Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ вариантов электротехнических комплексов генерирования электроэнергии при ' работе параллельно с другими источниками 17
1.1. Обзор вариантов электротехнических комплексов генерирования электроэнергии 17
1.1.1. Электротехнические комплексы на основе синхронного генератора 17
1.1.2. Электротехнические комплексы на основе асинхронного генератора 18
1.1.3. Преобразователи частоты в составе электротехнических комплексов 22
1.2. Экономическое сравнение вариантов электротехнических комплексов генерирования электроэнергии 23
1.2.1. Методика расчета экономических показателей 24
1.2.2. Расчет и анализ экономических показателей 30
1.2.2.1. Работа параллельно с источником соизмеримой мощности 30
1.2.2.2. Работа параллельно с источником бесконечной мощности 43
1.2.3. Влияние степени соизмеримости мощностей электротехнического комплекса генерирования электроэнергии и параллельно работающего источника на экономические показатели 50
1.3. Обзор систем автоматического регулирования МДП-генераторов 53
Выводы 60
Глава 2. Стационарные режимы мдп-генератора при работе параллельно с другими источниками 62
2.1. Влияние степени соизмеримости мощностей источников 62
2.2. Влияние диапазона изменения частоты вращения вала МДП- генератора 69
2.3. Влияние типа преобразователя частоты 73
2.4. Энергетика МДП-генератора при работе параллельно с источником соизмеримой мощности 79
2.5. Энергетика МДП-генератора при работе параллельно с источником бесконечной мощности 90
Выводы 98
Глава 3. Динамические режимы мдп-генератора при работе параллельно с источником соизмеримой мощности 100
3.1. Математическая модель и структурные схемы 100
3.2. Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения 105
3.3. Определение статической устойчивости 110
3.4. Моделирование динамических режимов 115
3.5. Разработка цифровой САР 127
Выводы 138
Глава 4. Динамические режимы МДП-генератора при работе параллельно с источником бесконечной мощности 141
4.1. Математическая модель и структурные схемы 143
4.2. Оптимизация контуров регулирования частоты вращения и электромагнитного момента 149
4.3. Анализ изменения параметров САР в зависимости от скольжения 155
4.4. Экспериментальные исследования 163
Выводы 171
Заключение 172
Литература 175
Приложения 186
- Электротехнические комплексы на основе асинхронного генератора
- Влияние диапазона изменения частоты вращения вала МДП- генератора
- Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения
- Оптимизация контуров регулирования частоты вращения и электромагнитного момента
Введение к работе
В мировой энергетике наблюдается повышенный интерес к использованию электротехнических комплексов генерирования электроэнергии (ЭКГ), работающих с применением нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Это обусловлено, с одной стороны, ухудшением экологической обстановки и ужесточением квот на выброс в атмосферу СОг. Отказ от сжигания одной тонны углеводородов предотвращает выброс в атмосферу двух тонн С02, а средняя стоимость квоты на выброс СОг на мировом рынке составляет 15 евро за тонну.
Другая причина распространения ЭКГ — проблемы с энергоснабжением удаленных регионов. В России 12% населения проживает в таких регионах, которые не подключены к централизованной энергосистеме. В качестве источников электроэнергии там в основном используются дизель - генераторы. Удельная стоимость электроэнергии получается высокой из-за больших затрат на доставку топлива. Это приводит к энергетической зависимости от центра, и любой сбой поставок топлива может привести к остановке жизненно необходимого оборудования.
К ЭКГ, использующим нетрадиционные возобновляемые источники энергии, относятся: малые гидроэлектростанции (МГЭС) [1, 18, 19, 66, 112, 114, 116], ветроэнергетические установки (ВЭУ) [15, 55, 56, 64, 69, 70, 117] и др. Разработка и внедрение указанных ЭКГ - одно из основных направлений развития отечественной и мировой малой энергетики.
Другое направление развития малой энергетики состоит в рациональном использовании ЭКГ для энергообеспечения автономных объектов. В первую очередь это касается таких объектов, как речные и морские суда. В этом случае ЭКГ работают на органическом топливе. До настоящего времени наиболее распространенным вариантом является применение дизель - генераторных агрегатов. Более рациональным представляется использование избыточной мощности главной силовой установки для передвижения объекта, т.е. применение валоге- нераторных установок (ВГУ) [20, 78, 92]. Применение ВГУ целесообразно по двум причинам. Во-первых, практически во всем диапазоне скоростей главный двигатель обладает резервом мощности около 15%, а мощность электростанции составляет, как правило, менее 10% от его мощности [78]. Во-вторых, повышается экономичность автономных объектов, т.к. при работе главной силовой установки используются более дешевые сорта топлива, чем для дизель - генератора [20].
Особенностью рассматриваемых объектов малой энергетики является переменная частота вращения приводного вала движителя (турбины МГЭС, вет- роколеса ВЭУ, вала отбора мощности ВГУ). Стабилизация параметров генерируемой электроэнергии (амплитуды^) и частоты^) напряжения) при переменной частоте вращения - одна из основных технических задач при создании таких ЭКГ.
