Содержание к диссертации
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА I: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ
СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ 15
1.1. Дифференциальные уравнения синхронного генератора в осях d, q 16
1.2. Уравнения автоматического регулятора напряжения 19
1.3. Дифференциальные уравнения асинхронного двигателя в осях d, q 26
1.4. Уравнение статической активно-индуктивной нагрузки 28
1.5. Уравнения автоматического регулятора частоты вращения первичных двигателей 29
1.6. Уравнения устройств автоматической подгонки частот синхронизируемых генераторов 36
1.7. Уравнения устройств автоматического распределения активной и реактивной нагрузок 37
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА II: РАЗРАБОТКА МАКРОМОДУЛЕЙ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА MATLAB - Simulink 42
2.1. Общие сведение по Simulink 42
2.2. Разработка макромодуля синхронного генератора 44
2.3. Разработка макромодуля автоматического регулятора напряжения 50
2.4. Разработка макромодуля автоматического регулятора частоты вращения дизели 50
2.5. Разработка макромодуля асинхронного двигателя 53
2.6. Разработка макромодуля статической нагрузки 58
2.7. Проверка правильности и способности применения получающихся макромодулей для исследования переходных процессов в СЭЭС 59
ГЛАВА Ш: АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ АВТОНОМНОГО ДИЗЕЛЬ - ГЕНЕРАТОРА В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ 66
Расчёт процессов короткого замыкания автономного дизель-генераторабб
3.1.1. Расчет короткого замыкания на шинах ГРЩ , 67
3.1.2. Расчет короткого замыкания автономного дизель-генератора с асинхронной и статической нагрузкой 70
3.1.3. Расчет токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с учетом сопротивления кабелей 73
3.1.4. Расчет токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с двумя распределенными щитами и при большим числе асинхронных двигателей нагрузки 74
3.2. Расчет процессов в аварийных режимах автономного дизель-генератора 78
3.2.1. Обрыв цепи обмотки возбуждения генератора 78
3.2.2. Обрыв цепи корректора напряжения в автоматическом регуляторе напряжения 79
3.2.3. Обрыв цепи гибкой обратной связи в системе автоматического регулирования напряжения 80
3.2.4. Перегрузка по активной и реактивной мощности генератора 81
3.2.4.1. Перегрузка по активной мощности 81
3.2.4.2. Перегрузка по реактивной мощности 82
3.3. Расчёт, с помощью разработанных макромодулей, процессов короткого замыкания асинхронных двигателей, отключённых от сети 83
Выводы по 3 главе 86
ГЛАВА IV: АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ 87
4.1. АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРА С БЕРЕГОВОЙ СЕТЬЮ 87
4.1.1. Математическое описание установки. Расчёт угловой характеристики при параллельной работе дизель-генератора с береговой сетью 88
4.1.2. Разработка макромодуля дизель-генератора, работающего параллельно с сетью. Расчёт ведётся по полным уравнениям 89
4.1.3. Обрыв цепи КН автоматического регулятора напряжения синхронного генератора при параллельной работе с береговой сетью... 92
4.1.4. Аварийное отключение контактора гашения поля синхронного генератора 93
4.1.5. Обрыв цепи ДАТ системы автоматической стабилизации активной нагрузки при параллельной работе СГ с сетью 95
4.1.6. Обрыв цепи ДРТ системы автоматической стабилизации реактивной нагрузки при параллельной работе СГ с сетью 96
4.1.7. Внезапное изменение напряжения и частоты береговой сети 97
4.2. АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ДИЗЕЛЬ- ГЕНЕРАТОРОВ 99
4.2.1. Структура физических взаимодействий при параллельной работе синхронных генераторов 101
4.2.2. Математическое описание установки. Расчёт угловой характеристики при параллельной работе дизель-генераторов друг с другом 103
4.2.3. Разработка модели судовой электростанции с двумя параллельно работающими дизель-генераторами с использованием разработанных макромодулей 105
4.2.4. Короткое замыкание при параллельной работе двух синхронных генераторов ПО
4.2.5. Обрыв цепи датчика реактивного тока системы распределения реактивной мощности при параллельной работе генераторов 111
4.2.6. Обрыв цепи датчика активного тока системы распределения активной нагрузки 112
4.2.7. Обрыв цепи КН автоматического регулятора напряжения одного из параллельно работающих синхронных генераторов 114
