Автоматизация автономных многоагрегатных электростанций на основе релейно-импульсных и нечетких регуляторов с применением нейронной технологии
Автор Хижняков Юрий Николаевич, 07.12.2011
| Страницы: 1 2 3 4 |
ХИЖНЯКОВ ЮРИЙ НИКОЛАЕВИЧ
АВТОМАТИЗАЦИЯ АВТОНОМНЫХ МНОГОАГРЕГАТНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ НА ОСНОВЕ РЕЛЕЙНО-ИМПУЛЬСНЫХ
И НЕЧЕТКИХ РЕГУЛЯТОРОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ
НЕЙРОННОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Специальность 05.13.06 – «Автоматизация и управление
технологическими процессами и производствами
(в промышленности)»
диссертации на соискание ученой степени
доктора технических наук
Пермь 2011
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исслдовательский политехнический университет» (ПНИПУ). Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Южаков Александр Анатольевич
г. Пермь Официальные оппоненты: доктор технический наук, профессор
Путов Виктор Владимирович
г. Санкт-Петербург
доктор технических наук, профессор
Защита состоится «17» февраля 2012 г. в15.00 час. в ауд. 345 на засдании диссертационного Совета Д212.184.4 в ФГБОУ ВПО Пермском нциональном исследовательском политехническом университете: 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29.
С диссертацией можно познакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО Пермского национального исследовательского политехнического университета.
Автореферат разослан « ____ » ________________2012 г.
В настоящее время вопросам развития электроэнергетики уделяется самое пристальное внимание. Сегодня большая часть территории РФ не охвачена Едной энергосистемой, поэтому широко применяются автономные многоагрегатные электростанции (АМЭС) на основе дизельных и газотурбинных установок, ипользующих энергию попутного газа. В настоящее время в РФ выпускаются три типа дизельных установок мощностью от 0,6 до 1,6 МВт и более 20 типов газтурбинных установок мощностью от 1 до 25 МВт, предназначенных для привода бесщёточных синхронных генераторов (БЩСГ). Коэффициент полезного дейсвия (КПД) газотурбинных установок составляет 25 %, а с применением котлоутилизаторов – 73 %. Следует также подчеркнуть, что АМЭС подразделяются на стационарные и мобильные комплексы. Основным назначением АМЭС, как и лбых других электростанций, является обеспечение потребителей необходимым количеством электроэнергии заданного качества. В то же время управление призводством электроэнергии в АМЭС характеризуется следующими особенностми, которые в значительной степени влияют на показатели качества производмой электроэнергии:
– ограничение воспроизводимой мощности;
– параллельная работа БЩСГ;
– непрерывность процесса производства электроэнергии;
– отсутствие возможности запаса электроэнергии;
– изменение потребления генерируемой электроэнергии в нестационарных режимах, что увеличивает цикловую усталость привода БЩСГ (газотурбинный двигатель, дизель).
Принято считать, что главными показателями качества вырабатываемой электроэнергии являются: напряжение, частота и распределение активной и реативной мощностей между БЩСГ. Согласно нормативным документам, в том чиле ГОСТ 13109–97, допустимые значения отклонения напряжения в АМЭС долны быть не менее (1…2) % номинального значения напряжения, поддержание частоты не менее (0,5…1) % номинального значения частоты, распределение мощности между генераторами не менее (5…10) % номинального значения моности. Отклонение показателей от нормативных величин приводит к ухудшению работы оборудования потребителей; так, любое изменение указанных параметров напрямую связано с уменьшением производительности и эффективности работы последнего. Например, для асинхронных двигателей (АД) снижение напряжения на 15 % от номинального напряжения уменьшает электромагнитный момент АД на 75 %, а снижение частоты на 5 % понижает реактивное сопротивление АД и увеличивает его статорный ток, что приводит к дополнительному нагреву АД и возрастанию потребления реактивной мощности. Нарушение баланса между генерируемой и потребляемой мощностями приводит к появлению обменной мощности между генераторами и снижению КПД АМЭС. Поэтому обеспечение требуемых показателей качества вырабатываемой АМЭС электроэнергии с учтом особенностей их функционирования является важной и актуальной задачей.