В зависимости от схемы электроснабжения, количества генерирующих источников, соотношения их мощности между собой и с подключаемой нагрузкой различают несколько возможных режимов работы ЭКГ.
Во-первых, автономный режим ЭКГ, когда вся мощность, необходимая нагрузке, вырабатывается только этим источником. К ЭКГ в этом случае предъявляются требования по созданию необходимой для нагрузки активной и реактивной мощности, а также по стабилизации параметров генерируемой электроэнергии. Примером такой системы является вариант МГЭС или ВЭУ в отдаленном районе, не имеющем другого, например, дизель - генераторного источника и не связанного с централизованной энергосистемой. Такой режим также имеет место на автономном объекте (например, на судах) при работе ВГУ без дизель - генератора.
Чаще ЭКГ работает параллельно с другими источниками электроэнергии. В зависимости от соотношения мощности ЭКГ и второго источника различают режимы его работы параллельно с источником соизмеримой (ИСМ) и бесконечной мощности (ИБМ). Под ИСМ понимается такой источник, мощность которого превышает мощность ЭКГ не более, чем в 10 раз [9]. В качестве примера может быть как система из нескольких аналогичных однотипных источников, например, нескольких ВЭУ, так и работа одного ЭКГ с более мощным вторым источником (дизель - генератором). Последний вариант используется, например, в ВГУ на речных и морских судах. В этом режиме на ЭКГ возлагаются задачи выработки части мощности нагрузки и стабилизации параметров генерируемой электроэнергии при переменной частоте вращения вала ВГУ.
При работе ЭКГ параллельно с ИБМ (мощность второго источника превышает мощность ЭКГ более, чем в 10 раз), амплитуда и частота напряжения в сети при переменной частоте вращения вала ЭКГ и изменении нагрузки поддерживаются неизменными более мощным ИБМ. При этом возможны две ситуации. Во-первых, когда ЭКГ выполняет только функцию дополнительного электрогенерирующего источника. Это имеет место, например, при работе МГЭС параллельно с центральной энергосистемой. Существует вторая, специфическая, область применения ЭКГ, работающих параллельно с ИБМ в качестве нагрузочных генераторов для испытания автотракторных и других двигателей (НГ) [4, 81, 82]. В стране сейчас работает большое количество таких генераторов. Основная задача этих ЭКГ состоит в обеспечении технологических требований, предъявляемых к стендовым испытаниям автотракторных и других двигателей. Эти требования заключаются, в основном, в поддержании заданных по программе частот вращения вала () при прокрутке испытуемых двигателей и нагрузочного момента (М) при их работе «на газу». При этом частота вращения вала и нагрузочный момент ЭКГ изменяются в широком диапазоне. Энергетическая составляющая от деятельности таких ЭКГ часто весьма значительна. Крупные испытательные станции являются на моторостроительных заводах фактически малыми заводскими электростанциями. Однако, несмотря на это, основная задача нагрузочных ЭКГ - обеспечить технологию испытаний изготовленных автотракторных двигателей. Именно эти аспекты работы ЭКГ рассматриваются в настоящей диссертации в разделе параллельной работы ЭКГ с ИБМ. В роли последнего выступает заводская энергосистема.
Таким образом, при параллельной работе ЭКГ с ИСМ и ИБМ энергетический канал одинаков, так как в обоих случаях ЭКГ является дополнительным источником электроэнергии. Требования к информационному каналу (системам автоматического регулирования) различны. В первом случае (система «ЭКГ - ИСМ») - это стабилизация амплитуды и частоты генерируемого напряжения при переменной частоте вращения вала, а во втором, на примере нагрузочных генераторов (система «ЭКГ - ИБМ»), - это выполнение требований технологии стендовых испытаний автотракторных двигателей. Это требование заключается в поддержании частоты вращения вала или нагрузочного момента.
Стабилизация параметров генерируемой электроэнергии при переменных значениях скорости вращения вала и нагрузки в случае параллельной работы ЭКГ с ИСМ может быть осуществлена двумя способами: механически (с применением дифференциальных редукторов, гидромеханических устройств) и электрически (балластная нагрузка, компенсационные устройства, преобразователи частоты). Оба варианта обеспечивают необходимое качество вырабатываемой электроэнергии, однако, второй, отличающийся простотой механической части ЭКГ, наиболее приемлем для малой и средней мощности (до 1000 кВт). ЭКГ в этом случае может быть выполнен на основе синхронного (СГ) или асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГ КЗ). В обоих вариантах вся активная мощность от движителя в нагрузку поступает через статор СГ или АГ КЗ. При использовании преобразователей частоты (ПЧ) в цепи статора генераторов, ПЧ должны выбираться на полную мощность нагрузки. Заметим, что это в равной степени относится к ЭКГ, работающим параллельно с ИБМ в качестве нагрузочных генераторов при испытании автотракторных двигателей.
Созданию ЭКГ на основе машины переменного тока посвящено много научных работ. Общее признание в этом направлении в 50-60 годы прошлого века получили труды A.A. Иванова, Ю.Д. Зубкова, С.К. Бохяна, A.B. Новикова, С.З. Барского и др. ученых по разработке и исследованию систем конденсаторного возбуждения и регулирования асинхронных генераторов [6, И, 13, 21, 36, 42, 47, 53].
