Актуальность темы
Расширению объемов деятельности и развитию предприятий присущ рост потребления электроэнергии, вызванный, в свою очередь, ростом количества электроприемников, и приводящий как к необходимости развития системы энергоснабжения, так и экономного использования электроэнергии. Находящиеся в эксплуатации электростанции и электроэнергетические системы едва ли смогут в обозримом будущем удовлетворять нарастающий спрос на электроэнергию. Это служит подтверждением актуальности задачи экономии электроэнергии, вырабатываемой, передаваемой и потребляемой.
Так, во многих странах расширились масштабы исследований, направленных на повышение эффективности использования топливных ресурсов — экономию угля, нефти и газа. Имеют место так называемые сезонные факторы, влияющие на потребление электроэнергии. Недопущение дефицита электроэнергии является задачей многосторонней, и ее выполнение может быть достигнуто решением, в свою очередь, более простых задач, входящих в ее состав. Одной из таких подзадач является регулирование напряжения с целью экономии электроэнергии — этому посвящена данная диссертационная работа.
Регулирование напряжения в системах электроснабжения, рассматриваемое в рамках данной работы, сфокусировано на электрических машинах и электротехнологических установках по причине наибольшего их вклада в потребление электроэнергии.
Существует множество подходов к задачам регулирования (из тех, которые отвечают требованиям устойчивости), предполагающих наличие отрицательной обратной связи по регулируемому параметру и знание модели регулируемого объекта. Под моделью регулируемого объекта понимается функциональная зависимость между входными переменными, временем и выходными переменными. Это не всегда представляется возможным в силу многих обстоятельств, например, по причине непостоянства характеристик регулируемого объекта во времени, или отсутствия данной информации в паспорте. Иначе говоря, регуляторы напряжения имеют жесткую привязку к параметрам регулируемого объекта, они не способны изменять принципов регулирования, т. е. не обладают адаптивностью.
Наряду с упомянутыми методами, существуют другие методы регулирования напряжения, позволяющие в условиях неполноты, неточности и неоднозначности входной информации принимать адекватные решения. Это становится возможным при использовании в задачах регулирования напряжения аппарата нечеткой логики, повышающего эффективность функционирования объекта. Устройства, обрабатывающие поступающую информацию в виде лингвистических переменных (терм), способны повышать робастность системы, т. е. поддерживать систему в устойчивом состоянии во всем диапазоне рабочих значений входных параметров.
Цель и задачи работы. Цель настоящей диссертационной работы состояла в нахождении подходов к оптимальному регулированию напряжения электроприемников в системах электроснабжения (СЭС) по критерию экономии электроэнергии с учетом неопределенности исходной информации и сохранением робастности объекта регулирования. В ходе проводимых исследований для достижения поставленной цели было необходимо решить следующие задачи'.Исследовать динамические характеристики электроприемников СЭС при регулировании напряжения, подводимого к ним;
2. Разработать математическую модель электроприемников на примере печи обжига (класс — электротехнологические установки), асинхронного двигателя (класс — электропривод) с последующим применением к ним методов классического управления на логике Аристотеля и управления на нечеткой логике и анализом полученных результатов;
3. Разработать математическую модель узла нагрузки, состоящего из групп синхронногоасинхронного двигателя и статической нагрузки, асинхронных двигателей, а также крупного узла нагрузки на основе статической характеристики;
4. Разработать метод нечеткого управления (регулирования), обеспечивающий высокоскоростное гашение воздействий внешних возмущений на объект при использовании базы правил, полученной экспертным способом;
5. Разработать инвертор с регулируемой величиной защитной паузы широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для создания натурной модели регулятора напряжения асинхронного двигателя и проверки сходимости полученных ранее результатов;
6. Осуществить проверку работоспособности и эффективности разработанных методов программным путем сравнения значений соБср и сохранения динамической устойчивости при тестовых механических возмущениях.
Методы исследований. Разработанные в диссертации научные подходы к решению задач регулирования напряжения основываются на системном подходе к анализу алгоритмов нечеткой логики, предложенных Мамдани, Сугэно, Ларсеном и др. При проведении исследований использовались положения теории нечётких множеств, в частности, математический аппарат нечёткой логики. При решении задач, соответствующих поставленной цели, использовались численные методы решения дифференциальных уравнений второго порядка, реализованные программно на вычислительной технике, методы агрегации локальных нечетких логических выводов из правил, натурное моделирование.