В настоящее время при решении указанной задачи пристальное внимание удляется совершенствованию регуляторов. Различные варианты частных подходов к задачам построения современных регуляторов отражены в работах Д.В. Вилесова, В.П. Коваленко и др. В частности, проведены исследования на устойчивость генраторов с различными типами регуляторов напряжения, оценено влияние двигатлей на устойчивость. Однако остались нерешенными задачи, связанные с применнием современных типов регуляторов напряжения и частоты. В целом же, несмотря на определенные успехи в области создания регуляторов, их проектирование в свременном базисе (релейные, нечеткие регуляторы, нейросетевые технологии) не получило должного развития.
Вопросы математического описания машин переменного тока рассмотрены в работах А.А. Горева, К.П. Ковача, И. Раца и др., вопросы математического модлирования автономных энергосистем в работах: И.Р. Фрейдзона, Л.П. Веретеннкова и др., вопросы синхронизации мобильных (судовых) генераторов в работах В.Н. Константинова и др. Рассмотрены вопросы автоматизации АМЭС в работах Д.В. Вилесова, Р.А. Нелепина, Н.Н. Никиферовского, Б.И. Норневского, В.А. Мхайлова и др. с использованием четких регулирующих устройств. Однако исползование нечетких регуляторов в системах с ограниченной мощностью требует разработки новых методов, алгоритмов и способов их анализа и синтеза.
Сложившаяся к настоящему времени практика проектирования и создания АМЭС основана на использовании теоретических основ и полученных практческих результатов в совершенствовании энергопроизводства и энергопотреления стационарных энергетических систем, которые отражены в работах отчественных и зарубежных авторов: В.А. Веникова, А.Г. Москалева, Л.Д. Стенинсона, М.Л. Левинштейна, П. Андерсона, А. Фуада, E.W. Kimbark, S.B. Crari, W. Frey, L.K. Kirchmayer, A.W. Rankin, R.H. Park, K. Ekkert, W. Benz. Однако ндостаточно изучены поведение АМЭС ограниченной мощности при включении мощных потребителей с комплексным характером нагрузки, а также причины появления обменной мощности между генераторами. Поэтому необходим писк путей устранения отмеченных недостатков, а также оценка и учет воздествия отмеченных особенностей работы АМЭС на качество вырабатываемой электроэнергии.
Проектирование современных адаптивных регуляторов БЩСГ АМЭС на базе нейронной технологии является сложной научно-технической задачей. Теоретические и методологические принципы построения таких регуляторов не нашли отражения в известной литературе. Поэтому для обоснованного выбора структуры и параметров регуляторов, практической реализации необходимо создание методики проектирования релейно-импульсных и нечетких регулятров на базе нейронной технологии. С учетом вышеизложенного проблема раработки новых регуляторов для АМЭС на основе современных технологий и элементного базиса, обеспечивающих повышение качества вырабатываемой ими электроэнергии, является актуальной.
Объект исследований – системы управления автономными многоагрегаными электростанциями.
Предмет исследования – методы и алгоритмы управления автономными многоагрегатными электростанциями.
Цель исследования – разработка методов и алгоритмов управления автномными многоагрегатными электростанциями с целью повышения качества вырабатываемой электроэнергии на основе релейно-импульсных и нечетких ргуляторов с применением нейронной технологии.
Указанная цель определяет реализацию следующих задач исследований:
1. Разработка релейно-импульсного преобразования для модификации пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования и пстроения регуляторов напряжения и частоты БЩСГ на его основе.
2. Модификация метода нечеткого регулирования напряжения и частоты БЩСГ с применением алгоритма Мамдани с целью повышения быстродействия регуляторов, реализации астатического алгоритма и упрощения формирования матрицы решений.
3. Разработка метода нечеткого регулирования напряжения и частоты БЩСГ с применением нейронной технологии для придания регулятору адативных свойств.
