Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ альтернативных энергоисточников для автономных систем электроснабжения 14
1.1. Принципы построения автономного электроснабжения с альтернативными энергоисточниками 14
1.2. Основные показатели эффективности и особенности альтернативных источников электроэнергии 23
1.3 Характеристики систем генерирования электроэнергии с использованием ВЭУ 32
1.4. Основные направления проектирования ВЭУ для СЭС автономных потребителей 39
Выводы 43
Глава 2. Моделирование и синтез системы «АИЭ-СЭС-РПЭ» в автономных электросетях сетях при стохастических возмущениях45
2.1. Мат. модели ветровых потоков и ветродвигателей 46
2.2. Мат. модель СЭС автономных потребителей 56
2.3. Мат. описание работы ВЭУ с учетом стохастических возмущений 65
2.3.1. Теоретическое обоснование. 65
2.3.2. Регрессионные алгоритмы управления работой ВЭУ 72
2.4. Инвариантная модель ВЭУ в автономном режиме генерации 74
2.5. Синтез комбинированной системы ВЭУ с ТИЭ 79 Выводы 83
Глава 3 Система оперативной диагностики технического состояния ВЭУ.85
3.1. Анализ ВЭУ как объекта диагностирования 87
3.2. Математическое описание ЭМС ВЭУ в СОДС92
3.3. Синтез алгоритмов диагностирования ВЭУ 99
3.4. Алгоритмы прогнозирования состояния ВЭУ 106 Выводы 113
Глава 4 Экспериментальные исследования ВЭУ 114
4.1. Описание лабораторной установки макета ВЭУ. Программа и методика
проведения экспериментальных исследований 115
4.2. Анализ результатов экспериментальных исследований 125
4.3. Технико-экономические и энергетические показатели применения ВЭУ.139
4.4. Примеры практической реализации автономных комплексов и внедрения новых ВЭУ 145
Выводы 147
Заключение 149
Список литературы 151
Приложения 162
- Основные показатели эффективности и особенности альтернативных источников электроэнергии
- Мат. модель СЭС автономных потребителей
- Математическое описание ЭМС ВЭУ в СОДС
- Анализ результатов экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность темы. Положительная динамика развития отечественной промышленности и увеличение уровня потребления электроэнергии населением стимулируют расширение масштабов исследований и разработок, направленных на совершенствование топливно-энергетического комплекса РФ и экономии традиционных углеводородных источников электроэнергии (ТИЭ). Это обусловило поиск новых стратегий энергоэффективного и экономичного энергообеспечения российских потребителей с привлечением нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Особенность географического положения Российской Федерации и наличие больших территорий (около % общей площади) с низкой плотностью населения 20 млн. человек обуславливает необходимость автономного энергообеспечения данных районов электроэнергией. В качестве автономных источников электроэнергии (АИЭ) здесь использовались дизельные электростанции и котельные агрегаты на угле, мазуте или другом невозобновляемом топливе. Однако эти средства энергообеспечения становятся сегодня все более затратными и неэкологичными.
Вместе с тем, в мировой и отечественной электроэнергетике уже накоплен большой опыт создания и использования современных НВИЭ как альтернатива или в сочетании с углеводородными. Суммарная мощность ВЭУ в мире достигла 194 ГВт с КПД до 0,593 и выработкой более 430 ТВт-ч в 2011г.
В развитие теории и практики АИЭ, включая НВИЭ, ветроэнергетические установки (ВЭУ) и прочие автономные генераторные комплексы (АГК) для различных потребителей значительный вклад внесли отечественные ученые -д.т.н., профессора А.Е. Козярук, A.M. Магомедов, Г.Б. Онищенко, В.Г. Титов, Ю.Г. Шакарян и др. из отраслевых НИИ, НПО и ВУЗов - ВНИИЭ, ИГЭУ, МЭИ (ТУ), МГОУ, СПбГГУ, НГТУ им. Р.Е.Алексеева и др.
Инновационные исследования по совершенствованию возобновляемых и комбинированных АИЭ не потеряли актуальности и в настоящий момент. Более того, новая аппаратная база электромашиностроения, силовой электроники и микропроцессорной техники дополнительно стимулирует разработчиков на создание высокотехнологичных, энергоэффективных, надежных и быстро окупаемых агрегатов и систем. Особенно это актуально для питания вдольтрассовых потребителей газотранспортных систем России, где особенно высоки требования по обеспечению надежности и энергоэффективности АИЭ.