Научная новизна. Настоящая диссертационная работа посвящена разработке моделей и методов регулирования напряжения электроприемников систем электроснабжения на основе нечеткой логики, направленных на обеспечение эффективного их функционирования. Научная новизна работы заключается в том, что в данной работе впервые предпринята попытка совмещения достоинств нескольких алгоритмов нечеткого управления, а именно:
1. Получена целевая функция регулирования напряжения с позиции экономической эффективности для рассматриваемых электроприемников разных классов;
2. Введено лингвистическое описание объекта регулирования в терминах теории нечетких множеств, разработана кодировка входных и выходных нечетких множеств и нечетких правил управления;
3. Предложен гибридный метод регулирования напряжения, в состав которого входят так называемые «жесткие» алгоритмы (Ларсена и Ягера), применяемые в условиях неполноты знаний о характеристиках объекта регулирования при экспертном составлении базы правил-Проведены исследования по совместимости алгоритмов нечеткой логики в случае их гибридного применения, сделаны соответствующие выводы-Рассмотрено применительно к натурной модели регулирование величины защитной паузы инвертора для исключения сквозных токов, создающих дополнительные энергетические потери и преждевременный электродинамический износ оборудования.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Математические модели нечетких алгоритмов /иггг регулирования, построенные с использованием современных компьютерных средств и предназначенные для функционирования в различных узлах систем электроснабжения;
2. Нечеткое представление лингвистических переменных напряжений и сояср применительно к задаче регулирования напряжения электрических машин;
3. Системный подход к выбору наиболее оптимальных алгоритмов нечеткого регулирования напряжения, включающий этап анализа имеющихся нечетких алгоритмов с последующим этапом синтеза нового алгоритма управления;
4. Степень эффективности регулирования напряжения по критерию максимума созср на базе предложенного алгоритма нечеткого регулирования, сочетающего качества нескольких нечетких алгоритмов;
5. Сравнительный анализ работы моделей регуляторов напряжения, построенных по классическим принципам и моделей регуляторов, основанных на нечеткой логике;
6. Методики подбора уровней принадлежности терм — множеств к диапазонам физических величин.
Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется проведением большого количества успешных математических и натурных экспериментов, адекватностью работы регуляторов напряжения с применением нечеткой логики на построенных моделях объекта. А также сопоставлением результатов проведенных экспериментов, позволяющим сделать вывод о достоверности.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что:
1. Разработанный и предложенный гибридный алгоритм, методики подбора парных его составляющих могут быть использованы в задачах экономичной эксплуатации широкого класса объектов управления;
2. Возможность построения систем управления электроприемниками на основе нечеткой логики наглядно показана на различных примерах и может быть использована при внедрении в учебный процесс;
3. Выполненные исследования, разработанные и предложенные методы, могут быть использованы для построения прикладных программ автоматизированного управления в условиях неполноты исходной информации, наличия помех.
Апробация работы. Основные результаты работы представлялись, докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедр факультета энергетики НГТУ, на научных конференциях НГТУ с 2006 по 2008 гг., на Всероссийской научно — технической конференции «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск 2006; на Всероссийской научно-технической.
11 конференции «Энергетика: Экология. Надежность. Безопасность», Томск, 2006; на Всероссийской научно — технической конференции «Энергетика: Экология. Надежность. Безопасность», Томск, 2007; на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии», Тольятти, 2007.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ, в том числе: 2 научных статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных перечнем ВАК РФ- 4 опубликованных доклада на Всероссийских и национальных научно — технических конференциях- 1 патент на полезную модель.
Объем и содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, приложений и содержит 221 страницу основного текста, 89 рисунков, 23 таблицы и список использованных источников из 50 наименований.
5.5. Выводы по главе.
