Дисертації (ВДЕ)
Постійне посилання зібрання
У зібранні розміщено дисертації, які захищені працівниками кафедри.
Переглянути
Нові надходження
Документ Відкритий доступ Моделювання і аналіз режимної надійності в підсистемах електроенергетичних систем в умовах каскадного розвитку відмов(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Бондаренко, Олександр Леонідович; Бардик, Євген ІвановичБондаренко О.Л. Моделювання і аналіз режимної надійності в підсистемах електроенергетичних систем в умовах каскадного розвитку відмов. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 – Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2023. У дисертаційній роботі вирішується задачі з розробки нових та удосконалення існуючих математичних моделей і методів діагностування технічного стану (визначення ресурсу працездатності) комутаційного обладнання енергосистем, моделювання підсистем електроенергетичних систем (ЕЕС) для оцінки режимної надійності при каскадному характері відмов в умовах невизначеності вихідної інформації. У першому розділі проаналізовано умови функціонування, особливості і стратегічні цілі сучасного етапу реформування вітчизняної електроенергетики, розглянуті проблеми і перспективи розвитку електромережевого комплексу України при існуючому прискореному старінні обладнання і наміченого переходу на платформу інтелектуальної енергетики. Встановлено, що з розвитком ринкових відносин в електроенергетиці України загострюється проблема забезпечення режимної надійності сучасних ЕЕС. Суттєвий вплив на надійність ЕЕС України в сучасних умовах визначають такі основні фактори: лібералізація енергетичної галузі, напружений режим роботи електрообладнання в умовах ринкових відносин; збільшення частки джерел розосередженої генерації; зростання зносу і низькі темпи оновлення основних фондів; особливо суттєве підвищення вірогідності зовнішніх терористичних атак на об’єкти енергетики. Зазначені фактори сприяють зростанню інтенсивності аварійних ситуацій, які виникають при відмовах електрообладнання, що призводить до порушення динамічної стійкості енергосистем та вузлів навантаження ЕЕС за напругою, каскадному розвитку аварій і, як наслідок, до порушення технологічних процесів підприємств-споживачів та АЕС зі значними збитками. Це підтверджується виникненням за останні десятиріччя низки важких системних аварій в ЕЕС Північної Америки, Західної Європи, України. В цих об’єктивно існуючих умовах функціонування ЕЕС України забезпечення режимної надійності при відмовах електрообладнання є однією з найважливіших задач. Тому розробка нових і удосконалення існуючих математичних моделей для оцінки технічного стану електрообладнання та моделювання підсистем ЕЕС для оцінки режимної надійності при каскадному характері відмов в умовах невизначеності вихідної інформації є актуальною задачею. Наведено загальну характеристику стану та технологічних порушень силового і комутаційного обладнання, повітряних ліній енергосистем. Аналіз статистики відмов силового і комутаційного електрообладнання ЕЕС та ПЛ показав, що існує значна частка обладнання з великим терміном напрацювання, що підвищує ймовірність їх відмови. Встановлено, що комутаційні апарати мають значний відсоток відмов, і суттєвий вплив на надійність енергосистеми, що потребує забезпечення безперервного моніторингу параметрів технічного стану, визначення ресурсу працездатності та прогнозування ризику відмов. В цілях пошуку перспективних напрямків вирішення зазначеної проблеми виконаний аналіз методів і моделей оцінки технічного стану, ресурсу працездатності та ймовірності відмови високовольтних вимикачів енергосистеми та обґрунтовано необхідність використання сучасних інформаційних технологій для вирішення цих задач. Представлено характеристики методів оцінки ймовірності виникнення аварійних ситуацій в ЕЕС при відмовах та виведенні з експлуатації електрообладнанні, зокрема дослідження режимної надійності з використанням критерію «n – 1». Виходячи з того, що в останні десятиріччя для прийняття ефективних рішень щодо стратегії управління режимами ЕЕС в промислово розвинених країнах використовують стратегію ризик-менеджменту обґрунтовано застосування в якості показника для оцінки режимної надійності ЕЕС використовувати показник ризику. Застосування даної стратегії дозволяє провести комплексний аналіз причинно-наслідкових зв’язків між технічним станом електрообладнання та аварійними режимами ЕЕС, а також отримати інтегральний показник функціонування ЕЕС на всій множині аварійних ситуацій внаслідок відмов електрообладнання. У другому розділі представлена характеристика режимів порушення нормального режиму в