генератор цифровой аппроксиматор

По данным мониторинга энергосистемы рассчитывались следующие показатели: время регулирования частоты напряжения (tР f) и напряжения (tР u), коэффициент демпфирования частоты напряжения (, ) и перерегулирование напряжения () на статоре бесщеточного синхронного генератора, время регулирования напряжения возбуждения бесщеточного возбудителя (tрUfv) и основного генератора (tрUfg), а также энергозатраты на управление бесщеточным возбудителем (E Ufv) и основным генератором (E Ufg), значения которых уменьшаются с ростом энергоэффективности систем возбуждения и соответствуют интегральным оценкам управляющих воздействий в течение переходного процесса управления (t0, tР):

;

.

Общая оценка эффективности работы энергосистемы в динамических режимах выполнялась на основе комплексного анализа показателей качества вырабатываемой генератором электроэнергии. При оценке использованы функционалы, значение которых уменьшаются с ростом эффективности поддержания режимных параметров генератора:

1) эффективность работы в текущей рабочей точке:

;

2) эффективность работы по всем режимам:

,

3) функционал энергозатрат на управление бесщеточным синхронным генератором в текущей точке

;

4) суммарный функционал энергозатрат на управление бесщеточным синхронным генератором:

;

5) функционал быстродействия системы возбуждения в текущей рабочей точке:

;

6) суммарный функционал быстродействия системы возбуждения по всем режимам:

,

где N - число исследуемых рабочих точек, для каждой базовой системы возбуждения (N = 8).

Для сравнения различных систем возбуждения использованы относительные значения, рассчитанные как отношение показателей системы с исследуемым регулятором к соответствующим показателям при работе системы с субоптимальным регулятором (отмечен знаком *), рассчитанным для текущей рабочей точки:

; ; ; ; ;

. (9) ; ; ; ;

.

; ; ; ; .

Энергосистема рассматривалась в трех основных режимах работы синхронного генератора, в каждом из которых предусматривалось изменение внешнего реактивного сопротивления сети на 50%. В качестве тестового сигнала использовалось ступенчатое управляющее возмущение в канале регулятора напряжения, приводящее для всех исследуемых систем к 5%-ому отклонению напряжения от номинального значения. Для оценки систем возбуждения с нечеткими регуляторами менялись базовые структуры систем возбуждения, режимы работы генератора и внешнее реактивное сопротивление. Работа нечеткого регулятора сравнивалась с стандартным применяющимся регулятором в рассматриваемой системе возбуждения и с субоптимальными для текущего режима настройками, рассчитанными в каждой рабочей точке с помощью алгоритма NCD-оптимизации.

На рисунке 3 приведены графики переходных процессов при работе энергосистемы с бесщеточной системой возбуждения на базе регуляторов АРВ-СДП1, АРВ-СДС и АРВ-М для 3-х режимов работы генератора с номинальными параметрами и 50%-ым увеличении внешнего реактивного сопротивления электросети. На итоговых диаграммах (рис.4-5) представлены результаты сравнительного исследования эффективности работы энергосистемы, быстродействия системы возбуждения и энергозатрат на управление бесщеточным синхронным генератором. Значения показателей и функционалов рассчитаны в каждой рабочей точке и отнесены к соответствующим показателям работы энергосистемы с субоптимальным регулятором. Номера рабочих точек соответствуют исследуемым состояниям энергосистемы согласно таблице 1.