4.2.8. Обрыв цепи обмотки возбуждения одного из генераторов при параллельной работе 116
4.2.9. Аварийное отключение одного из генераторов от шин ГРЩ 117
4.2.10. Аварийное отсоединение рейки топливных насосов дизеля при параллельной работе синхронных генераторов 119
4.2.11. Разработка модели судовой электростанции с тремя параллельно дизель-генераторами І 20
Выводы по 4 главе 125
ГЛАВА V: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА И ЭКСПЕРИМЕНТА... 126
5.1. Описание экспериментальной установки 126
5.2. Эксперименты с коротким замыканием отключённых от городской сети и выбегающих асинхронных двигателей мощностью 200 кВт 128
5.3. Эксперименты для синхронного генератора типа МСК мощностью 500 кВт 129
5.3.1. Пуск асинхронного двигателя мощностью 200 кВт от генератора 500 кВт 129
5.3.2. Короткое замыкание генератора мощностью 500 кВт, предварительно нагруженного асинхронным двигателем 130
5.4. Эксперименты для синхронного генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт 131
5.4.1. Пуск асинхронного двигателя мощностью 200 кВт от генератора типа СБГ 1600 кВт 131
5.4.2. Короткое замыкание одиночного генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт 132
5.4.3. Короткое замыкание генератора СБГ мощностью 1600 кВт, предварительно нагруженного асинхронным двигателем , 132
5.5. Расчёты на ПЭВМ переходных процессов режимах короткого замыкания судовых синхронных генераторов 133
5.5.1. Расчёт процессов КЗ генератора типа МСК мощностью 500 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт с помощью математической модели 134
5.5.2. Расчёт процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт с помощью математической модели 135
5.5.4. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа МСК мощностью 500 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт 136
5.5.5. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт 137
5.5.6. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт без подпитки от АД. 138
5.6. Сравнение результатов расчёта токов короткого замыкания с помощью ПЭВМ и аналитического с данными экспериментальных исследований... 139
Выводы по V главе 140
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 141
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141
ПРИЛОЖЕНИЕ 150
Введение к работе
Актуальность работы. Судовая электроэнергетическая система - совокупность взаимосвязанных судовых источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств, соединительных кабелей и потребителей.
В судовой электростанции возможны следующие режимы работы:
1) Автономная работа с питанием асинхронной и статической нагрузки;
2) Параллельная работа генераторного агрегата с береговой сетью;
3) Параллельная работа генераторных агрегатов в составе судовой электростанции.
Переходные процессы в нормальном режиме автономной работы возникают при включении и отключении статической нагрузки, при пуске и реверсе асинхронных двигателей, в том числе соизмеримой мощности.
Аварийные режимы автономной работы возникают при случайном изменении схем распределения электроэнергии или конструкции устройств управления, при неправильных действиях обслуживающего персонала судовых электростанций. Например, короткие замыкания происходят при возникновении проводящих путей по поверхности изоляции между фазами. Напряжение генератора повышается при обрыве отрицательной обратной связи в системе автоматического регулирования напряжения (обрыве цепи корректора). Перегрузки по активной и реактивной мощности происходят при включении нагрузки генераторов сверх номинальной мощности, при аварии первичного двигателя одного из параллельно работающих генераторов, при заклинивании механизмов мощного асинхронного электропривода,
В нормальном режиме параллельной работы генераторного агрегата с береговой сетью необходимо рассчитывать процессы при синхронизации, при изменении уставки систем автоматического регулирования частоты вращения первичного двигателя генератора, при колебаниях напряжения и частоты сети.
Переходные процессы в нормальном режиме параллельной работы генераторного агрегата с береговой сетью возникают, например, при подгонке частоты перед синхронизацией, при включении генераторного агрегата на параллельную работу, при изменении уставки системы автоматической стабилизации активной или реактивной мощности.