Среди всего многообразия АИЭ и НВИЭ в условиях географических и климатических особенностей территории Российской Федерации наибольшее распространение получили разработки ВЭУ, ветряных ферм (станций) и ветродизельных энергоустановок (ВДЭУ). Это связано с известными преимуществами их перед другими типами НВИЭ: низкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы, высокие показатели КПД, надёжности и наработки на отказ, отсутствие расхода углеводородного топлива и экологически вредных выбросов и шума. Наконец, средства автоматизированного управления
и регулирования позволяют обеспечить оптимальные режимы генерирования, энергосбережения, мониторинга и устойчивости работы систем электроснабжения (СЭС) для удаленных маломощных потребителей.
Несмотря на полувековую историю проектирования и создания СЭС на базе ВЭУ и наличия нормативных документов государственного масштаба, исследованиям по повышению энергоэффективности, устойчивости, экологичности и надёжности их работы уделяется недостаточное внимание. Типовые решения СЭС с ВЭУ реализуют только частные задачи, не обеспечивая комплекса проблем создания конкурентоспособных интеллектуальных источников электроснабжения (ИИЭ) на основе принципов активно-адаптивных «разумных» электросетей. Принятые в последнее время нормативные акты РФ стимулируют поиск инновационных энергосберегающих технологий СЭС на базе ВЭУ для объектов и потребителей различных отраслей (сельскохозяйственных, геологоразведочных, газотранспортных и проч.).
В этой связи, целью диссертационной работы является разработка и исследование ветроэнергетических установок для автономных систем электроснабжения, обеспечивающих высокую энергоэффективность и оперативный мониторинг состояния системы.
В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи исследования:
-
Анализ технологических режимов работы автономных СЭС, электропитания потребителей и структур ВЭУ с целью выработки требований к комбинированным генераторным комплексам, обеспечивающим выполнение нормативных показателей качества параметров электроснабжения.
-
Выбор рациональных структур современных ВЭУ на базе синхронных генераторов с автономными инверторами напряжения для оптимального преобразования мощности ветрового потока и реализацией всех нормативных требований СЭС потребителей.
-
Разработка математических моделей элементов автономных генераторных комплексов, включая ВЭУ, систему «синхронный генератор-преобразователь частоты» (СГ-ПЧ) и СЭС, наиболее полно учитывающих процессы генерирования и потребления с учетом внешних возмущений.
-
Структурно-параметрический синтез оптимизированной системы управления ВЭУ с программным заданием параметров комплекса на базе регрессионных алгоритмов управления для стабилизации параметров амплитуды и частоты вырабатываемого напряжения.
-
Разработка методологических, алгоритмических и аппаратных средств оперативного мониторинга и прогнозирования технического состояния электромеханических систем ВЭУ.
-
Разработка физического макета электромеханической части АГК в виде лабораторной установки и проведение исследований для реализации полученных алгоритмов и структур комбинированных источников с ВЭУ.
Методы исследования:
Для теоретических исследований использовались: теория электрических машин переменного тока, теория вероятностей и математической статистики, теория планирования эксперимента, теория автоматического управления и регулирования, аппарат нечеткой логики. Экспериментальные исследования проводились на макетных образцах ВДЭУ на базе синхронного генератора с помощью современной измерительной аппаратуры и средств автоматизации обработки результатов эксперимента. Исследования динамических режимов проводились методами математического моделирования с привлечением современных компьютерных продуктов, в частности, пакетов ПО Matlab.
Научная новизна:
-
Разработан теоретически обоснованный подход к построению структуры энергоэффективных ВДЭУ на базе синхронных генераторов с преобразователями частоты для надежного электроснабжения автономных и удаленных объектов.
-
Разработаны математические модели элементов системы ВЭУ, позволяющие учесть влияние основных физических процессов в АГК и внешних возмущений и обеспечивающие получение энергоэффективных алгоритмов регулирования выходного напряжения.
-
Синтезированы варианты комбинированных САР стабилизации параметров напряжения, инвариантные к действию основных возмущений технологического и природного характера.
-
Разработаны модели и система оперативного мониторинга с элементами прогнозирования технического состояния, базирующиеся на дискретных методах представления объекта диагностирования и позволяющая с единых методологических позиций оценивать режимы работы ВЭУ.
Практическая ценность
-
Разработанная модульная структура альтернативной системы электроснабжения автономных объектов обладает высокой степенью универсальности и надежности, что позволяет использовать ее для решения большого числа задач обеспечения автономности различных объектов, включая потребителей первой категории надежности.
-
Реализованные и экспериментально исследованные перспективные методы регулирования АГК на базе ВДЭУ с синхронными генераторами различной мощности позволяют устойчиво работать с различными потребителями и технологическими параметрами на оборудовании ведущих европейских фирм и отечественных производителей.