Большое значение при работе ЭКГ имеет система автоматического регулирования (САР). Наиболее распространенными являются САР, построенные по принципу подчиненного регулирования. В качестве управляемых координат используются стабилизируемые параметры: при работе ЭКГ параллельно с ИСМ - это амплитуда и частота выходного напряжения, а при работе параллельно с ИБМ, например, в качестве нагрузочных генераторов - частота вращения вала и нагрузочный момент.
Разработке систем регулирования и стабилизации выходных параметров посвящен ряд работ С.П. Бояр-Созоновича, Н.Д. Торопцева, С.И. Кициса, А.И. Лищенко, В.А. Лесника и др. ученых [11, 60, 65, 73, 74, 87, 103]. Особые возможности по использованию АГ КЗ получили благодаря системам вентильного возбуждения и регулирования, что подробно рассмотрено в работах М.Л.Костырева [47].
Новый этап в разработке ЭКГ связан с использованием машины двойного питания (МДП). В этом случае в качестве генератора используется асинхронная машина с фазным ротором (АГ). Благодаря хорошим регулировочным возможностям МДП-генератор занимает равноправное место в ряду альтернативных ЭКГ, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества [5, 7, 12, 40, 59]. Вариант ЭКГ на основе МДП особенно перспективен при широком диапазоне изменения скорости вращения вала движителя (2:1 и более), когда к мощности, генерируемой через статор, добавляется значительная составляющая мощности скольжения, генерируемая ПЧ. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены в АО «ВНИИ электроэнергетики» под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна, а в ОАО «Электропривод» под руководством Г.Б. Онищенко, отражены в работах A.C. Сандлера, С.В. Хватова, А.Е. Загорского, В.Г. Титова, и др. ученых [2, 7, 10,30, 81-83].
Среди опубликованных за последние пятнадцать лет статей зарубежных ученых по исследованию МДП-генераторов отметим работы М. Хеллера (М. Heller), В.Шумахера (W. Schumacher), Р.Пены (R. Репа), Д. Кларе (J.C. Clare), Д. Ашера (G.M. Asher), А. Кана (Kahn А), Л. Рикардо. (Ricardo L.M), Р. Себастьяна (Sebastian R.M.), X. Рундика (Hung Rudnick) и др. [111-125].
Новые возможности по использованию МДП-генератор получил благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных ПЧ, которые сегодня в определенном диапазоне мощностей обеспечивают практически синусоидальное питание цепей АГ, и постоянному совершенствованию законов регулирования.
Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в малую гидро- и ветроэнергетику активно ведутся и за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Германии - AKW, Siemens, AEG, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company. Накопленный мировой и отечественный опыт в исследовании и разработке МДП-генераторов, в частности для целей малой энергетики, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных исследований.
В отмеченных выше работах отражены различные вопросы, связанные с использованием МДП-генераторов. Исследованию стационарных режимов (расчет и выбор электрооборудования, анализ эксплуатационных показателей и др.) посвящены работы отечественных [10, 58, 59, 102] и зарубежных [111, 112, 118] ученых. По динамике МДП-генераторов (принципы построения замкнутых САР, анализ переходных процессов) отметим, прежде всего, работы [5, 7, 30, 58, 59]. Вопросы энергетики нашли свое отражение в [7, 58]. Рекомендации по областям целесообразного применения МДП - генераторов изложены в [7, 58]. В указанных исследованиях чаще рассматривается автономный режим работы и не отражены особенности параллельной работы МДП - генератора с другими источниками. По параллельной работе ЭКГ, в основном, рассматривается вариант на основе СГ [64], а параллельная работа асинхронных генераторов лишь для АГ КЗ [6, 11, 30]. В [6] для АГ КЗ дан анализ включения на параллельную работу, в [11] приводится сопоставление этих процессов с системой параллельно работающих СГ. В [30] рассмотрены особенности распределения нагрузки между работающими параллельно АГ КЗ и СГ. Исследования по параллельной работе МДП - генераторов практически отсутствуют. Отметим лишь [9, 117, 123], где показаны различные варианты построения САР МДП - генератора, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ.
Анализ показывает, что работа МДП - генераторов с u=var параллельно с источниками различной степени соизмеримости по мощности изучена недостаточно. Отсутствует экономическое обоснование оптимального варианта ЭКГ для таких режимов работы. Мало исследованы вопросы влияния частоты вращения вала, величины и характера нагрузки, мощности параллельно работающего источника на эксплуатационные показатели ЭКГ в стационарных режимах. Недостаточно исследованы динамические режимы МДП-генератора, учитывающие изменение амплитуды и частоты выходного напряжения, а также вопросы синтеза САР при работе МДП-генераторов параллельно с другими источниками и устойчивости режимов работы.
Цель диссертационной работы - исследование электротехнических комплексов генерирования электроэнергии на основе машин двойного питания с переменной частотой вращения вала, работающих параллельно с источниками соизмеримой и бесконечной мощности.
Задачи диссертационой работы:
Технико-экономическое сравнение вариантов электротехнических комплексов генерирования электроэнергии при работе параллельно с ИСМ и ИБМ.