підсистемі ЕЕС при відмовах окремих елементів. Встановлено головні фактори, наявність яких призводить до збільшення кількості аварійних ситуацій в ЕЕС, а саме: лібералізація відносин в електроенергетиці; децентралізацією електропостачання в зв’язку з розширенням використання джерел розосередженої генерації; об’єднанням на сумісну роботу різних ЕЕС з формуванням міжрегіональних та міждержавних енергооб’єднань; значне фізичне і моральне зношення фонду електрообладнання. Обґрунтована необхідність розробки моделей оцінки технічного стану, ресурсу та ймовірності відмови електрообладнання в задачах аналізу режимної надійності, зокрема високовольтних вимикачів. Визначено і обґрунтовано метод щодо побудови комплексної математичної моделі оцінки технічного стану високовольтних вимикачів на основі інтелектуального аналізу даних, отриманих в режимах Online і Offline. Розроблена ієрархічна структурна схема нечіткого логічного висновку отримання агрегованої оцінки технічного стану елегазового вимикача за параметрами отриманими в режимах Online та Offline з урахуванням рівня важливості визначальних параметрів і функціональних вузлів. Визначення послідовності заміни або планового чи позапланового виведення з експлуатації для проведення ремонту комутаційного обладнання ЕЕС відноситься до класу задач багатокритеріального вибору альтернатив в умовах невизначеності інформації. Для визначення пріоритету виведення з експлуатації комутаційного обладнання за результатами оцінки технічного стану запропоновано методи багатокритеріального вибору альтернатив. Встановлено, що підхід для оцінки режимної надійності на практиці ґрунтується на використанні критерію «n – 1», є детерміністичним, не враховує ймовірність появи подій та не дає кількісної характеристики надійності ЕЕС. Показано, що найбільш прийнятним альтернативним методом оцінки ймовірнісної складової ризику для ЕЕС із складністю структури та значним рівнем зношеності електрообладнання є використання методів статистичного моделювання, за яких виконуються обчислювальні експерименти з імітаційними математичними моделями поведінки складних випадкових процесів та реальних об'єктів, які піддаються випадковим збуренням. Обґрунтовано доцільність і ефективність застосування методу ймовірнісностатистичного моделювання для визначення ризику порушення нормального режиму в підсистемах ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів та дослідження режимної надійності ЕЕС в умовах каскадного розвитку відмов. У третьому розділі запропонована комплексна лінгвістична математична модель елегазового вимикача для визначення ресурсу працездатності та ймовірності відмови. Завдання комплексної оцінки технічного стану високовольтних вимикачів належить до категорії погано формалізованих і слабо структурованих задач внаслідок наявності різнорідної вхідної інформації (кількісні і якісні значення змінних), неповноти інформації, різночасності вимірювань параметрів об’єкта; невизначеності, яка зумовлена неможливістю адекватного математичного опису процесів внаслідок вимірювань змінних стану; недостатності ретроспективних даних про експлуатацію вимикачів та інші. Ці об’єктивно існуючі умови функціонування вимикачів енергосистем викликають необхідність використання таких моделей вимикачів, в яких можна подати в єдиній формі різнорідну інформацію по об’єкт, включаючи і суб’єктивну інформацію експертів. Для поєднання результатів різних методів вимірювання в режимах Online та Offline моніторингу вимикача для правильної оцінки технічного стану важливо використати методи штучного інтелекту, зокрема нечітку логіку. На основі всіх існуючих даних моніторингу вимикача нечітким моделюванням можна отримати більш повну і об’єктивну картину стану вимикача та визначити ймовірність відмови. Зазвичай дуже складно створити нечітку експертно-діагностичну систему для оцінки технічного стану вимикача з великою кількістю вхідних даних і сформувати відповідну базу знань. Тому вирішення завдання комплексної оцінки технічного стану високовольтного вимикача передбачає створення нечітких експертних підсистем для основних функціональних вузлів, таких як контактна система, дугогасна камера та механізм приводу (моторний механізм). Центральним елементом є база правил та механізм нечіткого висновку. Для вирішення задач аналізу режимної надійності методами теорії ризику створено: комплексні лінгвістична математичні моделі елегазового вимикача для визначення ресурсу працездатності та ймовірності відмови, які ґрунтуються на використанні інформації щодо параметрів технічного стану, отриманих в режимі тільки в режимі Online або в режимах Online та Offline. Запропоновані