4. Создание методики проектирования электромеханических регуляторов частоты генераторов переменного тока на базе дифференциального редуктора в механическом и электрическом исполнениях для мобильных АМЭС на основе дизельных установок с переменной частотой вращения.
5. Разработка многосвязного метода управления параллельной работой БЩСГ с квазиастатическими внешними характеристиками в автономном режме работы для раздельного управления поддержанием напряжения и частоты и эффективного управления распределением реактивной и активной мощностей между БЩСГ.
6. Разработка комбинированного метода управления параллельной работой большого числа БЩСГ с квазиастатическими внешними характеристиками в автономном режиме работы, объединяющего многосвязный метод и модифцированный метод базового генератора, для повышения надежности и устойчвости работы.
7. Практическая реализация на базе предложенных методов и методик рлейно-импульсных и нечетких регуляторов напряжения и частоты на основе нейронных сетей с использованием адаптивных нейронов при комбинированом управлении большого числа генераторов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
1. Разработано релейно-импульсное преобразование, обеспечивающее мдификацию пропорционально-интегрально-дифференциального (ПИД) закона регулирования с целью повышения эффективности последнего для инерционных объектов.
2. Предложена новая модификация гармонической линеаризации релейной системы регулирования, позволяющая производить расчет параметров автоклебаний, в том числе дополнительно девиации амплитуды.
3. Предложена новая модификация метода нечеткого регулирования, усраняющая недостатки алгоритма Мамдани и обеспечивающая астатизм работы, более высокое быстродействие и простоту построения алгоритма.
4. Разработан метод нечеткого регулирования напряжения с применением нейронной технологии, новизна которого состоит в использовании адаптивных нейронов, заменяющих систему нечеткого вывода нейронной сетью на адативных нейронах с целью выполнения оперативной адаптации к внешним водействиям.
5. Разработан новый метод нечеткого регулирования частоты напряжения переменного тока с применением нейронной технологии, обеспечивающий адативное регулирование частоты АМЭС на основе газотурбинных установок.
6. Создана методика проектирования электромеханических регуляторов частоты генераторов переменного тока на базе дифференциального редуктора в механическом и электрическом исполнениях для мобильных АМЭС на основе дизельных установок с переменной частотой вращения.
7. Разработан новый многосвязный метод управления параллельной работой БЩСГ с квазиастатическими внешними характеристиками, новизна которого состит в использовании полного графа связей между генераторами, что обеспечивает утойчивое раздельное распределение нагрузки между генераторами при заданном кчестве поддержания напряжения и частоты на шинах АМЭС.
8. Разработан новый комбинированный метод управления параллельной рабтой БЩСГ с квазиастатическими внешними характеристиками, связывающий мнгосвязный метод и модифицированный метод базового генератора, для устойчивого управления параллельной работой большого числа генераторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
– релейно-импульсное преобразование и модификация ПИД-закона реглирования;
– модификация метода нечеткого регулирования напряжения согласно агоритма Мамдани;
– метод нечеткого регулирования напряжения БЩСГ на базе нейронной технологии;
– метод нечеткого регулирования частоты генераторов переменного тока на базе нейронной технологии для АМЭС на основе газотурбинных установок;
– методики проектирования электромеханических регуляторов частоты генерторов переменного тока на базе дифференциального редуктора в механическом и электрическом исполнениях для АМЭС на основе дизельных установок;
– многосвязный метод управления параллельной работой генераторов с квазиастатическими внешними характеристиками:
– комбинированный метод управления параллельной работой большого числа генераторов с квазиастатическими внешними характеристиками.
Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивется корректным применением математического аппарата векторного анализа симметричных систем, метода двух узлов, метода комплексных переменных, метода графа сигналов, метода пространства состояний, а также проведенным математическим моделированием. Основные расчетные соотношения, полченные в работе, подтверждаются результатами имитационного моделирования на ЭВМ и экспериментальными данными.
| Страницы: 1 2 3 4 |