1. Выполнен переход от индивидуального регулирования напряжения к групповому, что дает экономию регулирующих средств, но при этом меньшую эффективность регулирования, что обусловлено несоответствием напряжений максимумов coscp входящих в группу электроприемников;
2. Рассмотрены условия применимости метода свертки электроприемников для расчета рабочих режимов;
3. Введены нечеткие лингвистические переменные применительно к задаче регулирования напряжения с использованием нечеткой логики, созданы нечеткие базы правил для каждой группы электроприемников;
4. Составлена математическая модель групп электроприемников, математическая модель пропорционального регулятора напряжения узла, модель регулятора напряжения на основе нечеткой логики;
5. Проведен сравнительный анализ влияния регуляторов напряжения на основе нечеткой логики на динамическую устойчивость синхронных машин, сделаны выводы;
6. Рассчитаны средние значения со$<�р=0.7873 для пропорционального регулятора и со$(р=0.8022 для регулятора на основе предложенной нечеткой логики «Ларсена-Ягера» за период времени 10с при условиях, что с начального момента времени £2=Он и на электроприемники действуют описанные в главе броски механической нагрузки.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Разработанные и предложенные в настоящей диссертации модели и методы регулирования напряжения питания электроприемников систем электроснабжения, связаны с необходимостью более экономичного расхода электроэнергии и разгрузки системы от реактивного тока. Цель работы состояла в нахождении подходов к оптимальному регулированию напряжения питания электроприемников, групп электроприемников в системах электроснабжения с учетом неопределенности исходной информации и сохранением робастности регулируемого объекта. Для достижения поставленной цели был использован аппарат нечеткой логики теории нечетких множеств, математический метод последовательных интервалов численного вычисления дифференциальных уравнений высших порядков, а также ресурсы вычислительной техники.
Среди основных наиболее значимых результатов диссертационной работы следует отметить:
1. В работе рассмотрены способы регулирования напряжения и их классификации, достоинства и недостаткиотмечены трудности обеспечения плавного регулирования напряжения с помощью изменения коэффициента трансформации и перспективность местного (индивидуального) регулирования напряжения;
2. Показано, что применение нечеткой логики к регулированию режимов работы дает преимущества как в точности выводов при неоднозначных и нечетких входных данных, так и в задачах поддержания устойчивости сложных систем;
3. Рассмотрено регулирование напряжения для электроприемников класса электрических машин и электротехнологических установок систем электроснабжения, как с помощью четкой, так и нечеткой логики;
4. На примерах математических моделей электрических машин показано, что терммножества предложений как предпосылок, так и выводов следует подбирать таким образом, чтобы они располагались по возможности ближе к нормальному закону, таким образом, наибольшее количество лингвистических термов должно находиться возле положения предполагаемого положения равновесия — аттрактора;
5. Разработан и предложен гибридный, принципиально новый алгоритм, применимый к широкому спектру задач регулирования, в частности, в системах электроснабжения предприятийтак, данный алгоритм сочетает достоинства так называемых «жестких» алгоритмов нечеткой логики — высокое быстродействие, обеспечивающее робастность, «мягкие» алгоритмы Мамдани, Сугэно позволяют генерировать адекватное ситуации решение на основании базы правил, составленной экспертно;
6. В ходе анализа возможных сочетаний предложенного гибридного алгоритма обнаружено, что наиболее удачными являются сочетания, при которых совмещаются алгоритмы с небольшим разрывом по достоверности предложений предпосылокошибка регулирования соБф имеет значение 0,116% при использовании четкой логикипротив 0,03% при использовании алгоритма Мамдани и 0,016% при использовании алгоритма ЛарсенаЯгера;
7. С применением основ силовой электроники, математического аппарата теории нечетких множеств построена натурная модель индивидуального полупроводникового регулятора напряжения асинхронного двигателя, способного работать как с использованием пропорционального регулирования, так и алгоритмов нечеткой логики, подтверждающая заявленные положения;
8. Рассмотрен на примере узла нагрузки переход от индивидуального регулирования напряжения электроприемников к групповому, что накладывает свои ограничения на эффективность работы регуляторадля группы из трех асинхронных двигателей средние значения со$(р составляют 0.7873 для пропорционального регулятора и со8<�р=0.8022 для регулятора на основе предложенного нечеткого алгоритма «Ларсена-Ягера» .