Аварийные режимы возникают, главным образом, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при внезапном значительном изменении уставок системы стабилизации, при включении генераторного автомата с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений.
Переходные процессы в нормальном режиме параллельной работы генераторных агрегатов возникают при включении и отключении статической нагрузки, при пуске и реверсе асинхронных двигателей, в том числе соизмеримой мощности, при подгонке частот перед синхронизацией, при включении генераторных агрегатов на параллельную работу.
Аварийные режимы возникают, главным образом, при коротких замыканиях силовой цепи, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при синхроїшзации с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений и др.
Информация о характере аварийных режимов, о физических величинах, характеризующих соответствующие процессы, необходима для диагностики аварийных состояний судовой электроэнергетической системы, выбора уставок защиты, настройки автоматических систем.
Поэтому выбранная тема диссертационной работы: «Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы» актуальна.
Исследование переходных процессов в сложной системе машин и автоматических регуляторов потребовало совершенствования методики решения систем дифференциальных уравнений с использованием современных пакетов программ. До настоящего времени расчёт процессов в судовых ЭЭС при проек тировании проводится с помощью систем дифференциальных уравнений и методик, приведённых в официальных стандартах судостроительной промышленности СССР и затем Российской Федерации: ОСТ5.6030.72 и ОСТ5Р.6181-81. Дальнейшему совершенствованию методов расчёта процессов в СЭЭС может способствовать использование новых технических средств расчёта переходных процессов в виде пакета MATLAB-Simulink. (Simulink является приложением к пакету MATLAB).
В частности, возможно использование средств этого пакета для повышения точности учёта влияния асинхронной нагрузки при расчёте токов короткого замыкания. В действующей методике все асинхронные двигатели СЭЭС заменяются одним эквивалентным. Пакет Simulink позволяет более точно рассчит тывать токи подпитки от асинхронной нагрузки путём введения в расчётную схему нескольких групп двигателей с соответствующими сопротивлениями в цепях их статоров.
Однако, официального разрешения Главного Управления Регистра морского судоходства на применение пакетов типа Simulink не имеется. Одной из причин этого является отсутствие научных работ по использованию указанного пакета для расчётов при проектировании СЭЭС. В доступной соискателю литературе не удалось найти соответствующие работы.
Некоторые специалисты высказывают мнение, что с помощью готовых макромодулей электрических машин из библиотеки SimPowerSystems в Simulink можно создать математическую модель электроэнергетической системы. Исследования автора показали, что эта задача при настоящем состоянии теории и практики моделирования трудно разрешима по следующим причинам. 1. Использовать готовые макромодули из Simulink затруднительно, так как неизвестно, как они составлены, из каких уравнений, с какой степенью учета различных физических факторов. Не зная математического описания, готовые макромодули трудно соединять с другим электрооборудованием, чтобы получить математические модели сложных судовых электроэнергетических систем с параллельно работающими генераторными агрегатами, асинхронной и статической нагрузкой. Трудно, или даже невозможно изменять математическое описание библиотечных макромодулей Simulink для моделирования процессов в различных аварийных ситуациях.
2. Характер процессов в судовой электроэнергетической системе в большей степени определяется структурой и параметрами автоматических регуляторов, чем параметрами синхронных машин. Автоматические регуляторы частоты вращения первичных двигателей генераторов, напряжения генераторов, систем автоматического распределения активной и реактивной нагрузки, стабилизации режима параллельной работы с сетью существенно отличаются как структурой, так и конкретной реализацией в машинах разных фирм. Следовательно, макромодули регуляторов необходимо создавать для каждой конкретной системы отдельно с учётом конструкгивньтх и схемных особенностей машин, на которые регуляторы воздействуют.
3. До настоящего времени не удалось найти ни одной научной работы, в которой была бы реализована возможность математического моделирования судовой (или другой автономной) электростанции с помощью макромоделей синхронных генераторов из библиотеки Simulink. Необходимо учитывать, так же, что разные авторы дифференциальных уравнений синхронных машин пользуются разными вариантами выбора положительных направлений осей. При создании блоков преобразования переменных одной машины к осям координат другой эту особенность необходимо точно знать и учитывать при создании математической модели судовой электростанции.
