Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Особенности работы автономных энергосистем с резко-переменным характером нагрузки н пути повышения их технико-экономических показателей 10
1.1. Особенности работы автономных энергосистем с резкопе-ременным характером нагрузки 10
1.2. Обобщенная автономная энергосистема с резкопеременным характером нагрузки , 17
1.3. Накопители энергии в составе автономных энергосистем 20
1.4. Электромеханический накопитель энергии как эффективное средство повышения технико-экономических показателей энергосистем 27
1.5... Анализ способов управления мощностью ЭМН 30
1.6. Цель и задачи исследования диссертационной работы 38
Глава 2. Исследование переходных процессов в автономной энергосистеме плавучего крана 40
2.1. Разработка математической модели автономной энергосистемы 40
2.2. Экспериментальные исследования переходных процессов в энергосистеме плавучего крана Ганц 16-30 с неуправляемым ЭМН 49
2.3. Расчет переходных процессов в энергосистеме плавучего крана и сопоставление расчетных осциллограмм с экспериментальными 58
2.4. Определение границ эффективного использования неуправляемого ЭМН в составе энергосистемы плавучего крана 63
2.5. Выводы по второй главе 71
Глава 3. Разработка алгоритма и системы автоматического управления ЭМН для автономной энергосистемы 73
3.1. Задачи разработки системы автоматического управления ЭМН МДП. Структурная схема МДП 73
3.2. Разработка системы автоматического управления активной мощности ЭМН 82
3.2.1. Режимы работы ЭМН в составе автономной энергосистемы 82
3.2.2. Алгоритм управления активной мощностью ЭМН .87
3.2.3. Синтез регуляторов САУ активной мощности 99
3.2.4. Структурная схема САУ активной мощности 106
3.3. Система автоматического управления реактивной мощности ЭМН МДП 115
3.3.1. Режим работы ЭМН МДП при управлении реактивной мощностью 116
3.3.2. Передаточные функции регуляторов САУ реактивной мощности 117
3.3.3. Структурная схема САУ реактивной мощности ЭМН МДП 118
3.4. Выводы по третьей главе 119
Глава 4. Исследование СЛУ ЭМН, работающего в автономной энергосистеме 121
4.1. Особенности работы управляемого ЭМН 122
4.2. Режим стабилизации активной мощности 128
4.3. Перераспределение активной мощности между дизель- генератором и ЭМН 141
4.4. Режим демпфирования активной мощности 147
4.5. Исследование работы управляемого ЭМН в составе автономной энергосистемы плавучего крана 155
4.5.1 Приближенная методика определения энергоемкости ЭМН 155
4.5.2 Расчет переходных процессов в автономной энерго системе плавучего крана Ганц 16-30 с управляемым ЭМН 159
4.6. Выводы по четвертой главе 168
Заключение 169
Список литературы 172
- Обобщенная автономная энергосистема с резкопеременным характером нагрузки
- Экспериментальные исследования переходных процессов в энергосистеме плавучего крана Ганц 16-30 с неуправляемым ЭМН
- Режимы работы ЭМН в составе автономной энергосистемы
- Расчет переходных процессов в автономной энерго системе плавучего крана Ганц 16-30 с управляемым ЭМН
Введение к работе
С каждым годом проблема экономии энергоресурсов становится все острее. На этом фоне вопросы оптимизации состава, мощности и режимов работы электростанций и, в первую очередь для автономных энергосистем, весьма актуальны. Для автономных энергосистем характерны следующие особенности работы: мощность отдельных потребителей соизмерима с мощностью электростанции, в связи с чем, требования к качеству электроэнергии в автономных энергосистемах существенно ниже, чем для "больших" энергосистем.
Технологические особенности функционирования некоторых автономных энергосистем не позволяют (без применения дополнительных средств) выбирать мощность генераторных агрегатов электростанций и оптимизировать режимы их работы, исходя из критерия минимизации капитальных затрат и эксплуатационных расходов. К таким автономным энергосистемам, прежде всего, следует отнести энергосистемы судов технического флота (плавучие краны и штанговые земснаряды) и горнодобывающих машин (одноковшовые карьерные экскаваторы), характерной особенностью работы которых является резко переменный график нагрузки.