-
Разработанный комплекс алгоритмов и программ для оперативного диагностирования выходных параметров электроэнергии ВДЭУ представляет собой законченный продукт и может быть тиражирован и интегрирован в ПО АСУ ТП любой сложности.
-
Разработанные компьютерные и физические модели ВДЭУ на базе синхронных генераторов за счет универсальности источников информации и
микропроцессорной аппаратной базы могут быть использованы при разработке других АИЭ и НВИЭ, включая их работу совместно в составе больших АГК.
5. Лабораторный образец интеллектуальной системы ВДЭУ прошел регламентные испытания и используется в учебном процессе кафедры НГТУ им. Р.Е. Алексеева и при апробациях исследований магистров и аспирантов.
Научные положения, выносимые на защиту
-
Принципы и структуры построения энергоэффективных СЭС на основе альтернативных и возобновляемых источников энергии для автономных объектов, включая особенности ветровых потоков и нагрузки потребителей.
-
Методика получения и исследования математических моделей ВЭУ, электромеханической системы и СЭС потребителей в структуре инвариантной САР параметров вырабатываемой электроэнергии.
-
Принципы и методология получения регрессионных уравнений для оптимизации системы управления и энергоэффективного регулирования параметров ВЭУ на основе аппаратных и программных средств.
-
Методика разработки диагностических моделей и аппаратно-алгоритмических средств оперативного мониторинга параметров ВЭУ в структуре комбинированных генераторных комплексов.
-
Структура и программно-аппаратные решения по созданию экспериментального макета АГК с САУ ВДЭУ и организация проведения комплексных испытаний инновационных алгоритмов.
Реализация результатов работы.
Разработан действующий экспериментальный стенд для исследования алгоритмов и характеристик работы ВДЭУ. Результаты работы могут быть использованы при разработке и внедрении автономных систем электроснабжения на базе ВДЭУ для локальных электроэнергетических систем удаленных объектов, на кафедре «Электрооборудование судов» НГТУ им. Р.Е.Алексеева в учебном процессе по курсам «Автоматизированные электромеханические системы автономных объектов», «Гребные электрические установки», а также в курсовом и дипломном проектировании.
Соответствие содержания диссертации паспорту специальности
Диссертация соответствует паспорту специальности 05.09.03 -Энергетические комплексы и системы:
в части формулы специальности - «... исследования по общим закономерностям преобразования, накопления, передачи и использования электрической энергии и электротехнической информации, а также принципы и средства управления объектами, определяющие функциональные свойства действующих или создаваемых электротехнических комплексов и систем... В рамках научной специальности объектами изучения являются электротехнические комплексы и системы генерирования электрической энергии ... Электротехнические комплексы и системы ... могут рассматриваться как самостоятельные технологические комплексы и должны обеспечивать эффективное и безопасное функционирование этих систем в широком диапазоне внешних воздействий.»;
в части области исследования - п. 1: «...физическое, математическое,
имитационное и компьютерное моделирование компонентов
электротехнических комплексов и систем»; п. 3: «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления.»; п. 4: «Исследование работоспособности ... комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях».
Апробация работы.
Основные положения, результаты, выводы и рекомендации диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительные отзывы на следующих научно-технических конференциях:
II Всероссийская научно-техническая конференция «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий», Уфа, 5 апреля, 2009;
XVII Международная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Бернадосовские чтения), Иваново, 1-3 июня, 2011;
XVIII Международная научно-техническая конференция "Информационные системы и технологии (ИСТ-2012)", Н.Новгород, 20 апреля, 2012;
- X Международный симпозиум "Интеллектуальные системы
(TNTELS'2012)", МВТУ им. Н.Э. Баумана, Вологда, 25-29 июня 2012;
XIV МНТК «ICEEE-2012», МЭИ, Алушта, 23-29 сентября 2012;
V научная конференция «Управление в технических системах (УТС-2012)» в рамках 5-ей Мультиконференции по проблемам управления (МКПУ-2012), ИЛУ им. В. А. Трапезникова РАН, СПб, 9-11 октября 2012;
- XXVII-XXIX Региональные научно-технические конференции
"Актуальные проблемы электроэнергетики", НГТУ, Н.Новгород, 2008-2012.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы 15 работ, включая 4 статьи в периодических журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента на полезные модели, свидетельство на ПО и монографию.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и приложений. Объем диссертации составляет 150 страниц основного текста, 83 рисунка, список литературы включает 101 наименование.
Основные показатели эффективности и особенности альтернативных источников электроэнергии
Россия, безусловно, лучше, чем любая другая страна мира обеспечена собственными запасами топливно-энергетических ресурсов. На каждого жителя у нас приходится в 10 раз больше энергоресурсов, чем в среднем в мире, а ТЭК производит часть ВВП РФ и налоговых поступлений в бюджет страны. Однако энергоемкость ВВП у нас в 4 раза выше, чем в США, в 3,6 раза – чем в Японии и в 2,5 раза – чем в Германии.