Исследование влияния степени соизмеримости мощностей источников, диапазона изменения частоты вращения вала и типа ПЧ на состав и установленную мощность элементов оборудования, а также эксплуатационные показатели стационарных режимов МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ.
Разработка математической модели динамических режимов, учитывающих изменение амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ.
Синтез систем автоматического регулирования МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ.
Анализ устойчивости при параллельной работе МДП-генератора с
Методы исследования
В работе использованы методы аналитической теории электрических машин переменного тока, полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Использовались аналитические методы, математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследования на физической модели (лабораторный макет мощностью 5,5 кВт). Расчет экономических показателей проводился по методике Project Expert 7.0.
Связь темы с научно - техническими программами Работа выполнялась в рамках: межвузовской научно - технической программы «Энерго - ресурсосберегающие технологии», тема П.Т.447 «Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных источников энергии»; единого заказ - наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теории и проектирования генераторных агрегатов переменной скорости вращения» (ветро- и гидрогенераторы, валогенераторы, нагрузочные генераторы); региональных программ «Первоочередные мероприятия по энергосбережению Нижегородской области на 1998-2000г» (распоряжение Администрации Нижегородской области от 01.02.99., №106-р, раздел №5 «Использование нетрадиционных видов топлива и возобновляемых источников энергии») и «Использование местных, нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов на период 2001 - 2010 г.г. в Нижегородской области».
Научная новизна
Проведено экономическое сопоставление вариантов ЭКГ при работе параллельно с ИСМ и ИБМ. Показано, что, при диапазоне изменения частот вращения вала Z)=2:l, наиболее предпочтительным с экономической точки зрения является вариант МДП-генератора с ТНПЧ (токовый непосредственный преобразователь частоты) независимо от степени соизмеримости мощностей ЭКГ и параллельно работающего источника.
Показано влияние диапазона изменения частоты вращения вала, типа ПЧ и степени соизмеримости мощностей источников на состав и установленную мощность оборудования и на эксплуатационные показатели стационарных режимов МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ.
Разработана математическая модель динамических режимов, учитывающая изменение амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ.
Разработана и реализована САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ.
Определены зоны устойчивости при параллельной работе МДП- генератора и ИСМ с учетом степени соизмеримости их мощностей, а также принципа оптимизации и параметров САР.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в следующем: разработана методика, позволяющая оценивать экономический эффект от внедрения различных вариантов ЭКГ с учетом возможного изменения стоимости оборудования и электроэнергии; дана оценка энергетическим показателям МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ для различных режимов работы и типов ПЧ; разработаны способы стабилизации амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора, работающего при переменной частоте вращения вала и нагрузке параллельно с ИСМ; разработана методика синтеза структуры САР, обеспечивающей устойчивую работу МДП-генератора параллельно с ИСМ; в научно-исследовательской лаборатории «Электроприводы переменного тока» кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) создан макетный образец ЭКГ на базе МДП - генератора мощностью 5,5кВт, работающий параллельно с ИСМ и ИБМ.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы: при разработке концепции построения малонапорных ГЭС в Нижегородской области; при разработке проекта модернизации Ичалковской МГЭС (п. Ичалки, Нижегородская область); при создании концепции развития судовых ВГУ в ОАО «Нижегородский порт» (г. Нижний Новгород); в учебном процессе при разработке новых учебных курсов для магистров направления 55.13.00 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» в НГТУ, а также в учебном процессе в Волжской государственной академии водного транспорта (ВГАВТ) (г. Нижний Новгород).
В работе автор защищает: методику расчета экономического эффекта от внедрения ЭКГ, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ; результаты анализа влияния степени соизмеримости мощностей источников, диапазона изменения частоты вращения вала и типа ПЧ на состав и установленную мощность элементов оборудования, а также на эксплуатационные показатели стационарных режимов МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ; математическую модель динамических режимов МДП-генератора, учитывающую изменение амплитуды и частоты генерируемого напряжения, при работе параллельно с ИСМ; структуру САР МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ (в качестве нагрузочного генератора при испытаниях автотракторных двигателей); анализ устойчивости работы МДП-генератора параллельно с ИСМ.
Публикация и апробация работы
По материалам диссертации опубликовано 12 работ, в том числе получены 2 свидетельства на полезную модель.
Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были доложены и обсуждены на следующих научно - технических конференциях:
III Международная (XIV Всероссийская) научно - техническая конференция по автоматизированному электроприводу «АЭП - 2001», Н.Новгород, НГТУ, 2001; региональный молодежный научно-технический форум «Будущее технической науки нижегородского региона», Н.Новгород, НГТУ, 2002; ежегодные XIX+XXII региональные научно-технические конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики», Н.Новгород, НГТУ, 1999 - 2003.
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 125 наименований и двух приложений. Основная часть диссертации изложена на 189 страницах, содержит 91 рисунок и 14 таблиц.
Автор благодарит научного консультанта д.т.н. Хватова О.С. за помощь, оказанную при выполнении диссертации.