Например, в энергосистеме плавучего крана частота забросов и сбросов нагрузки, соизмеримой по мощности с мощностью энергосистемы, достигает 300 и более раз в час. При этом время использования максимальной мощности составляет не более 5 % времени технологического (рабочего) цикла.
Как известно, двигатели внутреннего сгорания имеют небольшую перегрузочную способность. Поэтому для поддержания в переходных режимах частоты вращения дизель генератора в пределах установленных Правилами Речного Регистра его мощность выбирают, исходя из максимального ее значения. Вследствие этого средне цикловая нагрузка дизель генераторов плавучих кранов не превышает 30-40 % от их номинальной мощности и большую часть времени они работают на долевых нагрузках. Следствиями таких условий работы являются: значительное (более чем наполовину) недоиспользование установленной мощности генераторных агрегатов;
• повышенный фактический удельный расход топлива, более чем в 1,5 раза превышающий номинальное значение;
• дополнительный перерасход топлива и увеличение количества вредных выбросов в атмосферу из-за нестационарности режима;
• ограничения в применении дизелей с турбо наддувом;
• снижение качества электроэнергии в переходных режимах, что, в свою очередь, снижает производительность работы технологических механизмов, надежность и ресурс работы электрооборудования и ведет к повышению эксплуатационных расходов на обслуживание энергоустановки в целом.
Очевидно, что все эти обстоятельства крайне неблагоприятно отражаются на эффективности эксплуатации подобных объектов и стоимости производимых ими работ.
Одним из способов, позволяющих кардинально улучшить технико-экономические характеристики таких энергосистем и устранить все вышеперечисленные негативные моменты, обусловленные резко переменным характером нагрузки, является стабилизация нагрузочной диаграммы на среднем (за время рабочего цикла) уровне при включении в состав энергосистемы накопителя энергии.
Проблема создания накопителя для автономных энергосистем с резко переменным характером нагрузки привлекает внимание многих исследователей на протяжении вот уже нескольких десятков лет. В частности, работы по созданию накопителей для энергосистем плавучих кранов проводили Моргунов В.Н., Толшин В.И. Чернышевский Н.В., Шаров О.А., Шумков Е.Б. и др. Для решения этой задачи предлагались различные варианты накопителей энергии, однако, ни один из предложенных до настоящего времени вариантов накопителей не получил широкого практического применения. Основные недостатки, присущие в различной степени предлагаемым вариантам, сводятся к следующим: низкий к.п.д.; сложность конструкции, требующая существенной переделки элементов судна; недостаточное быстродействие; отсутствие возможности управления мощностью накопителя; низкий коэффициент использования запасенной энергии и др.
Таким образом, до настоящего времени значительный резерв для повышения технико-экономических показателей автономных энергосистем с резкопеременным характером нагрузки остается неиспользованным. В настоящей работе разрабатываются и исследуются пути решения этой важной и актуальной научно-технической задачи.
Одним из самых перспективных типов накопителей для автономных энергосистем является электромеханический накопитель кинетической энергии (ЭМН). ЭМН обладает рядом достоинств по сравнению с другими типами накопителей: высокие технические характеристики и относительная простота практической реализации. Вопросами разработки и исследования ЭМН для различных научно-технических областей занимались Бородина И.В., Будник B.C., Вейнгер A.M., Виницкий А.Л., Гулиа Н.В., Западинский А.Л., Кашарский Э.Г., Манн Э.Г., Серов В.И.,.Фиясь И.П. и др. Обзор, сделанный на основании литературных источников, показал, что несмотря на широкое распространение ЭМН, его применение для поставленной задачи сдерживается во многом из-за отсутствия алгоритма и системы автоматического управления, являющихся основой его эффективной работы в составе автономной энергосистемы с резкопеременным характером нагрузки. Сравнительный анализ различных способов управления мощностью ЭМН позволил выбрать наиболее перспективные схемные решения. Для отработки алгоритма управления и исследования работы накопителя в составе энергосистемы разработана математическая модель автономной энергосистемы с ЭМН, учитывающая взаимное влияние в переходных процессах приводного двигателя, генератора, регуляторов скорости и напряжения, накопителя и нагрузки. Достоверность математической модели подтверждена натурным экспериментом.