Проблема энергосбережения и энергоэффективности может быть частично решена совершенствованием малой энергетики с использованием АИЭ и НВИЭ. В соответствии с распоряжением Правительства РФ от 8.01.2009 г. №1-р «Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии на период до 2020 г.» данному направлению уделяется большое внимание.
Основными достоинствами локальных СЭС являются: повышение надежности электроснабжения потребителей и снижение потерь электроэнергии вследствие приближения энергоисточника к потребителю; устойчивость к различного рода возмущениям в смежных зонах из-за независимости их от центральных сетей; значительное снижение или равномерность распределения нагрузки на окружающую среду; использование финансовых средств местных бюджетов и отдельных граждан на создание энергообъектов; возможность сооружения комплексных АИЭ на базе солнечных, ветроэнергетических и биогазовых установок, мини-ГЭС, а также дизельных, газомоторных и небольших ГТУ в сочетаниях, определяемых наличием местных ресурсов; снижение затрат на транспортировку топлива. Построение локальных СЭС основывается на следующих принципах: зонный принцип формирования (потребитель, группа, населенный пункт, административно-территориальная единица); принцип взаимонезависимости и взаимодействия с соседними СЭС.
В качестве малых АИЭ применяются установки мощностью от нескольких кВт до десятков МВт в агрегатах, использующих энергию солнца, ветра, водных стоков рек, биоотходов, тепла земли, органического топлива и т.п. Запасы возобновляемых энергоресурсов в России огромны (табл. 1.2).
Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что основные виды НВИЭ имеют высокий потенциал роста и могут существенно сэкономить органическое топливо. В настоящее время производство электроэнергии от НВИЭ составляет 20,36 млн. т у.т./год или 2,91 % от добычи природного газа. Более детально показатели производства электроэнергии от АИЭ показаны в табл. 1.3.
Таким образом, в России сегодня ежегодно на базе электростанций НВИЭ мощностью 2200 МВт вырабатывается около 8,5 млрд. кВтч электроэнергии, что составляет менее 1 % совокупного объема вырабатываемой электроэнергии. И это не смотря на показатели известного распоряжения Правительства №1-р от 8.01.2009г. достичь к 2010 г. 1,5 %, а к 2020 – 4,5 %. Для этого нужно ввести в эксплуатацию 25 ГВт энергетических мощностей на основе НВИЭ, затратив не менее 50-70 млрд. долл. США. Для таких вложений в развитие АИЭ у государства и частного бизнеса должна быть серьезная мотивация.
Одной из причин роста интереса к НВИЭ могут быть международные экологические обязательства страны по ограничению выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду. Однако падение промышленного производства в 90-е годы привело к такому снижению выбросов, что Россия только после 2030 года сможет вернуться к критическому уровню 1990 г. (рис.1.6).
Широко распространено мнение, что Россия – страна северная и не располагает, например, ресурсами эффективного использования солнечной энергии (рис. 1.7), а ветровые ресурсы доступны лишь по побережьям Северного Ледовитого и Тихого океанов, где практически отсутствуют потребители .
Мат. модель СЭС автономных потребителей
Процесс формирования электрических нагрузок потребителя имеет вероятностный характер (рис. 2.6), поэтому при определении закономерностей формирования и числовых значений графика нагрузок потребителя можно использовать общепринятые методы теории вероятностей и математической статистики. На основании этих методов устанавливаются числовые характеристики и законы распределения рассматриваемых величин. Вопросы формирования графиков нагрузок рассматривались в литературе [13,39,65].
Рассмотрим процесс формирования графика нагрузки группы электроприемников. Включение и выключение отдельных электроприемников можно рассматривать как случайные события. Как известно, случайный процесс -график нагрузки - характеризуется функцией распределения, математическим ожиданием и корреляционной функцией, которая отражает зависимость между параметрами процесса.
Если допустить, что электроприемники включаются независимо друг от друга (в большинстве случаев так и есть), то число электроприемников, из общего их числа, работающих одновременно и составляющих групповую нагрузку может быть определено по биномиальному закону. Если значение величины р незначительно отличается от 0.5, а также при значениях переменной, незначительно отличающихся от математического ожидания, действует асимптотическое представление биноминального распределения нормальным.
