Методи та засоби підвищення ефективності вторинного регулювання частоти та потужності в енергосистемі із залученням енергоблоків теплових електричних станцій

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorЯндульський, Олександр Станіславович
dc.contributor.authorГулий, Володимир Сергійович
dc.date.accessioned2026-04-06T12:18:13Z
dc.date.available2026-04-06T12:18:13Z
dc.date.issued2026
dc.description.abstractГулий В.С. Методи та засоби підвищення ефективності вторинного регулювання частоти та потужності в енергосистемі із залученням енергоблоків теплових електричних станцій. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 – електричні станції, мережі і системи (141 Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка). – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» Міністерства освіти і науки України, Київ, 2026. Дисертаційна робота присвячена вирішенню актуальної науково-практичної проблеми підвищення ефективності вторинного регулювання частоти та потужності в енергосистемі шляхом залучення енергоблоків ТЕС до вторинного регулювання частоти з врахуванням особливості роботи котельного обладнання, що має важливе значення для ОЕС України при регулюванні частоти та потужності. У першому розділі проведено аналіз стану та основних напрямків розвитку САРЧП та підходів до регулювання частоти в енергосистемі. Встановлено, що значне збільшення в ОЕС України встановленої потужності ВДЕ призводить до зменшення загальної інерції енергосистеми та зниження ефективності регулювання частоти, а об’єднання ОЕС України з енергосистемою країн західної Європи вимагає дотримання жорстких вимог до регулювання частоти та активної потужності. Виконано аналіз вимог до первинного та вторинного регулювання частоти в енергосистемах різних країн світу у тому числі в Україні. Відзначено, що в ОЕС України існує дефіцит резервів вторинного регулювання частоти та потужності. Водночас ряд енергоблоків ТЕС пройшли глибоку модернізацію. Це підвищило їх маневрові характеристики та дозволяє залучати їх до вторинного регулювання частоти, що дозволить вирішити проблему наявного дефіциту регулюючої потужності, задовольнити чинні вимоги та підвищити ефективність вторинного регулювання частоти та потужності в ЕЕС. Аналіз досліджень пов’язаних із регулюванням потужності ТЕС показав наявність ділянки спаду вихідної потужності енергоблоку станції при надходженні керівного впливу на збільшення вихідної потужності, що обумовлено особливістю роботи котельного обладнання ТЕС. Отримані нові властивості свідчать про необхідність підвищення ефективності вторинного регулювання частоти в ЕЕС шляхом розробки підходу до вторинного регулювання частоти, що дозволяє враховувати особливість роботи котельного обладнання ТЕС при їх залученні до вторинного регулювання частоти. У другому розділі було розроблено моделі САРЧП та ЕЕС. Зокрема, розроблено модель енергоблока ТЕС для дослідження процесів вторинного регулювання частоти та потужності з урахуванням особливості роботи котельного обладнання. Її верифікація за результатами експериментальних випробувань підтвердила високу точність і дала можливість подальших досліджень впливу котельного обладнання ТЕС на ефективність регулювання частоти в ЕЕС. Розроблено модель САРЧП, яка забезпечує залучення енергоблоків ТЕС та гідроагрегатів ГЕС до вторинного регулювання частоти і складається із системного і станційного рівнів та підтримує усі режими роботи САРЧП у повній мірі. У роботі була розроблена динамічна модель енергосистеми у програмному забезпеченні PowerFactory, яка включає 621 вузлів, 279 синхронні генератори у складі ТЕС та ГЕС, 350 ліній електропередач напругою 750-220 кВ, 376 трансформаторів, 200 вузлів навантаження. Модель містить міжсистемні лінії з сусідньою енергосистемою і функціонує в режимі паралельної роботи. Вторинне регулювання частоти здійснює САРЧП. Проведена верифікація розробленої моделі на основі реальних даних існуючої системи моніторингу перехідних процесів, підтвердила її відповідність. У третьому розділі наведено аналіз результатів проведеного дослідження участі ТЕС у вторинному регулюванні частоти та потужності з урахуванням