лінгвістичні математична моделі високовольтних вимикачів дозволяють визначити ймовірності відмови на найближчий термін спостереження та оцінювати ризик порушення нормального режиму та визначати показники режимної надійності в складних ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів. Для окремих типів високовольтних вимикачів для яких можливо сформувати функції розподілу ймовірності відмови за статистичними даними по відмовам з урахуванням індивідуальних характеристик запропоновано метод визначення ймовірності відмови на інтервалі спостереження. У четвертому розділі розглянуто методи і математичні моделі для аналізу ризику в підсистемі ЕЕС в умовах каскадного процесу розвитку аварії. Проаналізовано найбільш важливі фактори, які спричиняють каскадний розвиток аварій в ЕЕС. Встановлено, що наразі об’єктивно існує невідповідність між зміненням структурних властивостей сучасних потужних електричних систем, що визначає змінення умов функціонування і динамічних властивостей з одного боку, і старими принципами і засобами управління з іншого. Нарощування такої невідповідності призводить до виникнення «слабких місць» в енергосистемі, погіршенню її керованості, зниженню надійності і ефективності функціонування. Вирішення цих протиріч потребує удосконалення принципів і систем керування, перш за все систем протиаварійного керування, а також розробки і реалізації принципів превентивного керування електрообладнанням і ЕЕС в цілому. На основі поглибленого аналізу причин виникнення ланцюгів подій, які визначальним чином впливають на виникнення і розвиток аварійної ситуації виявлено основні механізми розвитку великих системних аварій та побудована узагальнена схема розвитку аварії в ЕЕС. З урахуванням ймовірнісного характеру відмов основного силового і комутаційного обладнання, відмови РЗ та ПАА, а також помилок диспетчерського і оперативного персоналу визначено вимого до математичних моделей оцінки режимної надійності ЕЕС при каскадному сценарії розвитку аварії. Враховуючи значний рівень невизначеності інформації щодо ймовірності станів та ступеню важкості наслідків в процесі розвитку каскадної аварії розроблена комплексна нечітка модель оцінки ризику розвитку каскадних відмов в підсистемі ЕЕС. У п’ятому розділі вирішується задача моделювання і дослідження режимної надійності підсистем ЕЕС при відмовах і виведенні з експлуатації комутаційного обладнання і каскадному розвитку відмов. Отримати достовірну оцінку кількісних параметрів режимної надійності ЕЕС при відмовах електрообладнання можливо тільки за наявності адекватних моделей оцінки технічного стану та визначення ймовірності відмови об’єкта в тому числі і комутаційного обладнання. Наразі отримати єдину універсальну математичну модель комплексної визначення ресурсу працездатності високовольтних вимикачів не є можливим внаслідок перш за все неповноти і невизначеності вихідної інформації. Для вирішення цих проблем розроблено і досліджено декілька типів моделей визначення ресурсу та ймовірності відмови вимикачів: математична модель, яка зорієнтована на ін формацію отриману без відключення від мережі; математична модель, яка зорієнтована на інформацію Online та Offline моніторингу вимикача; математична модель, що використовує сформовані функції розподілу ймовірності відмови за статистичними даними по відмовам з урахуванням індивідуальних характеристик. Порівняння результатів моделювання за розробленими моделями і моделями інших відомих розробників виявило невелике відхилення, що підтверджує правильність результатів моделювання. Враховуючи об’єктивно існуюче спрацювання ресурсу працездатності вимикачів виникає задача оптимального рішення виводу з експлуатації за критеріями на основі методу оптимізації Парето та ймовірнісно-статистичного моделювання для оцінки ризику виникнення аварійної ситуації в ЕЕС методом Монте-Карло. Такий спосіб дозволив забезпечити адаптацію моделі реальним умовам експлуатації високовольтних вимикачів. Запропоновані математична модель та алгоритм дозволяють визначати обґрунтоване найефективніше превентивне рішення щодо черговості виведення з експлуатації високовольтних вимикачів на основі оцінки ризику порушення нормального режиму в ЕЕС. Це дозволяє на основі оцінки ризику експлуатації високовольтних вимикачів на найближчий термін спостереження визначати ризик порушення нормального режиму в підсистемах ЕЕС при виведенні з експлуатації високовольтних вимикачів. Результати роботи впроваджено: в ТОВ «Науково-виробниче підприємство «Укренергоналадкавимірювання» та в освітній процес у Київському політехнічному інституті імені Ігоря Сікорського для вдосконалення лекційних курсів дисциплін «Інтелектуальні системи діагностики електрообладнання та прийняття рішень» і «Моделі технічного стану і режимів електрообладнання електричних станцій» та також при виконані кваліфікаційних та науково-дослідних робіт магістрів кафедри відновлюваних джерел енергії факультету електроенерготехніки та автоматики КПІ ім. Ігоря Сікорського.