Комп’ютерне моделювання системних стабілізаторів потужності електроенергетичних систем

Abstract

Розглянуто структурні моделі системних стабілізаторів електроенергетичних мереж, які використовуються для поліпшення демпфування коливань потужності енергосистеми за допомогою регулювання збудження синхронних турбогенераторів електростанцій. Математичні та структурні моделі такого системного стабілізатора для різних порядків його передатної функції згідно з рекомендаціями IEEE запропоновано для реалізації у системах автоматичного проектування, зокрема, для системи комп'ютерного аналізу стійкості електроенергетичних мереж DAKAR. Проаналізовано існуючі системні стабілізатори, що рекомендовані асоціацією IEEE для електроенергетичних систем, кожен з яких має застосування, пов'язане з наявною системою збудження турбогенератора. Наведено опис будови існуючих системних стабілізаторів. Для побудови їх моделі на підставі рекомендацій IEEE запропоновано використання перетворення структурної схеми системного стабілізатора до канонічної форми спостережності. Таке перетворення надає можливості для створення математичних моделей таких систем для кола збудження синхронного генератора у формі як структурної моделі, так і системи диференціальних рівнянь, що відповідає такій структурі. Для аналізу частотних і часових характеристик моделей системних стабілізаторів використано середовище MATLAB з бібліотекою Control System Toolbox, що дало змогу проаналізувати частотні та часові характеристики рекомендованих IEEE системних стабілізаторів та їхніх моделей, які одержано на підставі канонічної форми спостережності. За рекомендаціями IEEE знаменник передатної функції системного стабілізатора може мати від першого до п'ятого порядку, що, відповідно, розширює коло використовуваних математичних моделей. Для їх аналізу на основі розгорнутої передатної функції системного стабілізатора створено узагальнені математичну і структурну моделі, які стали основою для розроблення відповідних моделей першого–п'ятого порядків. Для кожної такої моделі відповідного порядку в статті показано як структурну схему, так і математичну модель як систему диференціальних рівнянь у формі Коші. Результати комп'ютерного моделювання підтвердили адекватність розроблених моделей і простоту їхнього використання.

Structural models of system stabilizers of power grids that are used to improve damping of power system oscillations by controlling the excitation of synchronous power plants turbogenerators are considered in the article. Mathematical and structural models of such a system stabilizer for various orders of its transfer function according to the IEEE recommendations are proposed for implementation in computer design systems, in particular, for the computer analysis system of the DAKAR power grids. An analysis of the existing system stabilizers that recommended by the IEEE Association for Power Systems was perform. Each of which has an application that is appropriate to the existing excitation system of the turbine generator. The structures of the existing system stabilizers are reviewed. To build their model on the basis of IEEE recommendations, it is suggested to use a canonical form of observation for the transformation of the system stabilizer structural scheme. This transformation provides the possibility to create mathematical models of such systems for the excitation circuit of a synchronous generator, both in the form of a structural model and in the form of a system of differential equations corresponding to such a structure. MATLAB with Control System Toolbox library was used to analyze the frequency and step response characteristics of the system stabilizer models, which made it possible to analyze the frequency and time characteristics of the recommended IEEE system stabilizers and their models derived from the canonical observation form. According to the recommendations of the IEEE, the denominator of the system stabilizer transfer function is from the first to the fifth order, which, accordingly, expands the range of used mathematical models. For their analysis, generalized mathematical and structural models were created on the basis of the developed transfer function of the system stabilizer, which became the basis for the development of the corresponding first- to fifth-order models. For each such model, the corresponding model order in the article shows both a structural diagram and a mathematical model in the form of a Cauchy differential system. The results of computer simulation confirmed the adequacy of the developed models and their easy using.