Анализ результатов экспериментов на плавучем кране позволил определить требуемые режимы работы накопителя в составе автономной энергосистемы. Исходя из физических аспектов работы ЭМН и режимов его работы в составе автономной энергосистемы, был разработан универсальный алгоритм управления накопителем, учитывающий наиболее вероятный тяжелый нагрузочный режим работы, требования к качеству переходных процессов энергосистемы, и включающий следующие основные режимы - хранение, стабилизация, демпфирование, "разгрузка" и "подзарядка". Полученный алгоритм управления в сочетании с принципами подчиненного регулирования легли в основу синтеза структуры системы автоматического управления накопителя в составе автономной энергосистемы.
Исследования основных режимов работы накопителя использованы для разработки рекомендаций по выбору и настройке основных параметров системы автоматического управления, обеспечивающих требуемое качество переходных процессов в энергосистеме. Предложена методика определения энергоемкости накопителя, требуемая для стабилизации резко переменного графика нагрузки на средне цикловом уровне.
Результаты работы используются для создания современных высокоэкономичных энергоустановок для автономных энергосистем с резко переменным характером нагрузки.
Обобщенная автономная энергосистема с резкопеременным характером нагрузки
Однако, в условиях резкопеременной нагрузки эффективность турбокомпрессора заметно снижается, а в некоторых режимах удельный расход топлива двигателя, оборудованного турбокомпрессором, ниже удельного расхода топлива этого же двигателя, но без турбонаддува [11]. Экспериментальная проверка работоспособности дизеля с турбонаддувом на плавучем кране показала, что удельный расход топлива в 1,2-1,5 раза выше соответствующего расхода по стендовой характеристике [1]. При набросе нагрузки из-за большой инерционности турбокомпрессора происходит запаздывание подачи воздуха в цилиндры. Из-за этого не хватает воздуха для полного сгорания топлива, что является причиной увеличения расхода топлива и задымленности выхлопных газов. Также снижается приемистость дизеля, т.е. способность дизеля принимать нагрузку, не снижая при этом обороты ниже значения установленного Российским Речным Регистром, и увеличивается время переходного процесса регулирования частоты вращения. По этой причине установлены ограничения мгновенного наброса нагрузки в зависимости от степени наддува дизелей [6].
Можно сделать вывод, что резкопеременный график нагрузки в автономной энергосистеме приводит к следующим негативным последствиям: завышение проектной мощности дизель-генераторного агрегата относительно среднецикловой; повышенный удельный расход топлива вследствие работы дизеля в течении, практически всего времени рабочего цикла, на долевых нагрузках; дополнительный перерасход топлива от нестационарности режима; отклонения частоты и напряжения на шинах генератора; снижение производительности работы технологических механизмов. Так, например, снижение частоты приводит, в конечном счете, к уменьшению производительности крана на 3 невозможность применения в таких энергосистемах более экономичных дизелей с наддувом; снижение надежности и срока службы электрооборудования и энергоустановки в целом; повышенные затраты на обслуживание энергоустановки. Очевидно, что все эти обстоятельства крайне неблагоприятно отражаются на эффективности работы судов технического флота и стоимости производимых ими работ. Значительным резервом для повышения технико-экономических показателей таких энергосистем является возможность стабилизации нагрузочной диаграммы на среднецикловом уровне и снижение вследствие этого проектной мощности дизель-генератора за счет включения в состав энергосистемы накопителей энергии. Анализ работы судовых автономных энергосистем с резкопере-менным графиком нагрузки (плавучего крана и штангового земснаряда) позволяет сформулировать следующие основные требования к накопителю для решения поставленной задачи (стабилизации резко-переменного графика нагрузки): возможность генерировать и потреблять активную мощность, соизмеримую с мощностью переменной составляющей графика нагрузки; возможность управления процессом генерирования и потребления активной мощности; энергоемкость накопителя должна быть достаточной для поддержания на шинах генератора, в течении времени рабочего цикла, среднециклового значения активной мощности, и ее величина должна быть порядка 2 МДж; быстродействие накопителя должно быть соизмеримо со скоростью протекания электромагнитных процессов в энергосистеме. 