close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Приложение 1;doc

код для вставкиСкачать
60
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
УДК 681.3
УПРАВЛЕНИЕ СИСТЕМОЙ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
НА ОСНОВЕ АППАРАТА НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
М.Г. Скороходов
Студент кафедры электропривода, автоматики и управления в технических
системах Воронежского государственного технического университета,
e-mail: [email protected]
Шукур Омар Шукур Махмуд
Аспирант кафедры электропривода, автоматики и управления в технических
системах Воронежского государственного технического университета,
e-mail: [email protected]
В.Л. Бурковский
Заведующий кафедрой электропривода, автоматики и управления в технических
системах Воронежского государственного технического университета,
доктор технических наук, профессор, e-mail: [email protected]
Рассматриваются принципы реализации нечеткого регулятора в системе генерации электроэнергии на основе аппарата нечеткой логики
Ключевые слова: электроснабжение, синхронный генератор, короткое замыкание, нечеткий регулятор, энергосистема.
По мере развития электропотребления в
системах электроснабжения возникает необходимость внедрения систем автоматического управления и диагностики, систем
автоматизированного контроля и учета
электроэнергии, осуществления в широких
масштабах диспетчеризации процессов
производства с применением телесигнализации и телеуправления. Передача электрической энергии от источников питания к
электроприемникам сопровождается потерей напряжения в линиях и трансформаторах, поэтому у потребителей напряжение
не сохраняет своего постоянного значения.
Причинами потерь напряжения в системах электроснабжения могут быть:
– перегруженность линии электропередачи;
– короткое замыкание или удар молнии;
– выход из строя оборудования электроподстанций или его неисправность;
– обрыв линии электропередачи.
Основным элементом системы генерации электроэнергии является электрический генератор. Преобладающую роль
здесь играют электромеханические индукционные генераторы переменного тока. Такие генераторы имеют сравнительно про[email protected]
стое устройство и позволяют генерировать
большие токи при достаточно высоком напряжении. При этом на крупных электростанциях устанавливают, как правило, несколько генераторов, включаемых параллельно и работающих на общую нагрузку.
Это дает возможность увеличить мощность
электростанции,
повысить
надежность
электроснабжения
потребителей.
При
уменьшении общей нагрузки станции часть
генераторов и первичных двигателей может быть остановлена, вследствие чего оставшиеся будут работать с большей нагрузкой и более высоким КПД [1].
Рассмотрим проблему, связанную с коротким замыканием (КЗ) в процессе электроснабжения, так как вследствие КЗ в сети
генератор может выйти из синхронизма.
Выход генератора из синхронизма сопровождается изменением значений (качаниями) токов, напряжения, активной и реактивной мощности. Частота электрического
тока в сети должна оставаться практически
неизменной. Значительное снижение или
повышение частоты, прежде всего, недопустимо по режимам работы электрических
станций. В частности, для тепловых электростанций снижение частоты ниже 49,0 Гц
www.v-itc.ru/electrotech
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
недопустимо по режиму работы котлов,
имеющих питательные электронасосы. При
длительном, более 1 мин, снижении частоты ниже 48 Гц возникает угроза срыва режимов питательных насосов и останова
энергоблоков от технологических защит.
Работа на пониженной частоте может приводить к разрушению лопаточного аппарата паровых турбин.
Таким образом, функция обеспечения
работоспособности энергосистемы возлагается на системы автоматического регулирования, поддерживающие приемлемые
показатели качества электроэнергии как в
нормальном, так и в аварийном (нештатном) режимах.
В настоящее время в рамках систем
управления широкое распространение получили нечеткие логические регуляторы
(НЛР). Регуляторы, построенные на базе
нечеткой логики, в ряде случаев способны
обеспечить более высокие показатели качества переходных процессов по сравнению с
классическими регуляторами (П-, И-, ПД-,
ПИ-, ПИД-регуляторами). Нечеткие логические регуляторы являются экспертными регуляторами, и алгоритмы их синтеза трудно
формализовать для сложных объектов
управления, обладающих свойством уникальности [4].
