Динамические свойства и устойчивость транзитных электропередач и автономных энергосистем с новым управляемым силовым оборудованием

Предложены варианты оптимизации алгоритмов плавного пуска асинхронных двигателей (АД) с учетом эффективного токоограничения и особенностей моментно-скоростных характеристик электромагнитного момента современных АД на основе применения набора экспоненциально возрастающих или убывающих функций.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методологические основы анализа динамических свойств транзитных электропередач и автономных энергосистем, базирующиеся на построении областей D-разбиения для произвольных параметров систем регулирования и конфигурации ЭЭС. На их основе выработаны предложения по усовершенствованию традиционных системных стабилизаторов современных АРВ-СД и систем регулирования управляемых шунтирующих реакторов для демпфирования квазиустановившихся и переходных процессов.

2. Обоснована эффективность применения устройств управляемой поперечной компенсации в объединенных и автономных энергосистемах. Разработаны принципы определения минимально необходимого состава и технических характеристик УУПК для достижения достаточной управляемости в широком диапазоне режимов работы транзитных линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, в том числе с устройствами продольной компенсации, а также обеспечения требуемых запасов статической и динамической устойчивости автономных энергосистем с преобладающей двигательной нагрузкой. Показано, что весь диапазон рабочих режимов транзитных электропередач может быть обеспечен только за счет плавного изменения потребления реактивной мощности управляемых шунтирующих реакторов и выполнения дополнительных коммутаций традиционных ШР не требуется. Сформулированы условия обеспечения апериодической и колебательной статической устойчивости при установке управляемого шунтирующего реактора на шины крупной электростанции для компенсации реактивной мощности отходящих ЛЭП в условиях совместной работы УШР с АРВ генераторов. Показана нецелесообразность чрезмерного уменьшения эквивалентной постоянной времени системы регулирования УШР. Получено подтверждение положения о том, что система возбуждения генераторов станции адекватно демпфирует послеаварийные качания и вмешательства дополнительного устройства в этот процесс не требуется, а основной задачей, возлагаемой на управляемый реактор, является компенсация избыточной зарядной мощности ЛЭП в нормальных режимах работы системы.

На основании выполненных расчетов статической и динамической устойчиво сти сформулированы необходимые технические требования к системам регулирования УШР.

3. Усовершенствован математический аппарат анализа динамической устойчивости, основанный на совместном применении методов численного интегрирования системы нелинейных алгебро-дифференциальных уравнений и правила площадей для двухмашинной модели ЭЭС, позволяющий, в частности, существенно сократить объем расчетов при поиске предельных времен отключений коротких замыканий в электрической системе произвольной сложности.

Отработка основных положений производилась на упрощенных моделях автономных ЭЭС нефтегазовых месторождений при полном моделировании синхронных и асинхронных машин с использованием уравнений Парка-Горева, автоматических регуляторов напряжения и различных приводных механизмов (дизельных, газотурбинных и газопоршневых). Предложены варианты оптимизации алгоритмов плавного пуска асинхронных двигателей с учетом эффективного токоограничения и особенностей моментно-скоростных характеристик электромагнитного момента современных АД на основе применения набора экспоненциальных функций.

4. Обосновано направление дальнейшего совершенствования существующих алгоритмов управления частотой и активной мощностью на основе глобальной системы измерения взаимных углов генераторов, синхронизируемой при помощи спутниковых систем единого времени. Разработан алгоритм управления переходными процессами частей энергообъединения для осуществления автоматического включения межсистемных ЛЭП. Проведены численные исследования предложенного алгоритма для эквивалентных моделей ЭЭС, показывающие его эффективность для синхронизации частей энергообъединений в условиях многомашинного асинхронного хода, возникающего в результате тяжелых системных аварий.

5. Выявлены специфические динамические свойства автономных электроэнергетических систем, связанные с крутильными колебаниями валопроводов газотурбинных агрегатов. На основе разработанных математических моделей автономных ЭЭС нефтедобывающих комплексов с преобладающей двигательной нагрузкой и учетом крутильных колебаний валопроводов агрегатов электрических станций выполнен анализ причин разрушения муфт между генератором и редуктором, имевших место при коротких замыканиях и последующих переходных процессах. Выявлено, что работа высокоманевренных агрегатов с малыми значениями инерционных постоянных и большими значениями жесткостей связей участков валопровода агрегата непосредственно на местную нагрузку может привести к появлению опасных величин скручивающих моментов. Указанные обстоятельства усугубляются при совместной работе нескольких генераторов с различными параметрами в автономной энергосистеме с преобладанием двигательной нагрузки. Показано, что величина скручивающего момента, воздействующего на элемент конструкции агрегата, есть сложная функция параметров, поэтому она не должна определяться по амплитудному значению электромагнитного момента генератора. Разработаны мероприятия по снижению амплитуд скручивающих моментов между ротором генератора и турбиной в аварийном и послеаварийном режимах, а также определены параметры устройств для обеспечения динамической устойчивости системы в целом и устойчивости узлов двигательной нагрузки в частности.

6. На базе результатов натурных испытаний паровых турбин разработаны предложения по совершенствованию полной и упрощенной математических моделей паровой турбины для расчетов статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем, в том числе для оценки эффективности различных законов управления установок с парогазовым циклом. Разработаны методики упрощенного математического моделирования дизельных, газотурбинных и газопоршневых установок для расчетов динамической устойчивости и выбора средств противоаварийной автоматики в автономных энергосистемах.

7. Рассмотрены условия демпфирования колебаний, вызванных неравномерностью вращающего момента первичного двигателя (дизель-генератора) в условиях автономной работы многоагрегатных систем электроснабжения. Устойчивость и надежность работы таких ЭЭС обеспечивается за счет применения различных систем управления. Важное место среди них занимают системы автоматического регулирования возбуждения генераторов. Достижение высоких демпферных свойств реализуется благодаря использованию в АРВ дополнительных параметров стабилизации. Установлена высокая эффективность использования канала регулирования возбуждения по производной тока статора.

Показано, что подавление колебаний электромагнитной мощности генератора за счет регулирования возбуждения приводят к увеличению колебаний напряжения на шинах приемной станции. Даны рекомендации по выбору настройки канала регулирования по производной тока статора, обеспечивающих удовлетворение всех ограничений.

8. Обоснован общий подход к проектированию адаптивных робастных регуляторов заданной структуры для демпфирования электромеханических переходных процессов в ЭЭС и крутильных колебаний валопроводов турбоагрегатов. На основе методики математического проектирования регуляторов разработана структура робастного LQG/LTR-стабилизатора АРВ генератора, УШР и УПК для демпфирования составляющих крутильных колебаний. В качестве входного сигнала регулятора используется только один сигнал обратной связи (отклонение частоты вращения ротора). Такая конфигурация является простой и практически реализуемой, вследствие использования легко измеримых величин. На основе процедуры сбалансированного понижения порядка модели Шура получена методика понижения дифференциального порядка робастного стабилизатора. Показано, что разработанный робастный стабилизатор обеспечивает значительное улучшение демпферных свойств системы на частотах крутильных колебаний и даже при двукратном уменьшении порядка стабилизатора показатели качества переходных процессов остаются практически на прежнем уровне.

Размещено на Allbest.ru