Электротехнические комплексы на основе асинхронного генератора
Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в малую гидро- и ветроэнергетику активно ведутся и за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Германии - AKW, Siemens, AEG, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии - Rainbow Power Company. Накопленный мировой и отечественный опыт в исследовании и разработке МДП-генераторов, в частности для целей малой энергетики, позволяет сделать вывод о несомненной актуальности подобных исследований.
В отмеченных выше работах отражены различные вопросы, связанные с использованием МДП-генераторов. Исследованию стационарных режимов (расчет и выбор электрооборудования, анализ эксплуатационных показателей и др.) посвящены работы отечественных [10, 58, 59, 102] и зарубежных [111, 112, 118] ученых. По динамике МДП-генераторов (принципы построения замкнутых САР, анализ переходных процессов) отметим, прежде всего, работы [5, 7, 30, 58, 59]. Вопросы энергетики нашли свое отражение в [7, 58]. Рекомендации по областям целесообразного применения МДП - генераторов изложены в [7, 58]. В указанных исследованиях чаще рассматривается автономный режим работы и не отражены особенности параллельной работы МДП - генератора с другими источниками. По параллельной работе ЭКГ, в основном, рассматривается вариант на основе СГ [64], а параллельная работа асинхронных генераторов лишь для АГ КЗ [6, 11, 30]. В [6] для АГ КЗ дан анализ включения на параллельную работу, в [11] приводится сопоставление этих процессов с системой параллельно работающих СГ. В [30] рассмотрены особенности распределения нагрузки между работающими параллельно АГ КЗ и СГ. Исследования по параллельной работе МДП - генераторов практически отсутствуют. Отметим лишь [9, 117, 123], где показаны различные варианты построения САР МДП - генератора, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ.
Анализ показывает, что работа МДП - генераторов с u=var параллельно с источниками различной степени соизмеримости по мощности изучена недостаточно. Отсутствует экономическое обоснование оптимального варианта ЭКГ для таких режимов работы. Мало исследованы вопросы влияния частоты вращения вала, величины и характера нагрузки, мощности параллельно работающего источника на эксплуатационные показатели ЭКГ в стационарных режимах. Недостаточно исследованы динамические режимы МДП-генератора, учитывающие изменение амплитуды и частоты выходного напряжения, а также вопросы синтеза САР при работе МДП-генераторов параллельно с другими источниками и устойчивости режимов работы.
Цель диссертационной работы - исследование электротехнических комплексов генерирования электроэнергии на основе машин двойного питания с переменной частотой вращения вала, работающих параллельно с источниками соизмеримой и бесконечной мощности. Задачи диссертационой работы: 1. Технико-экономическое сравнение вариантов электротехнических комплексов генерирования электроэнергии при работе параллельно с ИСМ и ИБМ. 2. Исследование влияния степени соизмеримости мощностей источников, диапазона изменения частоты вращения вала и типа ПЧ на состав и установленную мощность элементов оборудования, а также эксплуатационные показатели стационарных режимов МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ. 3. Разработка математической модели динамических режимов, учитывающих изменение амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ. 4. Синтез систем автоматического регулирования МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ и ИБМ. 5. Анализ устойчивости при параллельной работе МДП-генератора с ИСМ. Методы исследования В работе использованы методы аналитической теории электрических машин переменного тока, полупроводниковых преобразователей и систем автоматического управления. Использовались аналитические методы, математическое моделирование на ПЭВМ и экспериментальные исследования на физической модели (лабораторный макет мощностью 5,5 кВт). Расчет экономических показателей проводился по методике Project Expert 7.0. Связь темы с научно - техническими программами Работа выполнялась в рамках: - межвузовской научно - технической программы «Энерго - ресурсосберегающие технологии», тема П.Т.447 «Системы энергосбережения и технологии освоения нетрадиционных источников энергии»; - единого заказ - наряда Минобразования РФ по теме «Разработка основ теории и проектирования генераторных агрегатов переменной скорости вращения» (ветро- и гидрогенераторы, валогенераторы, нагрузочные генераторы); - региональных программ «Первоочередные мероприятия по энергосбережению Нижегородской области на 1998-2000г» (распоряжение Администрации Нижегородской области от 01.02.99., №106-р, раздел №5 «Использование нетрадиционных видов топлива и возобновляемых источников энергии») и «Использование местных, нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов на период 2001 - 2010 г.г. в Нижегородской области». Научная новизна 1. Проведено экономическое сопоставление вариантов ЭКГ при работе параллельно с ИСМ и ИБМ. Показано, что, при диапазоне изменения частот вращения вала Z)=2:l, наиболее предпочтительным с экономической точки зрения является вариант МДП-генератора с ТНПЧ (токовый непосредственный преобразователь частоты) независимо от степени соизмеримости мощностей ЭКГ и параллельно работающего источника. 2. Показано влияние диапазона изменения частоты вращения вала, типа ПЧ и степени соизмеримости мощностей источников на состав и установленную мощность оборудования и на эксплуатационные показатели стационарных режимов МДП-генератора при параллельной работе с ИСМ и ИБМ. 3. Разработана математическая модель динамических режимов, учитывающая изменение амплитуды и частоты напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ. 4. Разработана и реализована САР стабилизации амплитуды и частоты выходного напряжения МДП-генератора, работающего параллельно с ИСМ. 5. Определены зоны устойчивости при параллельной работе МДП- генератора и ИСМ с учетом степени соизмеримости их мощностей, а также принципа оптимизации и параметров САР.