Основным методом синтеза НЛР является экспертный метод, в соответствии
с которым синтез регуляторов осуществля-
61
ется в два этапа. На первом этапе путем
опроса экспертов в области управления
объектом, для которого разрабатывается
нечеткий логический регулятор, строится
база знаний регулятора в виде нечетких
продукционных правил, выбираются тип
алгоритма нечеткого логического вывода и
начальные значения параметров регулятора. На втором этапе путем проведения экспериментов на реальном объекте или на
имитационной модели синтезируемой системы управления производится окончательная настройка алгоритма нечеткого
вывода, базы знаний и параметров НЛР.
Данный этап весьма трудоемок с точки
зрения затрат времени при проведении
экспериментов на реальном объекте
управления и требует значительных вычислительных затрат при проведении экспериментов на имитационной модели системы. В связи с чем обычно ограничиваются лишь настройкой параметров нечеткого
логического регулятора.
На рис. 1 приведена замкнутая система управления с НЛР и объектом управления (ОУ). Регулятор в свою очередь состоит из линейного динамического звена
(ЛДЗ) и блока нечеткого логического вывода (БНВ) [5].
На рис. 2 представлена обобщенная
структура нечеткого регулятора в формате
математического пакета MATLAB – Fuzzy
Logic Toolbox.
Рис. 1. Структура системы управления с нечетким
логическим регулятором
dw\dt
1
du/dt
Derivative2
dw\dt
1
Fuzzy Logic
Controller
Gain
1
Vstab
Upss1
Рис. 2. Общая структура нечеткого регулятора в пакете MATLAB
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2014
62
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
Нечеткий регулятор позволяет эффективно демпфировать колебания мощности
при заранее неизвестной и меняющейся
математической модели генератора и
энергосистемы. Также позволяет исключить сложные и трудоемкие работы по настройке во время проведения пусковых испытаний и в процессе эксплуатации синхронного генератора.
Синхронный генератор, работающий в
системе генерации электроэнергии, является нестационарным и нелинейным объектом, что обусловливает необходимость
применения для его регулирования адаптивных автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) и стабилизаторов мощности
(СМ), обеспечивающих демпфирование колебаний ротора и, как следствие, улучшение устойчивости энергосистемы. Реализация нелинейного управления возможна, если разделить все пространство состояний
АРВ или СМ на ограниченные области, в
которых управление осуществляется по линейным законам, а переключение между
ними – с помощью лингвистических правил,
определяющих характер изменения входных переменных.
Электрическая мощность Ре синхронного
генератора создается вращающимися магнитными полями ротора и статора, сдвинутыми на угол выбега ротора Θг (внутренний
угол), а мощность, передаваемая нагрузке,
дополнительно определяется фазовым углом Θвн (внешний угол) между напряжением генератора и напряжением системы.
Полный угол нагрузки синхронного генератора Θ = Θг + Θвн. Задачей регулятора является создание дополнительной составляющей электрической мощности ΔРе, которая изменяется в фазе с преобразованием Θ, регулируя напряжение возбуждения
Uf. Изменения угловой скорости ротора Δω
и электрической мощности ΔРе связаны с
изменением кинетической энергии вращения вала синхронного генератора (электромеханические переходные процессы), а
соответственно с постоянной инерции Tj.
Это не позволяет создать регулятор, реагирующий на начальный этап возникновения переходного процесса - электромагнитные переходные процессы, что замедляет демпфирование колебаний в энергосистеме.
