Применение методов робастного управления в системах регулирования синхронных генераторов

АННОТАЦИЯ

В статье анализируются проблемы строгого контроля возбуждения синхронных генераторов, показатели качества систем автоматического управления, факторы, влияющие на управление, и их происхождение, методы управления синхронными генераторами, тенденции, теории, основная структура робастной системы управления.

ABSTRACT

The article analyzes the problems of strict control of excitation of synchronous generators, quality indicators of automatic control systems, factors affecting control and their origin, methods of control of synchronous generators, trends, theories, the basic structure of a robust control system.

Ключевые слова: управления, возбуждения, синхронный генератор, качество, математической модель, надежность, устойчивост, распределения, минимизация, колебания, режим.

Keywords: control, excitation, synchronous generator, quality, mathematical model, reliability, stability, distribution, minimization, fluctuations, mode.

Проблемы строгого управления возбуждения синхронных генераторов. Качество систем автоматического управления определяется рядом показателей, которые должны сохранять свои значения при изменении конечных параметров под воздействием различных факторов. Управление реальными объектами усложняется различными неопределенностями, такими как, изменение динамических свойств объекта, неправильным назначением неисправностей, неучтенные задержки и т.д. В результате возникает несоответствие математической модели реальному объекту. Однако простого наличия обратных последовательностей в технических решениях недостаточно, чтобы гарантировать надежность или устойчивость модели в отношении неопределенностей. Если при какой-либо точке настройки, параметры уставки располагаются вокруг этой точки, то тогда можно сказать что параметры системы и сама система робастная[5]. Целью исследования автоматически управляемой параметрической системы с переменными параметрами является оценка и измерение производительности. Она разделяется на два основных направлений для анализе робастной устойчивости системы автоматического управления. Первая тенденция основана на различных матричных неравенствах и теории Ляпуно[10]. Для второй тенденции используется анализ интервальных методов. Оценка степени робастности систем автоматического управления в настоящее время является открытым вопросом. Тем не менее, робастная система оптимального управления широко освещена в литературе, а методы построения линейных элементов управления по сути Гауссовского распределения в случаях внешнего вмешательства линейных последовательностей направлены на минимизацию интегрально-квадратичных критериев. Особый интерес представляет подход, основанный на базовом решении задач минимизации и создании соответствующих надежных средств контроля, несмотря на некоторые недостатки, такая система управления обеспечивает стабильную устойчивость[9][4]. Постановка и обсуждение вопроса управления: Система возбуждения синхронных генераторов иметь большое значение в процессе масштабного энергообмена между станциями. Система является основным средством поддержания устойчивости при низкочастотных динамических и электромеханических колебаниях в различных режимах работы. Существующие обычные регуляторы, автоматические регуляторы привода (с сильным воздействием) АРВ (в СНГ) и системные стабилизаторы мощности PSS (за рубежом) имеют ограниченные возможности регулирования из-за постоянной регулировки параметров. В результате влияния неопределенностей, связанных с различными условиями эксплуатации, возникает проблема построения примерной системы регуляторов, обеспечивающей оптимальную независимость системы от такого регулятора. Теория H∞-управления используется при разработке робастного механизма поля возбуждения[6]. Особенность метода заключается в том, что он позволяет напрямую вводить неопределенности при синтезе регулятора с учетом границ модели контролируемого объекта. Управляющее устройство, генерируемое теорией H∞-управление, имеет динамическую коммуникационную структуру с постоянным параметром, и для ее реализации достаточно пронумеровать параметры управляющих сигналов. Существует два различных подхода к построению робастной схемы возбуждения синхронных генераторов: централизованный и децентрализованный. Первый подход основан на создании единого многопозиционного управления[1][2]. На основе второго подхода создается набор одиночных входов (в соответствии с количеством управляемых выходных переменных) - единый выходной элемент управления, образующий такое же количество дополнительных контуров управления. Второй подход мало изучен. Для практических целей управление синхронными генераторами (СГ) можно ограничить задачей улучшения вибрации СГ в различных режимах работы. В исследовании используются уравнения Парка-Горева для создания математической модели синхронного генератора. Внешнее индуктивное сопротивление энергосистемы X_вн  записывается величинами в относительных единицах (рис.1.)[7].

Рисунок 1. Функциональная схема системы управления возбуждением синхронного генератора

На функциональной схеме 1 показано подключение дополнительного робастного управления. Традиционное (AРВ) управление возбуждением основано на двух каналах связи. Первый - это канал управления синхронным генератором, второй - канал демпфирования динамических процессов, который адаптирует генератор к энергосистеме. В обычной стабилизации используется обратная связь по частотам отклонения напряжения (∆f,f' ) и току возбуждения (I_f ). За рубежом используются (PSS) отклонение мощности (∆P ) и обратная связь по частоте (∆f). Контроль отклонения напряжения ∆U и его произведение (U' ) такое же, как контроль изменения напряжения, а также называется законом частичного разряда. В некоторых случаях также называется законном ПИД для отдельной станции. Необходимо построить жесткий контроль на основе существующих выходных параметров, обеспечивающий удовлетворительное затухание динамических процессов на всех небольших участках режима. Сильное робастное управление должно производиться в малом количестве и легко реализовываться. При автоматическом управлении напряжение поддерживается постоянным для эффективного демпфирования параметров частоты и угла мощности. Решение поставленной задачи, учитывая ее специфику (достижение эффективного демпфирования), целесообразно свести к синтезу одномерных (одвовходных - одновыходных) робастных регуляторов. Управляемый объект следует рассматривать как совокупность взаимосвязанных подсистем, равную количеству линейно независимых выходов. Таким образом, СГ + АРВ + СС представляет собой набор взаимосвязанных одномерных подсистем.[8]

Основная структура робастной системы управления синхронными генераторами:

На рисунке 2 показана основная робастная структура управления синхронным генератором.