Влияние диапазона изменения частоты вращения вала МДП- генератора
Из анализа следует, что все рассматриваемые в настоящей работе проекты судовых ВГУ мало чувствительны к изменению объема инвестиций (ценам на оборудование), что свидетельствует об их высокой рентабельности. Сравнение различных вариантов ВГУ показало, что наименьшим сроком окупаемости обладает вариант на основе МДП-ТНПЧ. В целом, данные проекты высоко эффективны и мало чувствительны к внешним воздействиям, что показывает произведенный анализ чувствительности.
При анализе рассмотренных выше вариантов ЭКГ, работающих параллельно с ИСМ, но приводимых во вращение другими первичными движителями (например, МГЭС, ВЭУ) значения расчетных мощностей и цен на электрическую часть оборудования останутся неизменными. Капитальные вложения вырастут за счет дополнительной стоимости движителей (гидротурбины, вет- роколеса и т.д) и строительной части проектов. При этом ожидается, что и в этом случае общая тенденция зависимости срока окупаемости и экономического эффекта сохранится, и электротехнический комплекс на основе МДП-ТНПЧ останется наиболее экономически выгодным.
При работе ЭКГ параллельно с ИБМ, по сравнению с режимом параллельной работы с ИСМ, отсутствует необходимость генерирования реактивной мощности в нагрузку. При этом для всех вариантов ЭКГ имеются изменения в составе оборудования. Для вариантов СГ-ПЧ с ШИМ, АГКЗ-ПЧ с ШИМ, МДП-ПЧ с ШИМ установленная мощность ПЧ уменьшится на величину, соответствующую генерируемой реактивной мощности. У варианта МДП-ТНПЧ отсутствует ИРМ, при этом мощность ПЧ останется неизменной. В вариантах МДП-ПЧ с ШИМ и МДП-ТНПЧ отсутствует конденсаторная батарея возбуждения. В качестве примера применения ЭКГ, работающего параллельно с ИБМ, рассмотрен асинхронный нагрузочный генератор для испытания двигателя ЯМЗ-240 мощностью 240 л.с.(179 кВт). Полагаем, что качественный уровень проведения испытаний ДВС находится в соответствии с регламентирующими требованиями для всех рассматриваемых вариантов ЭКГ. Считаем, что ЭКГ при максимальной загрузке передают в заводскую энергосистему мощность, равную 150 кВт. На эту мощность произведен расчет оборудования ЭКГ. Диапазон регулирования частоты вращения вала — Э=2:1. По уравнениям раздела 1.2.1. производится расчет себестоимости электроэнергии. Годовая выработка электроэнергии будет представлена в виде А=пТ,Р1ь, (1.17) где п - число рабочих циклов в год; Р\ - активная мощность, генерируемая ЭКГ в заводскую энергосистему на участке нагрузочной диаграммы рабочего цикла с заданными значениями нагрузочного момента и частоты вращения вала электротехнического комплекса; /1 - длительность участка рабочего цикла нагрузочной диаграммы, в течение которого значения нагрузочного момента и частоты вращения вала электротехнического комплекса постоянны. При расчетах принимается, что средняя за срок эксплуатации, генерируемая в нагрузку мощность составляет 33% от максимальной мощности, генерируемой ЭКГ в энергосистему [4]. Срок эксплуатации нагрузочного генератора за год принимается равным 2500 час/год [38]. Стоимость дизельного топлива Сдт =8100 руб/т, а удельный расход топлива двигателя #гд =201-208 г/кВтч [38]. Установленные значения мощности элементов, входящих в состав электротехнических комплексов генерирования, определяются по формулам (1.6 - 1.15). Считаем, что в состав каждой установки входит САР стоимостью 30000 руб [107]. ЭКГ на основе СГ-ПЧ с ШИМ Мощность СГ выбирается по (1.8)5СГ = 1,05- = 165кВА. Выбираем синхронный генератор СГ2-85/18-10 мощностью 200 кВА с соБфномсг В и стоимостью 360000 руб [107]. Мощность ПЧ с ШИМ равна пч=150 кВА, а стоимость ПЧ составляет 630000 руб. Общая стоимость установки СГ-ПЧ с ШИМ составляет 1020000 руб. ЭКГ на основе АГКЗ-ПЧсШИМ Мощность АГ КЗ рассчитывается в соответствии с (1.8), как РАГ =1,05 - = 165кВт. Выбираем асинхронный генератор 5АН315М4 мощностью 160 кВт с СО8ФАГ=0,84, 7/АГ=0,87 И стоимостью 130000 руб [107]. Мощность батареи возбуждения определяется по выражению (1.11) и равна ?в=160 0,6=90кВАр. Стоимость батареи возбуждения составит 54000 руб. Мощность и стоимость ПЧ с ШИМ определяются по тем же формулам и имеют те же значения, что и для варианта СГ-ПЧ с ШИМ. Общая стоимость установки АГ КЗ-ПЧ с ШИМ составляет 844000 руб. ЭКГ на основе МДП-ПЧ с ШИМ Мощность генератора рассчитывается в соответствии с (1.8) / АГ = 1,05 = 165кВт. Выбираем асинхронный генератор с фазным ротором 5АНК35588 мощностью 160 кВт с СОБФАГ О , 77АГ=0,8 И стоимостью 160000 руб [107]. Мощность ПЧ с ШИМ определяется по выражению (1.12) и равна 5пч=150 0,5=75кВА. Цена ПЧ составит 315000 руб. Общая стоимость установки МДП-ПЧ с ШИМ равна 505000 руб. ЭКГ на основе МДП-ТНПЧ Мощность генератора рассчитывается в соответствии с (1.13) РАГ = 1,15-1,05 = 189кВт. Выбираем асинхронный генератор с фазным ротором 5АНК355Б8 мощностью 160 кВт с со8(РАГ=0,77, 77АГ=0,8 И стоимостью 160000 руб [107]. Мощность преобразователя частоты определяется по выражению (1.14) и равна 5пч=0,78 215 0,7=117кВА. Стоимость ПЧ составляет 305000 руб, а общая стоимость установки МДП-ТНПЧ - 495000 руб.