Вследствие значительной механической
и электромагнитной инерционности ротора
энергия, выдаваемая генератором в пер[email protected]
воначальный момент времени при возникновении переходных процессов представляет собой энергию, запасенную в магнитных полях контуров статора. Накопленная
механическая энергия ротора играет важную роль, когда угол выбега ротора уже
изменится. Существующие регуляторы
реагируют только на второй этап возникающих переходных процессов (электромеханические переходные процессы). Поскольку стабилизация по угловой частоте
вращения ω, частоте напряжения f или
электрической мощности Pэл не учитывает
изменение энергии магнитного поля контуров статора синхронной машины, а соответственно первоначальное изменение угла выбега ротора ΔΘг и имеет запаздывание, определяемое значительной постоянной времени Tj, возникает погрешность в
оценке ускоряющего момента ΔМа (мощности ΔРа). В некоторых случаях (при значительных изменениях энергии магнитного
поля) это приводит к нарушению устойчивой работы генератора в энергосистеме.
Для определения изменения угла выбега
ротора ΔΘг используются геометрические
соотношения между компонентами вектора
индукции результирующего магнитного поля В в рабочем зазоре синхронного генератора, определяемые в системе неподвижных относительно статора координат X-Y.
Ось Y расположена в радиальном направлении от ротора к статору синхронного генератора. Направление оси X определяется количеством пар полюсов р синхронного
генератора.
Рассмотрим процедуру построения нечеткого алгоритма управления.
Работа блока Fuzzy Logic Controller нечеткого регулятора имитируется с помощью gaussmf-функции MATLAB FIS Wizard.
Форматное описание структуры нечеткого
регулятора загружается в рабочее пространство MATLAB (рис. 3). Настройка параметров функций принадлежности входов
и коэффициентов вывода выполняется с
помощью интерфейса Membership Function
Editor на основании пар данных "входвыход" [2].
На основе моделирования осуществляется отбор наиболее значимых правил, из
которых формируются окончательные решающие правила для нечёткого регулятора,
используемого в системе управления [1].
Построенные решающие правила включают:
www.v-itc.ru/electrotech
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
– если производная по отклонению скорости ротора dw/dt имеет значение «Средняя положительная», то выходное значение переменной Vstab будет равняться
«Средняя положительная»;
– если производная по отклонению скорости ротора dw/dt имеет значение «Средняя отрицательная», то выходное значение
переменной Vstab будет равняться «Большая отрицательная»;
63
– если производная по отклонению скорости ротора dw/dt имеет значение «Малая», то выходное значение переменной
Vstab будет равняться «Малая».
Если угол отклонения ротора одного из
генераторов выходит за предельные значения (выходит из синхронизма), то срабатывает система защиты – STOP – Stop
Simulation if loss of synchronism (рис. 4).
Рис. 3. Редактор блока Fuzzy Logic Controller
[theta1]
[theta2]
|u|
1
max
>
180
2
Stop
d_theta
[theta3]
[theta4]
Рис. 4. Система защиты от выхода из синхронизма генераторов,
реализованная в пакете MATLAB
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2014
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
64
Рис. 5. Выходное напряжение энергосистемы при работе нечёткого регулятора
Система защиты из синхронизма реализована следующим алгоритмом:
– на входы мультиплексора подаются
три разностных сигнала между идеальным
значением отклонения угла поворота ротора и реальным значением;
– на выходе анализируется амплитуда
полученного сигнала, затем выбирается
его максимальное значение и сравнивается
с константой 180;
– если максимальное значение больше
180, срабатывает защита энергосистемы, и
она полностью отключается при этом, генераторы выходят из синхронизма;
– если максимальное значение не превышает 180, тогда генераторы работают
синхронно, что влечёт за собой стабильную
работу энергосистемы.
Энергосистема без регуляторов работает нестабильно после короткого замыкания
на линиях электропередач, генераторы выпадают из синхронизма, что сопровождается колебаниями выходного напряжения
(рис. 5). После снятия короткого замыкания
заметен небольшой скачок напряжения,
который впоследствии сходит на «нет» и
нечёткий регулятор стабилизирует работу
всей энергосистемы в целом.
На основании представленных результатов можно сделать вывод о целесообразности использования аппарата нечеткой
логики в системах электроснабжения.