Для примера, произведем построение модели нагрузок одноквартирного жилого дома, энергоснабжение которого осуществляется от ВДЭУ. Сложность моделирования нагрузок заключается, прежде всего, в большом разнообразии электроприемников. Тем не менее, несмотря на зависимость вида и количества электроприемников от таких факторов как вид хозяйства, уклад семьи, состав семьи, уровень жизни, район и многих других, возможно построить модель некоего «среднего» автономного жилого дома (усадьбы) с небольшим хозяйством. Для построения такой модели разработана карта сбора статистических данных, которая была предложена владельцам 12 хозяйств в разных районах РФ. Результаты обработки данных по набору электроприемников, их мощности и годовому потреблению электроэнергии сведены в таблицу 2.2. Таким образом, можно сделать следующие выводы: 1. Установленная мощность электроприемников в большинстве индивидуальных хозяйств не превышает 20 кВт. В нашем случае исключение составили два хозяйства, в одном из которых была небольшая установка для производства комбикорма мощностью 6 кВт, а в другом деревообрабатывающее оборудование общей мощностью свыше 12 кВт. 2. Критическая минимальная нагрузка, которую должен обеспечивать источник питания не превышает для большинства хозяйств 2 кВт. Таким образом, можно определить минимальную мощность Pmin резервного источника в самом худшем варианте (аккумулирующая система разряжена, ВЭУ не вырабатывает энергии), которая не должна быть меньше 2 кВт. Данная модель основана на двух принципах: постоянная часть (реальные усредненные статистические данные потребителей) и переменная часть (вероятностная составляющая на основе нормального распределения). При построении модели учитывались также следующие факты. В целях устранения возможных убытков от перерыва в энергоснабжении источник питания должен обеспечивать (в случае отсутствия централизованного энергоснабжения) минимально необходимую мощность Рmin для питания определенных электроприемников. Принимаем Рmin 2000 Вт (по потребляемой мощности доильной установки и холодильника). Таким образом, мощность источника гарантированного питания не должная быть ниже 2000 Вт. Сезонность графика нагрузки учитывалась коэффициентами для весенне-летнего (К=1) и осенне-зимнего периодов. Приведенная модель может быть использована для расчета вероятности совпадения нагрузки и поступления энергии ветра для включения в общую модель системы автономного электроснабжения.
Однако, как было показано в 1.3, более экономичной структурой автономной СЭС в рамках комбинированной ВДЭУ является схема с дифференцированием тепловой и электрической нагрузки потребителей (рис. 1.14). Это связано с тем, что обособление тепловой нагрузки 3-ей категории (величиной до 80 %) позволяет значительно снизить установленную мощность силовой преобразовательной части АГК и повысить энергетические показатели ДЭУ. Поэтому необходимо знать суточные графики потребления не только общей нагрузки, но и отдельно тепловой, которая является также случайной величиной, зависящей, главным образом, от температуры окружающего воздуха в данном пункте.
Для получения графиков нагрузки необходимо проводить систематические измерения потребляемой мощности в течение суток [29]. На наш взгляд, проведение таких измерений в рамках задачи определения степени согласованности случайных величин неоправданно трудоемко. Так, для получения графика с надежностью 0,9 при доверительном интервале 30% необходимо провести измерения в 622 пунктах, причем, все они должны быть однотипными, а наблюдения должны проводиться в течение года. При определении степени согласованности случайных величин допускается для получения графиков их изменения применять экспертные оценки -один из видов пассивного эксперимента. Однако и в этом случае количество экспертов должно быть велико.
Для сокращения времени экспериментов воспользуемся правилом приведения одной случайной величины к другой, которое состоит в следующем. Чтобы случайную величину X привести к случайной величине Y, имеющей такой же закон распределения, но другие статистические параметры распределения, необходимо фактически наблюдаемые значения Xj изменить, предварительно вычислив коэффициенты приведения. На основании изложенного правила воспользуемся методикой ускоренного получения графиков нагрузки автономного пункта: на основании малого количества опытов (или небольшого числа экспертов) определяются значения мощности j-ых нагрузок за i-ый интервал и строится усредненный график нагрузки; определяются опытные параметры распределения нагрузки (среднее значение и среднее стандартное отклонение мощности); сравниваются опытные параметры с параметрами генеральной совокупности; изменяются значения нагрузки в i-ый интервал по изложенному правилу приведения; строятся графики нагрузки, приведенной к генеральной совокупности.
Математическое описание ЭМС ВЭУ в СОДС
Задача изучения ВЭУ как объекта диагностирования связана с исследованием функционирования исправного состояния ЭМЧ, выделением элементов и связей между ними, анализом возможных их технических состояний, определением их параметров, характеризующих техническое состояние ВЭУ, пределов, характера измерения и технической возможности их контроля, степени детализации возможных мест, видов, причин и частоты появления дефектов СГ-ПЧ (глубины диагностирования), сбором данных о затратах, связанных с осуществлением элементарных проверок.