1.2 Обобщенная автономная энергосистема с резкопеременным характером нагрузки Рассмотренные в разделе 1Л энергосистемы плавучего крана и штангового земснаряда являются частными случаями автономной энергосистемы с резкопеременным характером нагрузки. В связи с этим целесообразно ввести понятие обобщенной автономной энергосистемы (ОАЭС) с резкопеременным характером нагрузки (рис. 1.4). ОАЭС имеет следующие основные особенности: 1. Наличие в ее составе потребителей, по мощности соизмеримых с мощностью дизель-генератора; 2. Резкопеременный режим работы потребителей (в частном случае - циклический), по мощности соизмеримых с мощностью электростанции. Причем в зависимости от типа потребителей, в достаточно широких пределах может изменяться как активная мощность, так и реактивная; 3. Среднее значение активной мощности существенно меньше номинальной мощности дизель-генераторного агрегата. Различия между частными случаями ОАЭС могут заключаться в следующем: в номинальной мощности энергоустановки и потребителей; в характере нагрузки (costp); в продолжительности рабочего цикла; в гармоническом составе нагрузочной диаграммы. Эти различия в основном имеют значение при выборе и оптимизации параметров накопителя и не учитываются при разработке алгоритма управления накопителем. При описании процессов в ОАЭС с накопителем энергии потребуется ряд специфических терминов, определения наиболее часто встречающихся из них приведены ниже: рабочий цикл - заданная последовательность технологических операций, совершаемых рабочим(ми) органом(ами); время рабочего цикла (Тц, с) — время, за которое объект выполняет заданную последовательность технологических операций, и по окончании которого объект либо прекращает работу, либо происходит повторение рабочего цикла; "спокойная" нагрузка (Pco„st, кВт; QCOnst» кВА) - потребители энергии, мощность которых во время рабочего цикла можно считать постоянной; резкопеременная нагрузка (Pvar, кВт; Qvar, кВА) - потребители (соизмеримые по мощности с мощностью всей энергосистемы), мощность которых во время рабочего цикла изменяется в широких пределах; среднецикловая активная мощность (Рср кВт) - среднее значение активной мощности генератора за время рабочего цикла; величина задания по активной мощности (Регз, кВт) - активная мощность, которую накопитель, работающий в составе энерго- системы, должен поддерживать на шинах генератора в течении времени рабочего цикла; величина задания по реактивной мощности (Qcr 3, кВА) - значение реактивной мощности, которую накопитель (или управляемый источник реактивной мощности) должен поддерживать на шинах генератора. 1.3 Накопители энергии в составе автономных энергосистем В нашей стране достаточно давно обратили внимание на проблему повышения технико-экономических показателей судовых автономных энергосистем с резкопеременным графиком нагрузки путем использования в их составе накопителей энергии [9, 12, 13, 14, 15]. Однако, об успешном решении этой проблемы говорить пока не приходится. Ни один из предложенных вариантов накопителей по разным причинам не получил широкого применения. Так, сотрудниками Волжской Государственной Академии Водного Транспорта был разработан, а также испытан в составе энергетической установки плавучего крана КПЛ 5-30 газогидравлический накопитель энергии [9]. Схема газогидравлического накопителя энергии в составе энергоустановки плавучего крана представлена на рис. 1.5.
Экспериментальные исследования переходных процессов в энергосистеме плавучего крана Ганц 16-30 с неуправляемым ЭМН
Этот эффект можно объяснить двумя обстоятельствами: во-первых, очевидно, что AM большей мощности позволяет генерировать в энергосистему, по сравнению с AM меньшей мощности, большее по величине значение активной мощности. Поэтому за одинаковый промежуток времени, при одинаковых моментах инерции, ЭМН большей мощности отдает в сеть большее количество энергии, и, следовательно, угловая скорость вращения его ротора должна снижаться быстрее. Поэтому величина максимального скольжения с ростом мощности ЭМН уменьшается; во-вторых, при увеличении мощности, генерируемой накопителем, уменьшается мощность генератора (так как Рсг = Ркр ± Рэмн» где знак "-"соответствует генераторному режиму работы ЭМН, а знак "+" - двигательному), что ведет к снижению провала частоты сети при набросе нагрузки. В СВОЮ Очередь, Снижение и, как следствие, к снижению Р .