Таблица 1. Соответствие номеров рабочих точек состояниям энергосистемы

Режим	Номинальный	Перевозбуждение	Недовозбуждение
XВН	0.2	0.46	0.7	0.2	0.46	0.54	0.2	0.46
АРВ-СДП1	1	2	3	4	5	6	7	8
АРВ-СДС	9	10	11	12	13	14	15	16
АВР-М	17	18	19	20	21	22	23	24

а)АРВ-СДП1, Номинальный режим, XВН=0.46 б)АРВ-СДП1, Недовозбуждение, Xвн=0.46

в) АРВ-М, Номинальный режим, XВН=0.7 г) АРВ-СДС, Перевозбуждение, Xвн=0.54

Рис. 3 Переходные процессы на статоре бесщеточного синхронного генератора

- нечеткий регулятор системы возбуждения,---- - стандартные настройки регулятора, ….. - субоптимальные настройки регулятора для текущего режима

Рис. 4 Результаты оценки энергозатрат на управление бесщеточным генератором и быстродействия систем возбуждения во всех схемно-режимных условиях работы



Рис. 5 Результаты исследования эффективности работы нечетких регуляторов систем возбуждения бесщеточного генератора во всех схемно-режимных условиях

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе реализована заявленная цель и решены следующие задачи:

1. Показано, что бесщеточный синхронный генератор, работающий в энергосистеме, является объектом управления с ограниченной неопределенностью, обусловленной как режимами работы генератора, так и состоянием электроэнергетической сети. Прогрессивным направлением развития систем возбуждения является микроконтроллерная реализация регулятора с интеллектуальными алгоритмами управления, поэтому в работе разработаны и исследованы нечеткие регуляторы для трех современных российских систем возбуждения АРВ-СДП1,-СДС (НИИ «Электромаш») и АРВ-М (АО «Электросила»).

2. Предложено применение квадратичных неравенств и универсального аппроксиматора как платформы синтеза и исследования нечетких регуляторов для систем управления техническими объектами с ограниченной неопределенностью. Проведен анализ устойчивости и грубости нечетких систем управления и синтез пакетных и комбинированных нечетких регуляторов, включающих традиционные регуляторы. Обосновано свойство нечетких регуляторов компенсировать ограниченную неопределенность параметров динамических объектов и способность нечетких комбинированных систем сохранять свойства оптимальности при действии ограниченных внешних возмущений на объект управления.

3. Разработана методика синтеза интеллектуальных регуляторов систем возбуждения бесщеточных синхронных генераторов, объединяющая все этапы проектирования, оптимизации, моделирования, испытания и реализации бесщеточной системы возбуждения. В методике используются методы оптимального, нечеткого и нейросетевого управления, чем достигается оптимальный выбор структуры и настроек всех параметров стандартных, нечетких и нейросетевых регуляторов возбуждения .

4. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству вырабатываемой основным генератором электроэнергии, быстродействию и ограничениям параметров силового оборудования, выполнена оптимизация систем возбуждения в исследуемых рабочих точках. В соответствии с разработанной методикой для трех базовых систем возбуждения синтезированы нечеткие регуляторы напряжения и системные стабилизаторы. Благодаря построению пакетных и комбинированных нечетких регуляторов была упрощена структура традиционного нечеткого регулятора возбуждения, сокращено количество правил управления.

5. Разработан программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы с пользовательским интерфейсом в пакете Matlab 7.0, охватывающий полный цикл инициализации, настройки, моделирования, мониторинга, оценки и протоколирования результатов исследования стандартных и интеллектуальных регуляторов статических тиристорных и бесщеточных диодных систем возбуждения.

6. На основе результатов моделирования бесщеточного синхронного генератора в энергосистеме в различных схемно-режимных условиях работы выполнена сравнительная оценка разработанных нечетких регуляторов систем возбуждения по отношению к стандартным, субоптимальным и нейросетевым регуляторам. Результаты оценки качества вырабатываемой бесщеточным синхронным генератором электроэнергии, эффективности работы энергосистемы, быстродействия системы возбуждения и энергозатрат на управление бесщеточным синхронным генератором показали:

1) все системы устойчивы во всем исследуемом диапазоне;

2) нечеткие регуляторы обладают грубостью по отношению к ограниченным изменениям внешнего реактивного сопротивления сети и режимам работы генератора;

3) наиболее эффективной структурой регулятора возбуждения является параллельное включение нечеткого системного стабилизатора и нечеткого или стандартного регулятора напряжения;