Оптимизация контуров регулирования амплитуды и частоты напряжения
Анализ зависимостей показал, что максимальный КПД ЭК соответствует закону управления АРтт и с ростом нагрузки генератора его значение практически не меняется. При управлении по закону 01=0, а также при работе ТНПЧ в области ЕК коэффициент полезного действия ЭК ниже, чем при законе АРтт, и с увеличением нагрузки генератора уменьшается вследствие увеличения потерь активной мощности при возрастании токов в обмотках генератора. Для режима МДП - генератора в области ЕК коэффициент полезного действия выше, чем для закона 0,\ =0. При частотах вращения вала МДП - генератора, близких к синхронной, возрастают потери мощности из-за влияния высших гармоник. Для режимов работы ТНПЧ в области ЕК и ИК и законе управления )\=0 изменение КПД при скоростях, близких к о, составляет (1-1,5)%.
Все полученные зависимости основных эксплуатационных показателей ЭК с качественной точки зрения носят универсальный характер. Количественные показатели соответствуют ЭК мощностью 160 кВт. 1. Показано влияние степени соизмеримости мощности МДП - генератора и ИСМ на варианты целесообразного использования элементов оборудования как источников активной и реактивной мощности и регуляторов их баланса с нагрузкой с целью стабилизации 1/\ и В частности, при параллельной работе с синхронным генератором источником Q может быть СГ, специальный ИРМ в составе МДП-генератора, а при необходимости - АГ. Оптимальное распределение реактивной нагрузки между ними является самостоятельной оптимизационной задачей и определяется для каждого конкретного проекта. 2. При широком диапазоне изменения адля снижения установленной мощности АГ целесообразно, как при работе параллельно с ИСМ, так и с ИБМ, использовать однозонный режим при со о)0. 3. Вариант ЭК при использовании ПЧ с ШИМ не имеет ограничения по величине и знаку фазы тока ротора 02 во всем диапазоне изменения со. Это расширяет его функциональные возможности (по сравнению с ТНПЧ) как источника реактивной мощности, так и стабилизатора 1/\ ипри работе параллельно с ИСМ. 4. Значение КПД ЭК при работе параллельно с ИСМ зависит от величины и характера нагрузки, типа ПЧ, частоты вращения вала. Для ЭК мощностью 160 кВт в номинальном режиме при ПЧ с ШИМ значение КПД ЭК составляет 93%, а при ТНПЧ на (2-3)% ниже из-за искажения формы тока в обмотках АГ. При изменении величины (н) и характера нагрузки (созфн), а также оз, указанные выше показатели снижаются на (1-4)%, что обусловлено требованием сохранения баланса мощностей. При работе параллельно с ИБМ значения КПД ЭК зависят, кроме нагрузки и ы,.также от выбранного закона управления ЭК. Например, при законе управления АРтт значения КПД ЭК при ПЧ с ШИМ в среднем на (2-5)% выше, чем при законе 01=0. 5. Коэффициент мощности ЭК при работе параллельно с ИСМ зависит от выбранного варианта распределения реактивной нагрузки между источниками. Для ЭК с ТНПЧ значение КМэк в среднем на (1,5 - 4)% ниже, чем для ПЧ с ШИМ, вследствие влияния высших гармоник тока АГ. При работе ЭК параллельно с ИБМ значение /Гмэк определяется также и законом управления. Например, для ПЧ с ШИМ при законе 01=0 значение /Смэк =1 А а при законе АРтт величина /Гмэк меняется в пределах от 0,93 до 0,65, так как в этом случае увеличивается доля реактивных составляющих токов статора и ротора АГ. Для ЭК с ПЧ с ШИМ коэффициент нелинейных искажений напряжения /Гни равен 1,0. Для МДП с ТНПЧ величина Кни с ростом соБфн возрастает, т.к. снижается требуемая величина 0ИРМ И ухудшаются условия фильтрации в системе «ЭК - ИСМ». 6. При работе МДП генератора параллельно с ИСМ (синхронный генератор) для снижения установленной мощности СГ может быть использован ИРМ. Величина мощности ИРМ ограничена возможностью возникновения резонанса токов высших гармоник, способного вызвать еще большие искажения в сети. Рекомендованная по результатам расчетов мощность ИРМ составляет (3-4) 0В.