Документ Відкритий доступ Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу(КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2023) Коваленко, Ірина Яківна; Головко, Володимир МихайловичКоваленко І. Я. Автономна безмультиплікаційна вітроелектрична установка на базі генератора торцевого типу. - Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка в галузі знань 14 «Електрична інженерія». - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2022. Дисертаційне дослідження присвячене дослідженню та вирішенню актуального наукового завдання, що полягає в обґрунтуванні методів регулювання вихідної потужності та розробці математичної моделі генераторного обладнання безмультиплікаційної автономної вітроелектроустановки, з урахуванням даних методів, шляхом імітаційного моделювання за змінної частоти обертання ротора вітроустановки. В роботі проведено літературно-патентний пошук за темою дисертаційного дослідження. Проведено оцінку загального стану вітроенергетики в регіональному контексті та в цілому оцінено світові тенденції розвитку даної галузі. Розглянуто типи безмультиплікаційних вітроелектричних установок, проаналізовано їх переваги та недоліки, характерні області застосування. За результатами аналізу літературних джерел встановлено, що безмультиплікаційні системи наразі складають 20% від загальної кількості вітрогенераторів на ринку агрегатів малої потужності. Вони успішно розвиваються і конкурують із редукторними системами, оскільки мають ряд принципових переваг, таких як простота конструкції, більш висока надійність та ефективність. Для оцінки існуючих методів та засобів регулювання вихідних параметрів автономних вітроустановок проведено аналіз способів стабілізації вихідних параметрів вітроелектороустановок, проаналізовано їх переваги та недоліки. Предметом регулювання вітроелектричних установок є: вихідна напруга, вихідна частота та вихідна потужність. Аналіз показав, що практично відсутні засоби для регулювання вихідної потужності безмультиплікаційних вітроелектричних установок у складі з магнітоелектричними генераторами з аксіальним магнітним потоком. Для автономних безмультиплікаційних вітроустановок використовується специфічний тип електромеханічних перетворювачів анергії. Вимога до регулювання вихідних параметрів такої системи потребує використання електрогенераторів спеціальної конструкції. Проведено порівняльний аналіз генератора торцевого типу з традиційним циліндричним генератором зі збудженням від постійних магнітів малої потужності. З огляду на переваги генератора торцевого типу, в роботі обрано за основу саме цей тип генератора. В роботі проведено розрахунок параметрів та характеристик магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком та подвійним статором. В роботі проведено порівняльний аналіз аеродинамічних характеристик роторів ВЕУ для відомих профілів – традиційних (Р-ІІ, А-6, BS-10, BS-10, p-11-18), профілів серії GA(W)-1 та ламінованих FX. При розрахунку енергетичних характеристик генератора вітроустановки встановлено, що ротори вітроустановок з профілями лопатей групи традиційних, дозволяють отримати максимальні значення механічної потужності 91,8…93,3 Вт/м2, при значеннях коефіцієнтів використання енергії вітру =0,33…0.44 в діапазоні швидкохідності z=4…5. Ротори з профілями групи 2 дозволяють отримати максимальні значення механічної потужності 114,3…115,7 Вт/м2 при = 0,54…0,55 в діапазоні швидкохідності z = 6…7. Проведено узгодження аеродинамічних характеристик ротора вітротурбіни з механічною характеристикою електрогенератора, що дало можливість встановити межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень номінальної швидкості вітру. Так для профілю лопаті серії GA(W) вона складає за моментом 22%, а за потужністю 9,5%, (за номінальної швидкості 5м/с відносно верхньої межі діапазона номінальних значень 8м/с). Для реалізації поставленої задачі, пропонується проаналізувати два методи корекції: приєднання додаткових конденсаторів до обмотки статора генератора та застосування додаткової обмотки підмагнічування статора генератора. В результаті дослідження отримав подальший розвиток метод порівняльного аналізу аеродинамічних характеристик роторів вітроустановок шляхом урахування раціонального взаємовпливу коефіцієнта використання енергії