особливості роботи котельного обладнання на спрощеній двозонній моделі енергосистеми. Встановлено, що застосування ПІ-регулятора в САРЧП призводить до зростання часу перехідного процесу та величини перерегулювання, що знижує ефективність регулювання частоти в ЕЕС. Отримані властивості САРЧП та ЕЕС вказують на необхідність підвищення якості вторинного регулювання з урахуванням роботи котельного обладнання ТЕС. Було розроблено адаптивний регулятор на основі нечіткої логіки, застосування якого дозволило знизити перерегулювання на 22% та скоротити час регулювання на 14%. Водночас цей підхід до регулювання частоти в ЕЕС не враховує обмеження перетоків потужності у контрольованих перетинах. Для вирішення цієї задачі запропоновано використання методу управління на основі прогнозуючих моделей (УПМ), який враховує обмеження на резерви потужності, швидкість реагування та перетоки контрольованих перетинів. Метод використовує математичну модель об’єкта для прогнозування поведінки системи в майбутньому та оптимізації керуючих дій з врахуванням обмежень. У четвертому розділі розроблено регулятор з використанням запропонованого підходу в ПЗ PowerFactory. Для реалізації швидкої взаємодії ПЗ PowerFactory та Matlab було використано прямий програмний інтерфейс ПЗ PowerFactory для завантаження спеціальних скомпільованих бібліотек, що містять конкретний набір функцій із заданим переліком вхідних та вихідних параметрів. Для експорту моделі регулятора УПМ з MATLAB було зкомпільовано модель MATLAB у зовнішню бібліотеку. Даний підхід дозволив суттєво зменшити час розрахунку і моделювання. У роботі виконано дослідження ефективності регулювання частоти та потужності з використанням запропонованого підходу, яке проводилось на динамі- чній моделі ЕЕС. Аналіз результатів дослідження підтвердив зниження ефективності регулювання частоти та потужності в ЕЕС при врахуванні особливості роботи котельного обладнання і застосуванні ПІ-регулятора в САРЧП: час регулювання збільшився на 17%, а перерегулювання – на 3%. Застосування розробленого регулятора на основі методу УПМ дозволило зменшити час регулювання на 42% та скоротивши максимальне перевантаження в одному з контрольованих перетинів на 56% у порівнянні з ПІ-регулятором. Проведений аналіз виконаних досліджень дозволяє підтвердити ефективність застосування запропонованого підходу при залученні енергоблоків ТЕС до вторинного регулювання частоти та потужності в ЕЕС. Сформовано рекомендації по підвищенню ефективності роботи САРЧП з врахуванням особливості роботи котельного обладнання ТЕС при їх залученні до процесів регулювання частоти та потужності в ЕЕС. Практична цінність роботи полягає у розвитку підходу до регулювання частоти та потужності в ЕЕС з врахуванням особливості роботи котельного обладнання енергоблоків. Застосування запропонованого підходу забезпечує підвищення ефективності регулювання частоти та потужності при паралельній та ізольованій роботі енергосистеми. Результати проведених досліджень дозволили сформувати вимоги до САРЧП та залучити ТЕС до вторинного регулювання з прийнятними характеристиками. Окремі результати дослідженні відображено у звітах науково-дослідних робіт за темами: «Наукові засади, підходи і методи зменшення впливу низькочастотних коливань потужності на режими роботи Об’єднаної енергетичної системи» (№ ДР 0114U002532, 2014-2016 рр.), «Дослідження дії первинного регулювання та демпфірування низькочастотних коливань потужності ОЕС України» (договір № 469 від 2015 р., замовник ДП НЕК «Укренерго» № ДР - 469, 2015- 2018 рр.), «Методи та засоби оптимального керування гідроагрегатами ГЕС, енергоблоками ТЕС та ВДЕ при зміні частоти та перетоків потужності в Об’єднаній енергосистемі» (№ ДР 0117U004260, 2017-2019 рр). Результати роботи впроваджено в учбовий процес у Національному технічному університеті України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» при викладанні дисциплін: «Теорія автоматичного керування», «Автоматичне управління в енергосистемах» та при виконанні кваліфікаційних та науково-дослідних робіт магістрантів кафедри автоматизації енергосистем факультету електроенерготехніки та автоматики.