Одним из этапов при исследовании ЭК, работающего параллельно с ИСМ, является моделирование динамических режимов в МДП - генераторе. Эти режимы как в автономной системе, так и при работе параллельно с ИСМ отличаются большим разнообразием: самовозбуждение, синхронизация при подключении к параллельному источнику, аварийные режимы короткого замыкания и др. Вопросы самовозбуждения АГ исследованы в работах ряда отечественных и зарубежных авторов [11, 21, 36, 47, 53], а режимы синхронизации при подключении АГ на параллельную работу с СГ в [6, 11, 30]. Ряд публикаций посвящен аварийным режимам работы, в частности, переходным процессам при коротких замыканиях в АГ[118]. В данной работе под динамическими режимами понимаются режимы, связанные с изменением нагрузки в системе «ЭК - ИСМ - нагрузка». Отличительной особенностью переходных процессов при параллельной работе ЭК и ИСМ, является влияние на их характер второго источника. Как и для автономного режима, в данном случае требования стабилизации параметров генерируемой электроэнергии являются определяющими.
Оптимизация контуров регулирования частоты вращения и электромагнитного момента
Современное производство, в том числе и производство электрической энергии, предъявляет к САР высокие требования по гибкости и автоматизации рабочего процесса. Наряду с аналоговым вариантом возможна реализация САР МДП - генератора на основе цифровой элементной базы с использованием микропроцессорных систем. Такие системы позволяют осуществлять более высокую точность регулирования выходных: координат. Функциональные возможности микропроцессорных систем определяются объемом памяти, быстродействием и внутренней периферией микропроцессоров. Среди микропроцессорных систем выделяют полностью цифровые системы и цифроаналоговые (супервизорные) системы управления. В первом случае вся система регулирования строится полностью на цифровых элементах. Во втором варианте цифровая (микропроцессорная) часть САР выполняет функции регулирования отдельных координат, формируя сигналы задания для организации аналоговых каналов регулирования (амплитуды и частоты напряжения), непосредственно управляющих ПЧ, или, используя выходные сигналы аналоговых регуляторов, для реализации необходимых законов управления и цифровых регуляторов соответствующих величин [25].
Задача синтеза регуляторов импульсных систем автоматического управления сводится к определению таких передаточных функций регуляторов, при которых замкнутая система обладает заранее заданными свойствами. Эти свойства зависят от предъявляемых к системе требований в виде тех или иных критериев оптимальности и от особенностей объекта управления. При синтезе регуляторов должны учитываться следующие требования:
Передаточная функция регулятора должна быть осуществимой. Это значит, что реакция регулятора на внешнее воздействие не должна предшествовать моменту приложения этого воздействия. Для этого порядок передаточной функции регулятора должен быть неотрицательным, т.е. степень числителя не должна быть больше степени знаменателя.
Синтезированная замкнутая система должна быть грубой, т.е. такой, в которой при малых отклонениях параметров элементов системы отклонения величин, характеризующих состояние системы, также малы. Для этого необходимо, чтобы передаточная функция регулятора не содержала нулей и полюсов, близких к правым полюсам и нулям передаточной функции объекта регулирования системы. Это условие всегда выполняется в системах с конечной длительностью процессов.
Система является оптимальной, если те или иные показатели принимают минимальные или максимальные значения. Существует большое количество методов оптимизации, связанных с разными критериями. Различают приближенные и точные методы оптимизации. Точные методы являются специфичными для дискретных систем и позволяют без всяких приближений получить выражения передаточных функций регуляторов.
Приближенные методы рассматривают инженерные способы расчета дискретных систем, которые позволяют с достаточной для практических целей точностью определять параметры дискретных регуляторов. Данные методы и используются в настоящей главе. Этими методами пользуются при настройке дискретных регуляторов на непрерывные критерии оптимальности - модульный и симметричный оптимумы. Для получения дискретных регуляторов в соответствии с непрерывными критериями модульного и симметричного оптимумов необходимо сначала синтезировать аналоговые регуляторы, настраивающие систему на модульный или симметричный оптимумы, а затем заменить их соответствующими дискретными регуляторами по методу импульсного моделирования [25].
Переход от непрерывной системы к импульсной возможен несколькими методами, различие которых вызвано разными способами замены дифференциальных уравнений непрерывной системы разностными уравнениями. Конкретный вид разностных уравнений зависит от вида аппроксимации интеграла, связанного с тем или иным способом вычисления элементарной площади. В зависимости от выбранного способа заменяем непрерывную передаточную функцию интегратора „(Р) = 1/р одной из известных передаточных функций дигратора. В работе переход к цифровым регуляторам осуществлялся с помощью замены передаточной функции интегратора передаточной функцией дигратора, реализующего способ трапеции [25].