вітру і модуля швидкохідності, що дозволив провести узгодження аеродинамічних характеристик ротора вітротурбіни з механічною характеристикою електрогенератора та встановлювати межі корекції його за моментом та потужністю за різних значень номінальної швидкості вітру. Для оцінки можливості корекції вихідної потужності автономної вітроустановки в дисертаційному дослідженні розроблені чисельні імітаційні моделі. На основі розробленої моделі досліджувались варіанти стабілізації вихідної потужності та напруги при: використанні генератора вітроелектроустановки з одностороннім розташуванням магнітів ротора; корекції вихідної потужності генератора за допомогою введення статичних конденсаторів при дискретних значеннях швидкості вітру; корекції вихідної потужності генератора за допомогою додаткового збудження при дискретних значеннях швидкості вітру; використанні магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком автономної вітроелектроустановки з двостороннім розташуванням магнітів ротора. За результатами математичного моделювання проведено: порівняльний аналіз корекції вихідної потужності генератора за допомогою введення статичних конденсаторів при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру; порівняльний аналіз корекції вихідної потужності генератора за допомогою додаткового збудження при дискретних та випадкових значеннях швидкості вітру. В дисертаційному дослідженні уточнено математичну модель безмультиплікаційної вітроелектроустановки у складі з магнітоелектричним генератором з одностороннім та двостороннім розташуванням магнітів ротора, яка, на відміну від відомої, враховує наявність впливу параметрів подвійного статора та додаткової обмотки для підмагнічування магнітної системи, що дозволило визначити межі корегування вихідної потужності генератора. Обгрунтовано, шляхом структурного імітаційного моделювання та експериментально підтверджено, характер впливу корекції вихідної потужності магнітоелектричного генератора з аксіальним магнітним потоком за допомогою введення статичних конденсаторів та додаткового збудження статора генератора, що дозволило провести оцінку величини корегування вихідної потужності за випадкової зміни швидкості вітру. При підключенні конденсаторів до затискачів генератора спостерігається збільшення вихідної потужності на 5-10%. Водночас, напруга на затискачах, при цьому, зменшується в 1,8 рази, що пояснюється падінням напруги на внутрішніх опорах генератора та ростом активної та реактивної складової струму якоря генератора 2,2 рази. Більш ефективним способом корекції вихідної потужності є використання додаткової підмагнічуючої обмотки магнітоелектричного генератора. При подачі напруги на обмотку збудження Uf=8 В спостерігається приріст вихідної потужності генератора 30-40% ніж без регулювання. Встановлено, що величина ємності залежить від параметрів обмотки якоря електрогенератора, величини взаємоіндукції, характеру та величини навантаження. Для досліджуваного генератора значення ємності лежать в межах від 4,3 – 32,1 мкФ для чисто активного навантаження та для діапазону потужності 0 – 87 Вт. В дисертаційному дослідженні розроблено експериментальний стенд для дослідження параметрів і характеристик автономного магнітоелектричного генератора у складі без мультиплікаційної вітроелектроустановки. За допомогою розробленого стенду оцінено можливість корекції вихідної активної потужності генератора в різних режимах його роботи, а саме: проведено аналіз структурної схеми автономної роботи вітроелектроустановки з корекцією потужності генератора додатковою обмоткою підмагнічування; проведено наліз експериментальних результатів корекції потужності генератора додатковою обмоткою підмагнічування; порівняльний аналіз результатів експерименту та імітаційного моделювання корекції потужності генератора збіжність результатів в межах 7-10%, що підтверджує адекватність розроблених моделей та достовірність отриманих результатів. Використання підмагнічування додатковою обмоткою дозволяє підвищити вихідну активну потужність на: 44%, 35,5%, 18,07%, 21,6% при швидкості обертання 200 об/хв, 350 об/хв, 550 об/хв та 650 об/хв відповідно. 6. За умови підтримки вихідної напруги генератора U1=14,4 В також збільшується вихідна потужність на затискачах генератора на 30 % при 200 об/хв, 12,5% при 350 об/хв, 9,7% при 550 об/хв та 17,6% при 650 об/хв.Документ Відкритий доступ Удосконалення математичних моделей оцінки технічного стану силових трансформаторів для підвищення достовірності визначення ризику порушення нормального режиму в підсистемах електроенергетичних систем(2019) Болотний, Микола Петрович; Бардик, Євген Іванович