dc.description.abstractotherHulyi V. S. Methods and means of increasing the efficiency of secondary load frequency control in the power system involving thermal power plant units. – Qualifying scientific work in the form of a manuscript. Thesis submitted for fulfilment of the Candidate of Technical Science degree (PhD) on the specialty 05.14.02 – power stations, networks and systems (141 Power engineering, electrical engineering and electromechanics). – National Technical University of Ukraine «Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute», Kyiv, 2026. Thesis is devoted to solve the emerging scientific and practical problem on increasing the efficiency of secondary load frequency control (LFC) in the power system by involving thermal power plant (TPP) units in secondary load frequency control, taking into account the specific features of boiler equipment operation, that has a high importance for the Integrated Power System (IPS) of Ukraine in LFC. In the first part performed the analysis of the current condition and main directions of the development of Automatic Generation Control (AGC) and approaches to LFC in the power system. Established a significant increase in the installed capacity of renewable energy sources in the IPS of Ukraine that leads to a reduction in the overall system inertia and to a decrease in the effectiveness of LFC, while the integration of the IPS of Ukraine with the power system of Western European countries requires a strict compliance with LFC standards. Performed the analysis of the requirements for primary and secondary LFC in power systems of different countries, including Ukraine. The observation showed a deficit for secondary LFC in the IPS of Ukraine. At the same time, a number of TPP units underwent extensive modernization that improves their maneuverability characteristics and enables their involvement in secondary LFC, thereby allowing to eliminate the existing deficit of regulating capacity, meet current requirements and increase the efficiency of secondary LFC in the power system. The analysis of studies related to power control of TPPs revealed the decline in the output power of the unit when a control signal for increasing output power is applied, which is caused by the specific operating features of TPPs boiler equipment. Identified new properties indicate the necessity in increasing the efficiency of secondary LFC in the power system by developing the approach to secondary LFC that takes into account the operational characteristics of boiler equipment upon involvement of TPP units in secondary LFC. In the second part of thesis AGC and power system models were developed. In particular, a model of a TPP unit was created in order to study the processes of secondary LFC, with considerations regarding the specific operational characteristics of boiler equipment. Based on experimental trials results, verification of the model confirmed its high accuracy and enabled further research of the influence of boiler equipment on the effectiveness of LFC in the power system. AGC model was developed that ensures the integration of TPP units and hydroelectric units into secondary LFC. The model incorporates both system-level and plantlevel structures and fully supports all operating modes of AGC. In the current thesis a dynamic model of the power system was developed using PowerFactory software. This model includes 621 buses, 279 synchronous generators of thermal and hydro power plants, 350 transmission lines of 220–750 kV, 376 transformers and 200 load nodes. Model includes interconnection lines with a neighboring power system and operates in parallel mode. Secondary LFC is performed by the AGC. Verification of the developed model based on current data from the existing wide area measurement system confirmed its accuracy and compliance with the actual system behavior. In the third section of the thesis the analysis of the results was performed from the assessment of TPPs participation in secondary LFC, taking into account the specific operational characteristics of boiler equipment and using a simplified two-area power system model. It was established that the usage of PI-controller in the AGC leads to the elevation in the transient process time and the magnitude of overshoot, which reduces the efficiency of LFC in the power system. Identified characteristics of the AGC and the power system indicate the importance for the increase in the efficiency of secondary LFC with consideration of the operation of boiler equipment in TPPs. The adaptive fuzzy logic-based controller was developed that was able to reduce overshoot by 22% and decrease the regulation time by 14%. Simultaneously, this LFC approach does not take into consideration the limitations of power flows in the controlled interconnections. To address this issue, it was proposed to apply the model of predictive control (MPC), which takes into account