Теоретическое обобщение процесса диагностирования ВЭУ при ограниченной информации о его техническом состоянии предопределяет использование формального описания СГ-ПЧ, то есть его математической модели диагностирования. Последняя должна обеспечивать необходимую глубину диагностирования и быть пригодной для дальнейшего синтеза алгоритмов диагностирования. Синтез алгоритмов диагностирования должен предусматривать оптимизацию алгоритмов поиска дефектов с учетом показателей надежности элементов СГ-ПЧ, временных, материальных и других затрат на реализацию алгоритмов. При разработке средств диагностирования ВЭУ необходимо учитывать следующие показатели: номинальные и допустимые значения входных и выходных сигналов; требуемые статическую и динамическую точность их измерения; достоверность и быстродействие диагностирования; техническую и метрологическую надежность, а также форму представления результатов и способ связи с объектом диагностики.
При разработке математической модели диагностирования ВЭУ приходится учитывать, что в ЭМЧ как объекте диагностирования тесно взаимосвязаны электрические, электромеханические и механические устройства и элементы, отличающиеся функциональным назначением и принципом действия. При описании их технического состояния обычно применяются соответствующие математические формы и аппараты (дифференциальные, разностные, логические уравнения, структурные схемы, ориентированные графы, конечные автоматы и т.п.). Необходимость сопряжения между собой разнородных математических моделей вынуждает пользоваться более общими математическими описаниями СГ-ПЧ как объекта диагностирования. К числу таких описаний можно отнести представление ЭМЧ абстрактной динамической системой, процесс функционирования которой состоит в изменении состояния системы под воздействием внешних и внутренних причин. Эти причины составляют следующие множества: S -множество состояний s системы; Т - множество моментов времени t; X и Z -множества входных х и выходных z сигналов системы. Математическая модель подобной системы определяется как взаимосвязь переменных: s=f(x,z,t,F\F,L\L), (3.1) где seS, хєХ, zeZ, teT, F (t,x,s)=P , F(t,x,s)=P - операторы переходов, отражающие изменения состояния системы под воздействием внешних и внутренних возмущений; L (t,x,s)=y, L(t,x,s)=y - операторы выходов, описывающие формирование выходного сигнала под действием внутренних и внешних возмущений. Индекс ( ) принадлежит операторам, учитывающим действие внутренних возмущений. Такой способ описания СГ-ПЧ является наиболее универсальным и позволяет объединить в себе все возможные классы технических состояний. Однако для решения практических задач диагностирования подобное описание ВЭУ слишком общее и не конкретное. В рамках этой модели удобнее отдельно анализировать каждый класс состояний конкретных устройств и их функциональных состояний, входящих в ЭМЧ. Для распознавания технического состояния системы как объекта диагностирования будем пользоваться множеством технических состояний Е. Входящие в него подмножества Е-х (где /=0,1,2,...,7V) описывают технические состояния е-х объекта, характеризующие совокупность возможных его состояний s-x. Соответственно, подмножество EQ (при /=0) соответствует исправному состоянию объекта, а подмножества Ех (при / 0) - его неисправным состояниям, вызванным появлением дефекта в /-й составной части объекта.
На практике часто нет необходимости строго следить за выполнением функциональных зависимостей между входными и выходными сигналами объекта. Достаточно сделать лишь заключение о техническом состоянии объекта по результатам оценки значений его входных и выходных сигналов вида "в допуске - не в допуске". Обозначим название "в допуске" символом 1, а название "не в допуске" символом 0. Тогда результат взаимодействия совокупности операторов М ={ЕЬЕХ ,Е-ЪЕ-Х) уравнения (3.1) будет отражать булеву функцию условий работы объекта диагностирования. Необходимо оговорится, что каждый /-элемент объекта выполняет лишь один алгоритм функционирования. Тогда фактическое значение выходного сигнала (результат проверки этого элемента) определяется следующим образом: Z=ФiAE,, (3.2) где Ф, - функция условия работы /-элемента, определяемая конъюнкцией внешних и внутренних переменных: ФГМАХПАХЙЛ... , (3.3) Обозначим символом П множество всех элементарных проверок Zj(j=l,2,...,s). Тогда прямоугольная таблица, строкам которой соответствуют элементарные проверки Zj, столбцам - технические состояния S[, элементов объекта, а клеткам j, і, находящимся на пересечениях строк Zj и столбцов S{, соответствуют результаты Щ проверок, будет представлять собой матрицу или таблицу функций неисправностей (ТФН) объекта диагностирования. Другими словами, ТФН - это упорядоченное формализованное представление множеств возможных состояний объекта диагностирования.
