книги / Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем

В зависимости от назначения ГТУ характеристики их значительно различаются.

При работе ГТУ в составе передвижной и стационарной электростанции часто меняется нагрузка, причем моменты включения и отключения потребителей не имеют определен­ ной закономерности и их трудно учесть. При резком измене­ нии нагрузки напряжение на генераторе может резко изме­ ниться, что неблагоприятно сказывается на потребителе. Да­ же для осветительной нагрузки снижение напряжения допускается не более 10 %, для других же потребителей не более 2-3 % [11], еще более жесткие требования предъявля­ ются по частоте.

С другой стороны, наличие только газовой связи между турбинами в двухвальной ГТУ ухудшает динамику, осложняя поддержание частоты при набросе-сбросе значительной на­ грузки. В качестве примера на рис. 1.4 и 1.5 представлен ха­ рактер изменения во времени частоты и напряжения при на­ бросе-сбросе значительной по мощности нагрузки для пере­ движной электростанции ПАЭС-2500 с ГТУ Д-30.

Рис. 1.4. Наброс нагрузки на генератор от 0 до 100 % (и - частота вращения свободной турбины, U- на­ пряжение генератора)

Рис. 1.4. Сброс нагрузки с 50 % до 0 (и - час­ тота вращения свободной турбины)

Проблему можно было бы решить, сохраняя установку постоянно в нагруженном состоянии путем подключения различной нагрузки, например: насос, вентилятор, поле со­ противлений и т.п. Все эти способы неоднократно проходили проверку. При этом значительного провала по частоте при автономной работе не происходит, но все эти способы, без­ условно, являются крайне неэкономичными, и это в значи­ тельной степени сводит на нет такое основное преимущество двухвальной установки, как высокий КПД при работе на час­ тичных нагрузках.

Согласно экспертным оценкам достичь удовлетвори­ тельного поддержания частоты и повышения экономичности на частичных режимах возможно только при совершенство­ вании САУ ГТУ.

Высокая сложность задач, которые решает САУ мини­ электростанции, вызывает необходимость использования ме­ тодов математического моделирования при ее создании и на­ стройке [33, 35, 37, 146, 185, 187], а также связанную с этим необходимость моделирования различных режимов работы электростанции на широкий диапазон нагрузок.

При создании новых алгоритмов управления необходи­ мо изучать поведение ГТУ при коммутации различных на-

грузок и их сочетаний, учитывать переходные процессы в электрических нагрузках.

Математическое моделирование нагрузки электростан­ ции необходимо как для решения задач статики, так и дина­ мики регулирования. Первые из них отражают требования к экономичности и надежности энергосистем, вторые - тре­ бования к устойчивости и качеству переходных процессов. Моделирование электрической нагрузки необходимо также при реализации принципа адаптивного управления в изме­ няющихся условиях эксплуатации (температура, давление, нагрузка) и при решении оптимизационных задач различного класса.

Таким образом, для разработки и настройки САУ ГТУ и САУ электростанции становится очевидной необходимость создания гибких программных моделирующих комплексов с единой базой данных, позволяющих моделировать нагрузку различного типа, переходные процессы в нагрузке, синхрон­ ных генераторах, ГТД, которые, в свою очередь, определяют различные режимы и условия работы газотурбинной элек­ тростанции. Вплоть до последнего времени моделирование ГТУ и СЭС производится раздельно, что вызывает значи­ тельные проблемы при проектировании САУ мини-электро­ станций. По этой же причине имеют место конфликты между отдельно спроектированными САУ ГТУ и САУ генераторов, что приводит к серьезным аварийным ситуациям при экс­ плуатации мини-электростанций. В то же время в зарубеж­ ной литературе [190] необходимость совместного моделиро­ вания обосновывается даже для системы электроснабжения самолета, несмотря на то, что в этом случае производится от­ бор лишь нескольких процентов мощности ГТУ. В силу вы­ шесказанного очевидна необходимость совместного модели­ рования ГТУ и СЭС.

Среди особенностей, присущих электроэнергетическим объектам, в первую очередь следует отметить значительную

сложность большинства из них, которая проявляется в многоэлементности и иерархичности структуры, обилии степе­ ней свободы, разнообразии параметров, характеризующих состояние [103, 185]. Наличие у электроэнергетических объ­ ектов указанных признаков позволяет причислить их к объ­ ектам кибернетического типа [28]. Кроме того, необходимо отметить, что стандартные технические решения, обычно применяемые для электростанций больших и средних мощ­ ностей, оказываются неприемлемыми для малых (мини­ электростанций). В то же время каких-либо специальных норм технологического проектирования для них не сущест­ вует, что требует от проектировщика творческого подхода к решению возникающих технических проблем [23]. В связи с этим задачи, которые необходимо решать при эксплуатации существующих, а также при создании новых образцов, ока­ зываются весьма сложными. Решение таких задач на интуи­ тивном уровне недопустимо.