constraints on power reserves, speed response, and flows in controlled interconnections. Method uses a mathematical model of the system to predict its future behavior and optimize control actions while considering these constraints. In the fourth part of the thesis the regulator was developed with application of the method in PowerFactory that was previously already proposed. For implementation of fast interoperability between PowerFactory and Matlab, a direct programmer interface of PowerFactory was used. This allowed to upload specific compiled libraries that contain a number of functions with input of inlet and front-end parameters. the model of Matlab was compiled to external library in order to export the model of MPC regulator from Matlab. Current approach allowed to substantially decrease the time required to perform calculations and modelling. Investigation of the LFC efficiency with the usage of the proposed approach was carried out on a dynamic model of the power system. Analysis of the results confirmed a decrease in the efficiency of LFC when considering the specific operational characteristics of boiler equipment and the use of a PI-controller in the AGC: the regulation time increased by 17%, and the overshoot increased by 3%. The application of the developed controller based on the MPC method reduced the regulation time by 42% and decreased the maximum overload in one of the controlled interconnections by 56% compared to the PI-controller. Analysis of the conducted research confirms the efficiency of the proposed approach with the involvement of TPP units in the secondary LFC of the power system. Recommendations were formulated in order to improve the efficiency of AGC operation by taking into account the specific operational characteristics of boiler equipment in TPPs while involving them in LFC processes in the power system. Practical significance of the work is based on the development of LFC approach that accounts for the specific operational characteristics of boiler equipment in generating units. The application of the proposed approach enhances the efficiency of LFC under both interconnected and isolated operation of the power system. Results of the conducted research enabled the formulation of AGC requirements and the involvement of TPPs in secondary control with acceptable performance characteristics. Separate parts of research results of were included in already published manuscripts: "Scientific foundations, approaches, and methods for reducing the impact of low-frequency power oscillations on the operation modes of the Integrated power system" (Project No. DR 0114U002532, 2014–2016), "Investigation of primary LFC and damping of low-frequency power oscillations in the IPS of Ukraine" (Contract No. 469, 2015; Customer: NPC "Ukrenergo", Project No. DR-469, 2015–2018), "Methods and means of optimal control of hydropower units, thermal power plant units, and RES units under frequency and power flow variations in the Integrated Power System" (Project No. DR 0117U004260, 2017–2019). Results were implemented in teaching courses “Automatic Control Theory” and “Automatic Control in Power Systems”, as well as in the execution of qualification and research projects on graduate program of the Department of Power Systems Automation, Faculty of Electrical Power Engineering and Automation in the National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”.
dc.format.extent185 с.
dc.identifier.citationГулий, В. С. Методи та засоби підвищення ефективності вторинного регулювання частоти та потужності в енергосистемі із залученням енергоблоків теплових електричних станцій : дис. … канд. техн. наук : 05.14.02 Електричні станції, мережі і системи / Гулий Володимир Сергійович. - Київ, 2026. - 185 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/79988
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectрегулювання частоти та потужності
dc.subjectобмеження перетоку потужності
dc.subjectметод прогнозуючих моделей
dc.subjectкотельне обладнання
dc.subjectтеплова електрична станція
dc.subjectоптимальне керування
dc.subjectсистема автоматичного регулювання частоти та потужності
dc.subjectенергосистема
dc.subjectload frequency control
dc.subjectpower flow constraints
dc.subjectmodel predictive control
dc.subjectboiler equipment
dc.subjectthermal power plant
dc.subjectoptimal control
dc.subjectautomatic generation control
dc.subjectpower system
dc.subject.udc621.311.22
dc.titleМетоди та засоби підвищення ефективності вторинного регулювання частоти та потужності в енергосистемі із залученням енергоблоків теплових електричних станцій
dc.title.alternativeMethods and means of increasing the efficiency of secondary load frequency control in the power system involving thermal power plant units
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Hulyi_dys.pdf
Розмір:
8.57 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (АЕ)
Дисертації (вільний доступ)