Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ современных ЕВСЭЭС 11
1.1Основные особенности современных ЕВСЭЭС 11
1.2 Особенности современных ГЭУ 17
Выводы к главе 1 25
Глава 2. Математические модели элементов ЕВСЭЭС 26
2.1. Математическая модель высоковольтного бесщточного синхронного генератора 26
2.2 Математическая модель электронного автоматического регулятора напряжения генераторного агрегата 38
2.3 Математическая модель приводного дизельного двигателя с электронным автоматическим регулятором частоты вращения 41
2.4 Математические модели ЕВСЭС 46
2.5 Математические модели статической нагрузки 54
2.6 Математические модели пропульсивных трансформаторов 54
2.7 Математические модели полупроводниковых преобразователей частоты 56
2.8 Математические модели гребных электродвигателей 61
2.9 Математические модели ГЭУ 67
Выводы к главе 2 72
Глава 3. Компьютерное моделирование ЕВСЭЭС с комплексами типа Azipod 73
3.1 Общие сведения о среде моделирования MATLAB-Simulink 73
3.2 Создание компьютерной модели ЕВСЭС 75
3.3 Создание компьютерной модели ГЭУ с комплексом типа Azipod 80
3.4 Настройка параметров электронных регуляторов напряжения и частоты 83
3.5 Исследование переходных процессов в ЕВСЭЭС с комплексами типа Azipod 90
Выводы к главе 3 103
Глава 4. Компьютерное моделирование ЕВСЭЭС в нормальных и аварийных режимах работы 104
4.1 Особенности ЕВСЭЭС судов с системами динамического позиционирования 104
4.2 Микропроцессорные системы управления и защиты ЕВСЭЭС 113
4.3 Алгоритмы функций системы управления ЕВСЭЭС 118
4.4 Компьютерное моделирование нормальных режимов в ЕВСЭЭС 130
4.5 Компьютерное моделирование аварийных режимов в ЕВСЭЭС 135
Выводы к главе 4 148
Заключение 149
Список использованных сокращений 152
Литература
- Особенности современных ГЭУ
- Математическая модель приводного дизельного двигателя с электронным автоматическим регулятором частоты вращения
- Создание компьютерной модели ГЭУ с комплексом типа Azipod
- Микропроцессорные системы управления и защиты ЕВСЭЭС
Особенности современных ГЭУ
Единые высоковольтные судовые электроэнергетические системы с напряжением свыше 1000 вольт находят все большее применение на морском транспорте. Прежде всего, это обусловлено ростом мощностей судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) а так же потребностью в судах с высокой манвренностью, достигаемой использованием гребных электрических установок и электродвигательных подруливающих устройств (ЭПУ). При этом для судов нового поколения весьма перспективны пропульсивные комплексы, представляющие собой погружной агрегат в виде гондолы, вынесенный за корпус судна и сочетающий в себе функции главного движителя с электрическим приводом и рулевого устройства.
В качестве источников электрической энергии в ЕВСЭЭС обычно используются дизель-генераторные агрегаты. Используя модульный принцип компоновки которых, появляется возможность более рационально использовать корпусные объемы судна для размещения машинного оборудования. Таким образом, ЕВСЭЭС с системами электродвижения и отбором мощности на судовые электропотребители имеют ряд принципиальных преимуществ перед энергетическими установками с прямой передачей мощности на гребные винты и автономной электростанцией:
отпадает необходимость вспомогательной электростанции для общесудовых потребителей; более эффективное распределение нагрузки между параллельно работающими генераторами; снижение расхода топлива и повышение КПД; повышение наджности и эксплуатационных характеристик установки в целом; высокие манвренные характеристики ГЭУ и ЭПУ; отсутствие необходимости применения гребного вала, пера руля; снижение уровня шума и вибраций; уменьшение пространства машинного отделения вследствие отсутствия длинных валопроводов, рациональнее используется грузовое пространство судна; возможность гибкого планирования технического обслуживания и ремонта генераторных агрегатов путм поочердного вывода их из эксплуатации [5, 17]. В состав современных ЕВСЭЭС входят следующие основные элементы: высоковольтные генераторы и их приводные двигатели; распределительные щиты высокого и низкого напряжений; коммутационная аппаратура; силовые понижающие трансформаторы; полупроводниковые преобразователи частоты (ППЧ); гребные электрические двигатели (ГЭД); системы возбуждения; микропроцессорные системы управления, контроля и защиты; силовые кабельные трассы и кабельные сети системы управления.