Принятие оптимальных решений возможно только при наличии полной информации о свойствах объекта, получае­ мой путем всестороннего его анализа. Проведение такого анализа с помощью прямого экспериментирования в энерго­ системах практически полностью исключено.

Известно, что изучение свойств сложных электроэнерге­ тических объектов возможно либо с помощью регистрации процессов, либо с помощью математических моделей, на ко­ торых расчетным путем моделируются различные процессы, возникающие в электроэнергетических объектах. Очевидно, что первый путь не всегда бывает удовлетворительным, а в ряде случаев, например при создании нового, уникального объекта (электростанции), он полностью исключен [103].

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что путь исследования, состоящий в изучении свойств мате­ матических моделей, является наиболее перспективным, а подчас и единственно возможным.

Еще одно важное значение динамической модели мини- ЭЭС - это проектирование электроэнергетических систем. Как отмечается в работе [2], проектирование систем - это задача многоэтапная. При этом последовательно решаются следующие задачи: а) анализ и выбор приемников электро­ энергии; б) структурно-параметрический и структурно-топо­ логический синтез; в) выбор и размещение узловых точек (размещение РУ); г) разработка принципиальных электриче­ ских схем; д) функциональный анализ. Функциональный анализ также выполняется путем математического моделиро­ вания [2 ].

1.3. Особенности математического моделирования мини-ЭЭС

Рассмотрим основные особенности математического моделирования мини-электроэнергетических систем.

Как отмечается в работе [103]: создание подобных мо­ делей - это сложный и, как правило, длительный творческий процесс. Мощным средством повышения эффективности на­ учных исследований является их автоматизация, достигаемая созданием универсальных моделей, способных путем из­ менения сравнительно небольшого объема простейшей ин­ формации настраиваться на моделирование конкретных ми­ ни-энергосистем. Таким образом, цель настоящей моногра­ фии - рассмотреть математический аппарат для создания универсальной математической модели с настраиваемой структурой.

Мини-энергосистема является сложной системой, по­ скольку сложность определяется глубиной рассмотрения процессов в системе.

Основными отличительными признаками сложной сис­ темы при этом являются следующие признаки [2 2 ]:

1 ) наличие большого количества взаимно связанны и взаимодействующих между собой элементов;

2 ) сложность функций, выполняемых системой и направ­ ленных на достижение заданной цели функционирования;

3)возможность разбиения системы на подсистемы, цели функционирования которых подчинены общей цели функ­ ционирования всей системы;

4)наличие управления.

Процесс функционирования сложной системы можно представить как совокупность действий и элементов, подчи­ ненных единой цели.

Приступая к математическому моделированию такой сложной системы, как мини-ЭЭС, следует отметить, что, со­ гласно [28], само понятие сложности следует рассматривать как относительное, поскольку объективно можно говорить лишь о сложности ее модели. Таким образом, сложная сис­ тема должна характеризоваться сложностью первичной мо­ дели, адекватной задачам управления данной системой.

Математическая модель сложной системы состоит из математических моделей элементов и математической моде­ ли взаимодействия между элементами [2 2 ].

Исходя из этого, целесообразно рассматривать процесс создания математической модели мини-ЭЭС как последова­ тельность двух этапов: создание моделей отдельных элемен­ тов и создание модели их взаимодействия. Эти задачи рас­ сматриваются соответственно во главах 2 и 3. Однако сразу следует оговориться, что процесс построения математиче­ ских моделей поведения элементов и математических моде­ лей их взаимодействия - единый процесс, отрыв одного от другого практически невозможен. Раздельное рассмотрение двух этапов обусловлено всецело удобством изложения

ипредставления материала.

Вработе [28] все методы исследования сложных систем подразделяются на две группы:

1 ) методы, направленные на упрощение или понижение размерности рассматриваемой модели;

2 ) методы декомпозиции, позволяющие получить реше­ ние задачи высокого порядка, в которых рассматриваются отдельные малые задачи и комбинируются полученные ре­ шения.

В решении поставленной задачи, при создании матема­ тической модели мини-ЭЭС, используются методы обеих групп: первой - при эквивалентировании нагрузки, второй - при разделении мини-ЭЭС на подсистемы и отдельные учи­ тываемые элементы (декомпозиция).

Под элементами будем понимать подсистемы, не под­ лежащие дальнейшему расчленению, внутренние процессы в которых не рассматриваются [28]. Представление модели­ руемого объекта в виде многоуровневой конструкции из эле­ ментов будем называть структуризацией объекта. В структу­ рированной системе объектами материального мира являют­ ся только элементы и связи между ними.