4) разработанные нечеткие регуляторы обеспечили высокоэффективное демпфирование электромеханических колебаний бесщеточного синхронного генератора, сокращение времени переходных процессов, улучшение стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии, повысив в среднем на 70 % эффективность работы энергосистемы по сравнению со стандартными регуляторами базовых систем возбуждения, сократив при этом на 10% энергозатраты на управление бесщеточным синхронным генератором.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.А. Карачев. Российские и зарубежные системы возбуждения синхронных генераторов [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев и др. // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер. «Электротехника». -СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2004. -Вып.1. -С.33-43.

2. А.А. Карачев. Superior electrical systems by voltage and frequency controlled brushless excitation (Бесщеточная система возбуждения с улучшенным регулированием по напряжению и частоте) [Текст]/ O. Drubel, A. Lacaze, A. Karachev // Proceedings of XVI International conference on electrical machines (ICEM-2004), 5-8 September 2004, Cracow-Poland, 2004. -P.457-463.

3. А.А. Карачев. Анализ грубости нечётких регуляторов в управлении динамическими объектами [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, Нгуен Вьет Чунг, А.А. Карачев // Материалы VIII междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2005), 27-29 июня 2005 г. -СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2005. -Т.1. -C.193-196.

4. А.А. Карачев. Исследование эффективности структур нечётких регуляторов в задаче управления динамическими объектами [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев // Материалы 3-ей всероссийской научной конф. «Управление и информационные технологии» (УИТ- 2005), 30 июня - 2 июля 2005 г. -СПб: CПбГЭТУ «ЛЭТИ»,2005. -Т.1. -С.218-223.

5. А.А. Карачев. Бесщёточные системы возбуждения синхронных генераторов [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер. «Автоматизация и управление». -СПб.:СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,2005. -Вып.1. -С.9-14.

6. А.А. Карачев. Разработка и исследование системы регулирования возбуждением бесщёточного синхронного генератора [Текст]/ А.А. Карачев // Материалы X Санкт-Петербургской ассамблеи молодых учёных и специалистов, 16 декабря 2005 г. Аннотации работ по грантам конкурса 2005 года для студентов и аспирантов вузов и академических институтов Санкт-Петербурга. -СПб: СПбГУ, 2005. -С.44-45.

7. А.А. Карачев. Нечеткие системные стабилизаторы в современных системах возбуждения синхронных генераторов [Текст]/ А.А. Карачев // Материалы IV всероссийской научно-технич. конф. «Вузовская наука - региону», 21 февраля 2006 г. -Вологда: ВоГТУ, 2006. -Т.1. -С.216-218.

8. А.А. Карачев. Разработка и исследование интеллектуальных систем возбуждения бесщеточного синхронного генератора [Текст]/ А.А. Карачев, Н.Д. Поляхов // Материалы XII междунар. научно-технич. конф. «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика», 2-3 марта 2006 г. -М: МЭИ, 2006. -Т.3., -С.336-337.

9. А.А. Карачев. О построении нечетких регуляторов систем автоматического управления [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев, А.В. Беспалов, Нгуен Вьет Чунг // Материалы IX междунар. конф. по мягким вычислениям и измерениям (SCM-2006), 27-29 июня 2006 г. -СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. -Т.1. -C.176-179.

10. А.А. Карачев. Программный комплекс моделирования систем возбуждения в составе энергосистемы [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев // Материалы 4-ой всероссийской научной конф. «Управление и информационные технологии» (УИТ-2006), 10-12 октября 2006 г. -СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,2006. -С.237-242.

11. А.А. Карачев. Разработка и исследование бесщеточных систем возбуждения на базе нечёткой логики [Текст]/ Н.Д. Поляхов, И.А. Приходько, А.А. Карачев // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер. «Автоматизация и управление». -СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006. Вып.1. -С.9-13.

Размещено на Allbest.ru

...