Из зависимостей, приведенных на рис.2.9 (Afmax=f(J)), следует,, что до определенной величины момента инерции (примерно до 80 кг-м2) максимальный провал частоты для различных мощностей ЭМН практически одинаковый. Это объясняется особенностью формы участка нагрузочной диаграммы (рис. 2.8) на котором основной бросок.мощности (в первый момент времени) соответствует пусковому току при включении электродвигателя в сеть, а три последующих (меньших по амплитуде) - току переключений, при выведении пусковых сопротивлений из роторной цепи электродвигателя механизма подъема. Поэтому, как хорошо видно на рис. 2.8, до опреде-ленного значения момента инерции (80 кг-м ), энергии маховика достаточно лишь для демпфирования первого броска мощности. После этого частота вращения ротора ЭМН снижается (до уровня под-синхронной частоты вращения) и накопитель не в состоянии ощутимо демпфировать второй бросок мощности. Поэтому максимальный провал частоты сети, соответствующий моменту выведения первой ступени пусковых резисторов, для ЭМН различной мощности практически одинаковый.
Анализируя приведенные на рис. 2.9 зависимости, можно заметить, что для всех мощностей ЭМН, после определенной величины момента инерции (J-80 кг-м2), наступает значительное замедление прироста фиксируемых показателей (Р , Afmax и smax). Прежде чем дать объяснение этой особенности уточним следующие термины: 1) динамический режим - этому режиму соответствуют участки нагрузочной диаграммы в период разгона кранового электродвигателя до номинальной частоты вращения или отключение его от сети. В динамическом режиме мощность крановых электродвигателей и, как следствие, частота сети, не остаются постоянными; 2) установившейся режим - в этом режиме крановые электродвигатели работают с неизменной частотой вращения и потребляемая им мощность не. изменяется. В этом режиме величина отклонения частоты сети пропорциональна величине нагрузки и етатизму регулятора скорости дизель-генератора. Анализ результатов расчетов показывает, что снижение прироста фиксируемых показателей соответствует началу компенсации накопителем мощности генератора в установившемся режиме. Т.е. можно сказать, что эта величина момента инерции (разумеется для конкретного рассматриваемого случая) является границей по использованию ЭМН в динамическом режиме, так как при дальнейшем увеличении момента инерции запасенная в маховике энергия начинает расходоваться на компенсацию мощности в установившемся режиме. В динамическом режиме отклонения частоты сети сами являлись причиной перехода ЭМН в генераторный режим. В установившемся же режиме частота сети постоянна, и для работы накопителя в генераторном режиме необходим такой момент инерции, при котором частота вращения его ротора, после завершения переходного процесса (динамического режима), превышала бы синхронную частоту (т.е. частоту сети). Как следует из принципа работы неуправляемого ЭМН величина генерируемой (или потребляемой) им мощности зависит от скольжения (рис. 2.9). Т.е. для генерирования (или потребления) накопителем активной мощности постоянной величины (для стабилизации рассматриваемого участка нагрузочной диаграммы на уровне соответствующем среднецикловому значению мощности) скольжение, а следовательно, и частота вращения ротора ЭМН должны оставаться неизменными. В этом случае величина момента инерции ЭМН должна стремится к бесконечности, а коэффициент использования запасенной в маховике кинетической энергии — к нулю. Несмотря на то, что на практике выполнение условия P3MH=const (для неуправляемого ЭМН) неосуществимо, сказанное выше, свидетельствует о нецелесообразности использования неуправляемого ЭМН для стабилизации графика в установившемся режиме. Анализ работы неуправляемого ЭМН позволяет сделать следующие выводы: использовать неуправляемый ЭМН для стабилизации нагрузочной диаграммы на среднецикловом уровне, из-за необходимости значительного увеличения момента инерции маховика при одновременном снижении коэффициента использования запасенной в нем энергии, нецелесообразно; наибольший эффект от применения неуправляемого ЭМН может быть получен при использовании последнего для демпфирования колебаний активной мощности в динамическом режиме и, как следствие, стабилизации отклонений частоты сети в рамках установленных ПРРР. В этом случае появляется возможность снизить мощность дизель-генераторной установки до уровня максимальной нагрузки в установившемся режиме; увеличение мощности AM в составе неуправляемого ЭМН ведет к недоиспользованию по мощности накопителя в целом, что свидетельствует о необходимости создания методики оптимизации его параметров. На основании этих выводов можно дать следующие практические рекомендации по проектированию энергоустановок плавучих кранов уменьшенной (относительно установленной) мощности с неуправляемым ЭМН: 1. на первом этапе, исходя из наиболее вероятного тяжелого режима (максимальный вес груза, максимальный вылет стрелы, максимальное значение статической нагрузки и т.п.) произвести расчет участка нагрузочной диаграммы соответствующего совмещению операций подъема и поворота для всех типов плавучих кранов, находящихся в эксплуатации; 2. на втором этапе, необходимо, исходя из полученных расчетных нагрузочных диаграмм и номенклатурного ряда выпускаемых дизель-генераторных агрегатов, оценить возможность снижения мощности штатных энергоустановок плавучих кранов до .уровня активной мощности (по расчетной нагрузочной диаграмме) в установившемся режиме.
Режимы работы ЭМН в составе автономной энергосистемы
Условия работы, характер нагрузки и требования к качеству электроэнергии для различных автономных энергосистем могут заметно различаться. Поэтому разработку САУ накопителя целесообразно произвести, исходя из наиболее тяжелых условий работы и жестких требований к качеству электроэнергии, которые заключаются в следующем: необходимость стабилизации активной мощности генератора (в течении времени рабочего цикла) на среднецикловом уровне; "спокойная" нагрузка (т.е. нагрузка, которую можно считать постоянной в течении времени рабочего цикла) может достигать значительной величины в общем энергобалансе, и изменения ее режима работы (при отключенной резкопеременной нагрузке) могут, вызывать существенные отклонения частоты сети; показатели качества переходного процесса по частоте сети должны быть не ниже, чем для САРЧ первого класса точности, а именно: максимальное отклонение частоты не более 5% при длительности переходного процесса не более 2 с. Анализ нагрузочной диаграммы плавучего крана, как частного случая ОАЭС, учет возможных условий работы и требований к показателям качества переходного процесса по частоте сети позволяют определить режимы работы ЭМН при управлении активной мощностью в составе ОАЭС: 1. Разгон ЭМН до заданной угловой скорости вращения. Заданная угловая скорость вращения определяется, исходя из допустимого диапазона регулирования, который, в свою очередь, зависит от схемы ЭМН и требуемой энергоемкости. Разгон (запуск) ЭМН не является рабочим режимом накопителя, его следует считать подготовительной операцией; 2. Режим хранения запасенной энергии. Хранение запасенной энергии заключается в поддержании угловой скорости вращения маховика, а следовательно, и количества запасенной в нем кинетической энергии, на заданном уровне; 3. Режим демпфирования, В этом режиме накопитель способствует снижению скорости изменения ("сглаживает") активной мощности генератора при изменении режима работы "спокойной" нагрузки и, как следствие, улучшает показатели качества переходного процесса по частоте сети. Другими словами, режим демпфирования заключается в следующем: на первом этапе, после изменения режима работы "спокойной" нагрузки, накопитель компенсирует всю разницу между активной мощностью генератора в новом и предшествовавшем ему нагрузочном режимах; на втором этапе, накопитель плавно передает скомпенсированную им (в первым момент времени) мощность дизель-генератору. При этом скорость перераспределения активной мощности между накопителем и генератором в режиме демпфирования должна зависеть от настройки САУ; 4. Режим стабилизации активной мощности генератора на среднецикловои уровне. В этом режиме накопитель поддерживает (стабилизирует) активную мощность генератора на уровне задания, ко торое соответствует расчетному значению его среднецикловои активной мощности. В этом режиме накопитель всегда компенсирует разницу между фактическим значением активной мощности всей нагрузки и мощностью, соответствующей величине задания. Таким образом, в режиме стабилизации происходит непрерывный обмен активной мощностью между накопителем и энергосистемой. 5. Режим "разгрузки" накопителя по активной мощности. Необходимость в "разгрузке" накопителя появляется при его работе в режиме стабилизации, когда фактическая среднецикловая активная мощность меньше значения расчетной среднецикловои мощности (т.е. величины задания по активной мощности), которая должна соответствовать наиболее вероятному тяжелому нагрузочному режиму энергосистемы. В этом случае количество энергии потребляемой накопителем за время рабочего цикла будет больше, чем количество энергии возвращенной им в энергосистему. Угловая скорость вращения маховика при этом будет увеличиваться и для ее ограничения (до определенного критического значения) необходимо снижать величину сигнала задания до уровня, соответствующего фактическому значению активной мощности нагрузки; Режим "подзарядки" накопителя по активной мощности. Не обходимость в "подзарядке" накопителя появляется при его работе в режиме стабилизации, когда фактическая среднецикловая активная мощность больше расчетного значения среднецикловой мощности (т.е. величины задания по активной мощности). В этом случае коли чество энергии потребляемой накопителем за время рабочего цикла будет меньше, чем количество энергии возвращенной им в энерго систему. Угловая скорость вращения маховика при этом будет сни жаться.. Для восстановления баланса обменной мощности и предот вращения снижения угловой скорости вращения маховика (ниже оп ределенного критического значения) необходимо увеличить величи ну задания до уровня потолочного значения (110 % от номинальной мощности дизеля). В качестве альтернативной меры может быть применено автоматическое (по сигналу накопителя) отключение ме нее ответственных потребителей (на время работы накопителя в ре жиме стабилизации). Этот режим следует рассматривать как нестан дартную (маловероятную) ситуацию, так как энергоемкость накопи теля должна быть рассчитана, исходя из возможности стабилизации расчетного графика нагрузки (соответствующего наиболее вероят ным тяжелым условиям работы) на среднецикловом уровне; 7. Остановка и торможение. Эта подготовительная операция предполагает рекуперативное торможение (возможен также вариант свободного выбега) и отключение накопителя от сети непосредст венно перед остановкой дизель-генераторного агрегата, т.е. перед прекращением работы объекта.
Расчет переходных процессов в автономной энерго системе плавучего крана Ганц 16-30 с управляемым ЭМН
Полученные рекомендации по выбора коэффициентов демпфирования регуляторов (активной мощности и частоты сети) в зависимости от диапазона изменения угловой скорости вращения маховика в режиме стабилизации, позволяющая обеспечить оптимальное качество переходных процессов в ОАЭС;
Получены зависимости, дающие количественную оценку показателей качества переходного процесса по частоте сети в ОАЭС (в режиме стабилизации) и, при наличии к ним требований» позволяющие определять все необходимые настроечные параметры САУ для режимов перераспределения и демпфирования;
Определен критерий и получены рекомендации по выбору и настройке параметров САУ в режиме демпфирования, учитывающие взаимное влияние в переходных процессах PC и РЧ;
Предложена методика расчета энергоемкости ЭМН, требуемой для стабилизации активной мощности резкопеременного графика нагрузки на среднецикловом уровне;
Произведена проверка (на математической модели) работоспособности ЭМН в составе автономной энергосистемы. Проверка показала эффективность разработанного алгоритма управления и предложенных рекомендаций по выбору параметров САУ, позволяющих существенно повысить технико-экономические показатели энергосистемы плавучего крана. 1. Анализ работы автономных энергосистем с резкопеременным характером нагрузки показал, что значительным резервом, позволяющим кардинально улучшить технико-экономические характеристики, является стабилизация графика нагрузки на среднем уровне при использовании в их составе накопителей энергии. Сравнительный анализ показал, что одним из наиболее перспективных типов накопителей, отвечающим необходимым требованиям для автономных энергосистем, является электромеханический накопитель энергии, а из схем позволяющих управлять его мощностью: машина двойного питания, вентильный двигатель и частотно-управляемая асинхронная машина. При этом, его применение в автономных энергосистемах для стабилизации резкопеременного графика нагрузки ограничено в основном из-за отсутствия эффективного алгоритма управления; 2. Разработана математическая модель автономной энергосистемы, учитывающая взаимное влияние приводного двигателя, синхронного генератора, автоматических регуляторов скорости и возбуждения, асинхронной нагрузки и электромеханического накопителя с системой автоматического управления. Достоверность разработанной математической модели подтверждена натурным экспериментом; 3. Определены границы наиболее эффективного использования неуправляемого ЭМН в составе автономной энергосистемы плавучего крана, а именно: демпфирование колебаний активной мощности генератора в динамическом режиме и, как следствие, стабилизация отклонений частоты сети в рамках, установленных Правилами Речного Регистра, что позволяет снизить установленную мощность дизель-генератора до уровня соответствующего активной мощности установившегося режима; 4. Разработан универсальный алгоритм управления электромеханическим накопителем в составе автономной энергосистемы с резкопе-ременных характером нагрузки; 5. Синтезирована адаптивная система автоматического управления электромеханического накопителя на базе машины двойного питания, позволяющая: стабилизировать активную мощность генератора на среднецикловом уровне; демпфировать колебания активной мощности генератора; стабилизировать частоту сети в процессе регулирования активной мощности; осуществлять перераспределение активной мощности между дизель-генератором и накопителем при переходе последнего из одного режима работы в другой; поддерживать (сохранять) запас кинетической энергии на заданном уровне; контролировать баланс обменной мощности между накопителем и энергосистемой и, в случае его нарушения, производить "разгрузку" или "подзарядку" накопителя; изменять параметры и структуру системы управления, в зависимости от режима работы накопителя; поддерживать требуемый cos p и напряжение на шинах ГРЩ; 6. На основании исследования разработанной системы автоматического управления сформулированы критерии оптимизации основных ее параметров и получены: рекомендации по настройке регуляторов активной мощности и частоты сети в зависимости от диапазона изменения угловой скорости вращения маховика в режиме стабилизации; зависимости, позволяющие при наличии требований к показателям качества переходных процессов по частоте сети производить выбор основных настроечных параметров сиcтемы автоматического управления для режимов демпфирования колебаний активной мощности и перераспределения активной мощности между накопителем и дизель-генератором; рекомендации по выбору и настройке системы автоматического управления накопителя в режиме демпфирования, учитывающие взаимное влияние в переходных процессах регуляторов скорости вращения маховика и частоты сети; методика определения энергоемкости накопителя, требуемой для стабилизации резкопеременного графика нагрузки на среднецикловом уровне, учитывающая режимы работы накопителя в составе энергосистемы и его к.п.д.Условия работы, характер нагрузки и требования к качеству электроэнергии для различных автономных энергосистем могут заметно различаться. Поэтому разработку САУ накопителя целесообразно произвести, исходя из наиболее тяжелых условий работы и жестких требований к качеству электроэнергии, которые заключаются в следующем: необходимость стабилизации активной мощности генератора (в течении времени рабочего цикла) на среднецикловом уровне; "спокойная" нагрузка (т.е. нагрузка, которую можно считать постоянной в течении времени рабочего цикла) может достигать значительной величины в общем энергобалансе, и изменения ее режима работы (при отключенной резкопеременной нагрузке) могут, вызывать существенные отклонения частоты сети; показатели качества переходного процесса по частоте сети должны быть не ниже, чем для САРЧ первого класса точности, а именно: максимальное отклонение частоты не более 5% при длительности переходного процесса не более 2 с. Анализ нагрузочной диаграммы плавучего крана, как частного случая ОАЭС, учет возможных условий работы и требований к показателям качества переходного процесса по частоте сети позволяют определить режимы работы ЭМН при управлении активной мощностью в составе ОАЭС.