Перейдем к решению задачи структурной декомпозиции математической модели мини-энергосистемы. Выбор уровня декомпозиции осуществим, исходя из следующих соображе­ ний. Целесообразно, как уже отмечалось, получить по воз­ можности наиболее универсальную математическую модель, ориентированную на широкий класс электроэнергетических объектов. Возможность получения такой модели обусловлена тем, что электроэнергетические объекты состоят в основном из ограниченного набора типовых элементов. К их числу от­ носятся вращающиеся электрические машины, трансформа­ торы, линии электропередачи, реакторы, батареи конденса­ торов и т.п. Таким образом, наиболее целесообразным и ес­ тественным представляется выбрать в качестве структурных элементов мини-энергосистем вышеперечисленные типовые элементы электрических систем и сетей. Исходя из этого, выделим в системе основные типы элементов и произведем ее разделение на основные подсистемы. Вначале с этой це­ лью определим структуру типовой мини-энергосистемы.

Для этого рассмотрим примеры существующей струк­ турной организации мини-энергосистем на базе газотурбин­ ных электростанций (рис. 1 .6 ).

35кВ

6.3кВ

0.3«В

Сосьвинская ГТЭС 6x2.5 МВт

©---

ил

©—

Агидель ГТЭС2x4 МВт

Рис. 1.6. Варианты выполнения мини-электростанций на базе авиационных ГТУ

Сосьвинская ГТЭС - электростанция изготовлена и по­ ставлена ОАО «Авиадвигатель» и ЗАО «Искра-Авигаз» в рамках договора с ОАО «Газпром». Шесть ГТЭС «Урал2500» работают в простом цикле в базовом режиме в составе единой электростанции мощностью 15 МВт и обеспечивают электроэнергией компрессорные цеха, входящие в состав ли­ нейного управления ООО «Тюментрансгаз». ГТЭС «Урал2500» номинальной мощностью 2,5 МВт разработаны на базе ГТУ-2,5П производства ОАО «Пермский моторный завод». Она имеет блочно-контейнерное исполнение.

Электростанция г. Агидель (Башкирия) реализована на базе двух ГТЭС «Урал-4000». Каждая ГТЭС серии «Урал»

мощностью 4 МВт может обеспечить электроэнергией и теп­ лом поселок с населением 7-8 тыс. чел.

Лукьявинская ГТЭС - в состав электростанции входят три энергоблока ЭГЭС-1 2 С (разработчик - ОАО НПО «Ис­ кра», изготовитель и поставщик - ЗАО «Искра-Энергетика», г. Пермь), суммарная электрическая мощность составляет 36 МВт. Газотурбинная электростанция использует попутный нефтяной газ в качестве топлива и размещается в непосред­ ственной близости от участков нефтедобычи.

Структуру математической модели типовой мини­ энергосистемы определяем, исходя из структуры объекта ис­ следования, т.е. мини-энергетической системы. Анализ раз­ личных газотурбинных электростанций (по литературным источникам [3, 6 , 7, 97, 117, 123, 162] и технической доку­ ментации) (см. рис. 1 .6 ), а также необходимость учета раз­ личных электрических нагрузок, их сочетаний, режимов ра­ боты позволили предложить обобщенную типовую, структуру математической модели мини-энергосистемы с газотурбин­ ными установками в качестве энергопривода [89] (рис. 1.7).

Модель позволяет имитировать работу системы в трех основных режимах: 1 ) параллельно между собой; 2 ) автоном­ но; 3) на шины бесконечной мощности и, следовательно, яв­ ляется в этом смысле универсальной.

Схема модели (см. рис. 1.7) образуется следующими блоками: СГ|, СГ4 - синхронные генераторы; ГГУ), ГТУ4 - газотурбинные установки; К|-Ки - 3 -фазные ключи; Н1-Н 4 - статическая 3-фазная нагрузка; АД), АДг - асинхронные дви­ гатели; СДь СДд - синхронные двигатели; Л1-Л 4 - линии электропередачи (реакторы); Tpi-Tp2 - трансформаторы; Сеть - сеть переменного тока.

Предложенная типовая структура позволяет рассчиты­ вать широкий спектр различных режимов мини-энергосисте­ мы, при этом модификации начальной структуры имитиру­ ются с помощью ключевых элементов.

Рис. 1.7. Структурная схема математической модели мини-энерго­ системы

Возможен и второй, более универсальный подход. Он предполагает создание программных инструментальных средств, функционирующих по принципу своеобразного «конструктора». Это означает, что оператор, имея в своем распоряжении набор типовых блоков, самостоятельно созда­ ет ту или иную структуру математической модели мини­ энергосистемы, при этом структура на рис. 1.7 формируется как один из возможных вариантов. Именно этот принцип ле­ жит в основе получающих широкое распространение графи­ ческих сред визуального моделирования. Одной из первых

инаиболее известных в настоящее время подобных сред яв­ ляется система SIMULINK, работающая на базе математиче­ ского пакета MATLAB.

Выбор первого или второго подхода зависит от целей

изадач моделирования и определяется, как правило, совме­