ТФН обладает двумя основными свойствами: - свойством обнаружения любой неисправности ЄієЕ, т.е. для любой неисправности найдется хотя бы одна элементарная проверка Z, такая, что - свойством различения всех неисправностей, т.е. для каждой пары неисправностей е{ и ек (i k), найдется хотя бы одна элементарная проверка Z3 такая, что Я Ящ. Такие свойства предопределили широкое применение ТФН в технической диагностике. Тем не менее, непосредственное использование ТФН в инженерной практике невозможно. Это объясняется, прежде всего, тем, что общее число возможных состояний объекта диагностирования при его разделении на N функциональных (или логических) элементов и дуальном исходе (исправен, неисправен) составляет 2N-1. Определить и учесть такое большое число состояний весьма трудно, даже для простых объектов диагностирования. Поэтому предположим, что в объекте диагностирования возможен дефект лишь одного функционального элемента. Тогда число возможных неисправных состояний объекта диагностирования резко сокращается и становится равным N, а множество Е технических состояний объекта диагностирования на 1 больше числа логических элементов. После такого упрощения ТФН на ее основе можно проводить синтез алгоритмов диагностирования. Задачу построения алгоритма диагностирования можно сформулировать следующим образом. Через разбиение множества Е на X непересекающихся множеств Еv (где v=l,2,...X), задана требуемая глубина диагностирования объекта. Следует определить минимальную совокупность элементарных проверок Zj и последовательность их реализации, обеспечивающих заданную глубину диагностирования объекта.
Особенность такого способа задания глубины диагностирования в том, что при разбиении объекта на N блоков и возникновении в объекте дефекта только одного блока, число непересекающихся подмножеств Еv технических состояний объекта минимально и равно N+1, т. е. включает в себя N одиночных неисправных состояний объекта и одно исправное состояние. Указанное разбиение объекта хорошо сочетается с представлением объекта диагностирования его функциональной моделью и соответствует ТФН с минимальным числом столбцов и строк. Чтобы обеспечить требуемую глубину диагностирования, совокупность элементарных проверок алгоритма диагностирования должна различать каждую пару технических состояний объекта диагностирования, принадлежащим разным подмножествам Еv и Е мXм V)его состояний, т.е. обладать свойствами обнаружения и различения заданных дефектов объектов. Совокупность П элементарных проверок алгоритма диагностирования является полной, если она обеспечивает диагностирование с заданной глубиной, и неизбыточной, если удаление из нее любой одной элементарной проверки ведет к уменьшению глубины диагностирования. Полные неизбыточные совокупности с наименьшим числом элементарных проверок называют минимальными. Определение минимальных совокупностей элементарных проверок осуществляется по ТФН, путем выполнения следующих операций:
Анализ результатов экспериментальных исследований
Комплексные испытания разработанных и описанных выше структур ЭМЧ ВЭУ проведены на универсальном экспериментальном стенде, рассчитанном и созданном при участии автора в научно-исследовательской лаборатории кафедры «Электрооборудования судов» НГТУ им. Р.Е. Алексеева.
Фотографии осциллограмм стационарных и переходных процессов в ЭМЧ АГК, имитирующего физику процессов ВЭУ, показаны на последующих рисунках (рис. 4.10 – рис.4.42).
Методика экспериментальных исследований предусматривает снятие мгновенных значений выходного тока и напряжения при различных вариантах функционирования узлов стенда. Полученные осциллограммы сняты штатными приборами – осциллографом С 01-54 и OWON 10.02.2012 г. Анализ экспериментальных данных на выходе выпрямителя. Ниже на рисунках представлены результаты экспериментальных исследований электромагнитных процессов в ВЭУ, к которым относятся кривые мгновенных значений: – линейного напряжения статора синхронного генератора (СГ); – тока статора синхронного генератора; – напряжения на силовых IGBT-транзисторах; – тока через силовые ключи; – тока через нагрузку. Кривые мгновенных значений напряжений и токов при работе понижающего ключа при активной нагрузке в 5 Ом представлены на рис. 4.10 – рис. 4.14. В частности, на рис. 4.10 и рис. 4.11 представлены кривые мгновенного значения линейного напряжения статора СГ без нагрузки и с нагрузкой соответственно. Размерность по осям: “y”– 50 В/дел., “x”– 10 мс/дел.
Кривые мгновенных значений напряжений и токов при работе повышающего ключа при активной нагрузке в 5 Ом представлены на рис. 4.16 – рис. 4.21. Так на рис. 4.16 и рис. 4.17 представлены кривые мгновенного значения линейного напряжения статора СГ без нагрузки и с нагрузкой соответственно. Размерность по осям: “y” – 50 В/дел., “x” – 10 мс/дел.