Энергосистема работает стабильно после
короткого замыкания на линиях электропередач, генераторы не выпадают из синхронизма, поскольку нечеткий регулятор стабилизирует работу энергосистемы. Использование нечеткой логики в системах
управления позволяет уменьшить вмешательство оператора в процесс управления
и, следовательно, позволяет разработать
новые методики управления, более адаптированные к промышленной среде. Кроме
того, используя методы синтеза нечетких
алгоритмов управления, можно выполнить
оптимизацию сложных контуров регулирования без проведения всесторонних математических исследований.
Литература
1. Бурковский, В.Л. Модели оптимального энергораспределения в системах
регионального энергопотребления [Текст] / В.Л. Бурковский, Р.А. Харченко. – Воронеж :
ВГТУ, 2006. – С. 111-118.
2. Деменков, Н.П. Нечеткое управление в технических системах [Текст] : учеб. пособие для вузов / Н.П. Деменков. – М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – С. 50-55.
3. Блинов, Е.А. Энергоснабжение [Текст] : учеб. пособие / Е.А. Блинов, Г.З. Зайцев,
С.В. Можаева. – СПб. : СЗТУ, 2004. – 117 с.
[email protected]
www.v-itc.ru/electrotech
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ И СИСТЕМ
65
4. Гостев, В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления [Текст] /
В.И. Гостев. – К. : Радиоаматор, 2008. – 972 с.
5. Усков, А.А. Алгоритм синтеза нечетких логических регуляторов на основе самоорганизации [Текст] / А.А. Усков // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика.
– 2004. – № 8. – С. 1-3.
6. Леоненков, А.Л. Нечеткое моделирование в среде MATLAB и fuzzyTECH [Текст] /
А.Л. Леоненков. – СПб. : БХВ-Петербург, 2005.– 736 с.
DEPARTMENT OF ELECTRICITY GENERATION SYSTEM BASED FUZZY LOGIC
M.G. Skorokhodov, Shukur Omar Shukur Makhmud, V.L. Burkovsky
Covers the principles of implementing fuzzy controller in the system of power generation
based on fuzzy logic.
Key words: power supply, synchronous generator, short circuit, the fuzzy controller, the power
system.
Новости
«Россети» уже в конце лета подключат
к электросетям первую очередь
солнечной электростанции на Алтае
В торжественной церемонии закладки
первого камня уникального для России
проекта - первой очереди Кош-Агачской
СЭС - приняли участие заместитель главы
Республики Алтай Роберт Пальталлер и
заместитель генерального директора ОАО
«МРСК Сибири» - директор филиала
«ГАЭС» Анатолий Бубнов.
«Нам, как компании охватывающей в
своей работе основную территорию Сибири, важно участвовать в подобных проектах, распределять и доставлять экологически чистую «зеленую» энергию по своим
сетям до конечных пользователей. И сегодня важно то, что регион получит дополнительные генерирующие мощности и тем
самым снизит риски возникновения энергодефицита», - отметил Анатолий Бубнов.
Строительство первой очереди электростанции мощностью 5 МВт, расположенной
Кош-Агачского районе, будет завершено
Обзоры
через три месяца. И уже в следующем году
в строй введут вторую очередь аналогичной мощности.
Оператором работ по технологическому
присоединению станции выступает дочернее предприятие группы компаний «Россети» - ОАО «МРСК Сибири». Энергетики
проложат две линии электропередачи 10
кВ, значительно расширят распределительное устройство и гарантируют надежное электроснабжение своих потребителей. После запуска электростанции генерируемая ею энергия полностью покроет
потребности Кош-Агачского района, в котором проживает 16 тысяч человек, в том
числе обеспечит энергией строительство и
работу таможенно-логистического терминала в Ташанте, а также проектов в сфере
добычи полезных ископаемых.
Строительство Кош-Агачской СЭС ведется в рамках постановления Правительства РФ, направленного на стимулирование использования возобновляемых источников энергии на оптовом рынке электрической энергии и мощности.
energyland.info
Электротехнические комплексы и системы управления
№ 2/2014
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа