Введение к работе
Актуальность работы
Увеличение спроса на автономные источники электроэнергии послужило причиной начала серийного производства генераторных установок малой мощности (до 20 кВт). Наибольшее распространение получили бензо- и дизель-генераторные установки, работающие на органическом топливе. Кроме того, ряд зарубежных и отечественных организаций выпускают гидро- и ветроэнергетические установки, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).
Нестабильность показателей качества электроэнергии является существенной проблемой для всех типов генераторных установок, работающих с переменной нагрузкой. Особенно остро эта проблема стоит в установках на базе ВИЭ, в которых наряду с изменением нагрузки свойственно изменение скорости вращения первичного преобразователя энергии.
Анализ опыта проектирования и производства генераторных установок указывает на разнообразие зарекомендовавших себя на практике схемотехнических решений, которые в той или иной мере способны обеспечить нормированные показатели качества электроэнергии при определенных энергетических характеристиках. Наиболее перспективными в этом отношении считаются установки на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие наилучшие эксплуатационные характеристики. Стабилизация показателей качества электроэнергии в таких установках обеспечивается силовыми электронными преобразователями и цифровой системой регулирования. При этом влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии изучены недостаточно хорошо.
В связи с этим разработка методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии, разработка соответствующего оборудования для исследования генераторных установок, а также проведение этих исследований является весьма актуальной задачей.
Работа выполнена в рамках основного научного направления ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».
Цель и задачи работы
Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования влияния импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.
Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:
-
Разработать аналитическое описание электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки;
-
Создать математическую модель для исследования режимов работы генераторной установки;
-
Провести моделирование режимов работы генераторной установки, исследовать влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дать количественную оценку показателей качества электроэнергии;
-
Выполнить экспериментальные исследования генераторной установки малой мощности для подтверждения достоверности основных положений диссертации;
-
Разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.
Методы исследования
Исследования проводились с помощью уравнений математической физики, теории автоматического управления и методов теории электромеханического преобразования энергии. Инструментом для моделирования выбран пакет прикладных программ MATLAB, представляющий собой универсальное средство для технических вычислений. Достоверность основных положений диссертации подтверждается сравнением результатов моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна
-
Разработано уточненное математическое описание первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.
-
Получена математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.
3. Создана математическая модель цифровой системы регули
рования генераторной установки, закон управления в которой опре
деляется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скоро
сти генератора.
4. Предложены основы методики количественной оценки
энергетических характеристик и показателей качества электроэнер
гии генераторной установки с импульсной системой стабилизации.
Практическая значимость работы
-
Разработана математическая модель для исследования режимов работы генераторной установки.
-
Предложен комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторной установки малой мощности.
-
Получены энергетические и динамические характеристики, а также показатели качества электроэнергии генераторной установки малой мощности.
-
Выработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.
Реализация и внедрение результатов работы
Результаты диссертации получили внедрение в опытно-конструкторскую работу «Разработка электроустановки для опорно-поворотного устройства», выполненную в 2008 - 2010 гг. НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» для ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также в проектные работы ЗАО «Электроагрегат» (г. Воронеж). Основные результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры электроэнергетики НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» (г. Воронеж) при подготовке инженеров по специальности 140205 «Электроэнергетические системы и сети».
Внедрение результатов диссертации в производство, в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами, а также благодарностью от правительства Воронежской области, подписанной губернатором А. В. Гордеевым.
Апробация работы
Диссертация обсуждалась и получила одобрение на семинарах кафедры робототехнических систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».
Основные положения диссертации рассматривались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009); Международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2008, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View технологии National Instruments» (Москва, 2009); Международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж, 2010); Региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2010) и «Технологической конференции MATLAB и Simulink 2010» (Москва, 2010). Экспериментальная установка принимала участие в «XVIII областном конкурсе на соискание премий в области науки и образования для ученых высших учебных заведений и научных организаций» (Воронеж, 2009).
Публикации
По теме диссертации опубликовано в 13 научных работах, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - математическая модель поперечной турбины микроГЭС в среде имитационного моделирования Simulink; [4] - математическая модель системы управления двигателем постоянного тока в пакете прикладных программ MATLAB, позволяющая формировать механические характеристики гидротурбины, ветротурбины, ДВС; [5] - математическая модель системы стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения гиро-аккумулирующего модуля; [6, 8] - математическая и физическая модели микроГЭС, [10] - аппаратная реализация силовой части лабораторной установки для исследования режимных параметров ВИЭ; [11] - математическая модель системы стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения электрогенерирующей установки; [12] - математическая модель генераторной установки с силовой электронной системой стабилизации показателей качества электроэнергии.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, содержит 102 рисунка и 43 таблицы.