Анализ экспериментальных результатов работы выходного инвертора макета ВЭУ. Далее представлены экспериментальные данные результатов исследования характеристик макета ВЭУ с учетом особенностей работы выходного инвертора. Кривые мгновенных значений выходного напряжения и тока на рис. 4.32– рис. 4.42 получены в различных структурных комбинациях работы лабораторной установки при работе повышающего и понижающего ключей стабилизатора постоянного напряжения, блока ограничения перенапряжений и аккумуляторной батареи (АБ) с нагрузками активного и активно-индуктивного характера.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтверждают теоретическую часть работы и могут быть основой для более глубокого и детального исследования проблемы генерирования энергии с помощью ВЭУ. Кроме того, полученные данные могут быть использованы в качестве основы для сравнительного анализа ВЭУ, построенных по другим комбинационным вариантам структур.
Для АГК СЭС на основе автономных энергоустановок с ВЭУ предполагаются затраты на приобретение энергетической установки и эксплуатационные издержки. Поэтому, получение электроэнергии от автономной СЭС не позволяет получать прибыли, а следовательно, разовые затраты не являются инвестициями в производство. В такой ситуации альтернативные варианты сравниваются по стоимости приобретаемого товара, то есть, себестоимость производимой электроэнергии должна сравниваться при различных вариантах электроснабжения.
Необходимо при этом учитывать риск неполучения процентов в результате закрытия банка. Как показывает практика существующей рыночной экономики в России, такой риск достаточно велик, хотя и не может быть определен с приемлемой точностью. Если существует риск неполучения банковских или иных процентов, преимущество получает именно тот инвестор, который перевел в материальные ценности большую сумму денег. Это подтверждается опытом ведения хозяйства в России с 1991 года. На основании приведенных выше аргументов предлагается при определении себестоимости электроэнергии учитывать возможность перевода денег в твердую валюту, а не возможность вложения их в банковские учреждения. На рис. 4.44 приведены статистические данные о росте курса доллара США в России, из которых следует, что средний рост к настоящему времени составляет 10 %.
По первому варианту затраты зависят от удаленности автономного пункта. По второму и третьему варианту затраты практически не зависят от расстояния до точки подключения к энергосистеме. Необходимо сравнить себестоимость электроэнергии по всем трем вариантам электроснабжения (базовый вариант) и по предлагаемому варианту (электроснабжение от ВЭУ роторного типа с аккумуляторным резервированием). 1.Экономическое сравнение предлагаемой системы электроснабжения с централизованной. Определялось, при каком удалении фермерского хозяйства электроснабжение от энергосистемы становится неэффективным, то есть, определялись граничные условия эффективности применения автономной СЭС. Альтернативой автономного электроснабжения автономного пункта является традиционное электроснабжение от энергосистемы. При этом требуются инвестиции на строительство ЛЭП и подстанции и последующая плата за потребляемую электроэнергию (эксплуатационные издержки), которые и определяют себестоимость электроэнергии. Совершенно очевидно, что стоимость подстанции и ВЛ-0,4 не зависят от удаленности, а стоимость ВЛ-10 напротив зависит от удаленности до места подключения. При некотором расстоянии пункта от точки присоединения к энергосистеме себестоимость электроэнергии будет равна себестоимости электроэнергии при автономном электроснабжении. Таким образом, определенная удаленность автономного пункта от энергосистемы и будет условием эффективного применения автономной СЭС.
В качестве базового варианта сравнения (передвижная электростанция) может использоваться бензиновая или дизельная электростанция. Учитывая, что ДЭУ, выпускаемые отечественной промышленностью, имеют номинальную мощность не менее 16 кВА, а использование ДЭС зарубежного производства экономически заведомо не выгодно, в связи с превышением их стоимости более чем в 3 раза, по сравнению с отечественными. При этом максимальная мощность потребителя не превышает 4 кВт, поэтому принимается бензиновая электростанция АБ- 4/380-У. Ее паспортные данные следующие: тип - бензиновая передвижная; номинальная мощность - 4 кВт; (1,5) номинальное напряжение - 380 В; род тока - переменный трехфазный; номинальные обороты - 1500 об/мин; масса-136 кг; (115) КПД электростанции -0,18; к. п. д. генератора - 0,84; расход топлива - 0,25 л/кВт.ч. Экономическое сравнение с установкой пропеллерного типа. СЭС на основе ВЭУ пропеллерного типа, по одному из базовых вариантов, как и на основе роторной предназначена производить электрическую энергию для бытовых нужд. Остальные условия производства электрической энергии также идентичны. Поэтому затраты для установки пропеллерного типа рассчитываются как для роторной ВДЭУ.