Рисунок 2. Структура синхронного генератора с робастным регулятором

С точки зрения целей исследования, мы описываем блоки и связи структуры следующим образом. В качестве объекта управления используется традиционная система СГ + АРВ. Система состоит из системы автоматического управления приводом со стабилизатором (обычно АРВ сильного действия), тиристорного преобразователя (ТП), блока передачи данных, блоков, отключающих требуемую переменную. В режиме больших возмущений (одно - трехфазное короткое замыкание) оценивается динамика соответствующих структур. Сегодня СГ + АРВ, является, системой, охватывающей внешнюю народную систему. Для дополнительной стабилизации к системе робастного управления последнее подключается как внешнее кольцо. Цель внешнего кольца – расширить границы статической и динамической стабильности. Выражаясь точнее, можно сказать, увеличить степень (или качества) гашения электромагнитных колебаний и поддержание этого состояния в различных режимах[5][3].

Блоки измерений обрабатывают все параметры управления через фильтры. Количество блоков может достигать до 20 штук. При анализе в основном рассматриваются следующие задачи:

- Современные устройства позволяют проводить измерения в очень короткие промежутки времени.

- В большинстве случаев измерения выполняются с использованием цифровых элементов, и в этом случае наблюдается очень небольшое среднее значение, но инерция не наблюдается. В результате получает робастную систему управления через блоки измерения данных на минимальном уровне. Чтобы еще больше сократить этап работы системы AРВ-СГ, в режиме сокращения можно использовать систему AРВ-СГ или синтезированное робастное устройство управления.

В заключении можно сказать, что все системы управления катушки возбуждения синхронного генератора должны выполнять три функции: структурная схема системно-приводного поля, распределение реактивной мощности технологически параллельных генераторов, зарядка при падении частоты и аналогичные вопросы, защита - ограничение реактивной мощности в соответствии с заданной стагнацией, функции защиты от перегрузки статора. В условиях переходного процесса Гауссового распределение интегрального квадратичного критерия имеет устойчивый характер. При таком управлении выбор матрицы влияет на устойчивость, несмотря на некоторые искажения. H∞-минимизация - это подход к решению проблем, который сводит к минимуму и создает соответствующее надежное управление, что имеет особое значение. Система управления всеми цепями возбуждения синхронных генераторов должна обеспечивать систематические, технологические и защитные функции. Система робастного управления предназначена для выполнения системной функции.  

Список литературы:

1. Andronov A., Vitt A., Khaikin S. Theory of oscillation. Moscow Fizmatgiz 1959, 915p. 181
2. Abdalla O.N., Hassan S.A. Coordinated Stabilization of a Multimachine Power System II IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-103, No. 3, 1984.-pp. 483-544.
3. В. А. Тащилин, “Анализ и выбор параметров стабилизации устройств регулирования возбуждения с использованием методов идентификации: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02.” 2018, Accessed: Jul. 09, 2020. [Online]. Available:
4. Вентцель Е. С. Теория вероятностей. — 10-е изд., стер.. — М.: Academia, 2005. — 576 с. — ISBN 5-7695-2311-5. 
5. E. V. E. Online et al., “Adjustment of Active and Reactive Power of Synchronous Generator in Grid-connected Operation,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol. 18, no. 3, pp. 1–122, 2020, doi: 10.1088/1755-1315/440/3/032004.
6. Позняк А., Себряков Г., Семенов А., Федосов Е. Н∞ – теория управления: феномен, достижения, перспективы, открытые проблемы. – М.: Научно-информационный центр, 1990. – 76 с.
7. Папков, Б. В. Электроэнергетические системы и сети. Токи короткого замыкания : учебник и практикум для бакалавриата и магистратуры / Б. В. Папков, В. Ю. Вуколов. — 3-е изд., перераб. и доп. — М. : Издательство Юрайт, 2017. — 353 с. — (Серия : Бакалавр и магистр. Академический курс). ISBN 978-5-9916-8148-3
8. Н. Ф. Котеленец, А. В. Богачев, and Е. В. Ежов, “Способ и устройство синхронизации с сетью возбужденного синхронного генератора,” 2012.
9. Справочник по теории вероятностей и математической статистике, Королюк В.С., Портенко Н.И., Скороход А.В., Турбин А.Ф., 1985..
10. Юрганов. А.А., Кожевников В.А. Регулирование Возбуждения синхронных генераторов СПБ.: Наука, 1996.- 138 с.