Настоящая диссертационная работа направлена на решение перечисленных задач.
Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка макромодулей элементов судовых электроэнергетических систем, основанных на полных дифференциальных уравнениях согласно стандарту судостроительной промышленности Российской Федерации. Макромодули должны использоваться в виде отдельных блоков (синхронного генератора, первичных двигателей генераторов, автоматических регуляторов напряжения, частоты, активной и реактивной нагрузки, асинхронного двигателя и статической нагрузки) и позволять соединять блоки друг с другом, чтобы получить схемы для расчёта переходных процессов, менять структуру и параметры машин и регуляторов для реализации аварийных режимов судовой электроэнергетической системы.
С помощью разработанных макромодулей должны быть созданы модели систем и проведены исследования переходных и стационарных процессов в различных аварийных режимах.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:
1. Выбор, анализ и преобразование математического описания основных элементов СЭЭС для разработки макромодулей.
2. Разработка макромодулей отдельных видов электрооборудования судовых электроэнергетических систем, основанных на дифференциальных уравнениях, принятых для расчёта переходных процессов в судостроительной промышленности Российской Федерации согласно действующим стандартам.
3. Разработка, с использованием разработанных макромодулей, математических моделей системы параллельно работающих дизель-генераторов с автоматической стабилизацией и равномерным распределением реактивной и активной нагрузки Разработка алгоритмов расчета процессов с логическими переходами СЭЭС из режима в режим.
4. С помощью полученных макромодулей расчёт и моделирование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы.
5. С помощью полученных макромодулей расчёт и моделирование процессов подпитки точек короткого замыкания асинхронной нагрузкой с учётом параметров распределительной сети.
6. Экспериментальные исследования. Сравнение результатов расчёта с экспе риментом
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории режимов работы СЭЭС, теории стационарных и переходных режимов работы машин переменного тока, современных численных методах анализа и вычислительной техники в СЭЭС, математического моделирования, универсального программного пакета MATLAB-Simulink и языков C++ и Power BASIC. Экспериментальные исследования проводились на электротехническом стенде.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата теории машин переменного тока, экспериментальными исследованиями переходных процессов в системах натурных судовых машин большой мощности (500 и 1600 кВт).
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Разработка макромодулей судовой электроэнергетической системы.
2. Создание математических моделей судовой электроэнергетической системы с использованием разработанных макромодулей.
3. Алгоритмы расчет и моделирование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы.
Научная новизна работы:
1. Преобразование систем дифференциальных уравнений машин и автоматических регуляторов судовой электроэнергетической системы для создания макромодулей в среде MATLAB-Simulink.
2. Разработка методики математического моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием разработанных макромодулей электрооборудования в среде MATLAB-Simulink.
3. Разработка методики введения в математическую модель судовой электростанции в среде MATLAB-Simulink изменений структур и параметров, реализующих аварийные режимы.
4. Повышение точности расчёта токов короткого замыкания за счёт разработки математической модели судовой электроэнергетической системы с большим числом асинхронных двигателей.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
1. Выполненное научное обоснование возможности использования пакетов MATLAB-Simulink для моделирования процессов в нормальных и аварийных режимов работы судовых электроэнергетических систем позволяет включить разработанные макромодули и методику моделирования в официальный текст Стандарта судостроительной отрасли.
2. Полученные в работе результаты исследований аварийных режимов в судовой электроэнергетической системе позволяют приступить к разработке комплекса устройств и систем, существенно расширяющих возможности диагностики сээс.
3. Разработанная методика моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием пакетов MATLAB-Simulink позволяет существенно увеличить точность учёта токов подпитки от асинхронной нагрузки при расчётах токов короткого замыкания.
Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 58 и 59 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава университета 2005 и 2006 г., на заседаниях кафедры электрификации и автоматизации судов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные статьи [78, 79, 80] (1 статья - из перечня изданий, рекомендованных ВАК).
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков и 2 таблицы.