Среди требований к ЕВСЭЭС стоит отметить требования, относящиеся к качеству электроэнергии, вырабатываемой единой электростанцией, а также требования к е защите.
Основным приемником электрической энергии в ЕВСЭЭС является ГЭУ, мощность которой, как правило, значительно превосходит мощности общесудовой нагрузки. Однако ГЭУ одновременно является и основным источником помех в ЕВСЭЭС, в первую очередь это связано с помехами от работы полупроводниковых преобразователей частоты (ППЧ), служащих для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей (ГЭД). Для на-джной и эффективной работы всех элементов ЕВСЭЭС необходимо обеспечить надлежащее качество электроэнергии и ограничить наличие высших гармонических составляющих в системе не более 5%. Этого можно достичь путм использования дополнительных фильтров, а также за счт некоторых схемных решений (использование многообмоточных пропульсивных трансформаторов а так же 12- и 24-пульсных схем выпрямления для преобразователей частоты). В качестве устройств ограничения искажений синусоидальности на пряжения на шинах ГРЩ ЕВСЭЭС могут использоваться линейные фильтры. Такие фильтры должны эффективно действовать при любых режимах работы ГЭУ. Конструкция трансформаторов, которые используются для работы с полупроводниковыми преобразователями, должна учитывать возможные ис кажения по синусоидальности напряжения. При проектировании главного распределительного щита, выборе сечения шин и т.п. необходимо учиты вать возможность наличия в системе гармонических составляющих помех от работы ППЧ ГЭУ, увеличивающих нагрев токоведущих частей. Двигатели, работающие от полупроводниковых преобразователей, должны конструиро ваться с учетом ожидаемых гармонических составляющих питающего напряжения. Должен быть предусмотрен достаточный резерв мощности для компенсации повышенной температуры в сравнении с нагревом машины при синусоидальном питании [30, 31].
Для наджной защиты ЕВСЭЭС должны использоваться высокоэффективные микропроцессорные системы защиты и управления. Все устройства систем управления и защиты ЕВСЭЭС, должны питаться от сети через источники бесперебойного питания (ИБП), которые в случае обесточивания должны обеспечивать питанием эти системы в течение не менее 30 минут. Автоматизированная микропроцессорная система управления единой электростанцией, должна обеспечивать адекватное управление работой главных генераторных агрегатов в соответствии с потребностями конкретных режимов работы ЕВСЭЭС (стояночный, ходовой, манвренный или режим ДП). Все основные элементы ЕВСЭЭС оснащаются микропроцессорными многофункциональными устройствами защиты, которые совмещают в себе функции защиты, управления, сигнализации, измерения и мониторинга (контро 14 ля). Такие устройства являются частью систем автоматизации ЕВСЭЭС и соединяются с ней высокоскоростными коммуникационными шинами [20]. Для предотвращения ситуаций обесточивания в микропроцессорной системе управления ЕВСЭЭС должны быть реализованы функции ограниче ния и снижения нагрузки единой электростанции. Эти функции особенно ак туальны для режимов динамического позиционирования судна. Функция ог раничения нагрузки служит для предотвращения ситуаций перегрузки ГА ЕВСЭЭС и автоматически ограничивает мощность ГЭУ и ЭПУ. Суммарная нагрузка ЕВСЭЭС не должна превышать установленного предела доступной общей мощности единой электростанции в различных режимах. Функция ав томатического снижения нагрузки единой электростанции производит авто матическое снижение мощности ГЭУ и ЭПУ, в случае резкого снижения дос тупной мощности на шинах ГРЩ. При отключении одного из параллельно работающих генераторов системой защиты, автоматизированная система управления электростанцией должна автоматически снизить мощность ГЭУ и ЭПУ для защиты оставшихся генераторов от перегрузки [44].
ЕВСЭЭС с различным числом электрических подруливающих устройств активно используются на судах с СДП. Такие системы применяются как на судах, так и на плавучих буровых объектах и относятся к системам активного удержания объекта в заданной точке. ЕВСЭЭС судов с СДП 2-го и 3-го класса имеют свои особенности. Такие ЕВСЭЭС должны иметь возможность разделения на несколько независимых подсистем, при этом в процессе эксплуатации они могут функционировать как единые системы. Автоматизированная система управления ЕВСЭЭС должна иметь двойной уровень резервирования и получать питание от основного и аварийного источников электроэнергии [46, 47].
Математическая модель приводного дизельного двигателя с электронным автоматическим регулятором частоты вращения
Для нормальной работы регулятора должны быть указаны предельные значения выходного напряжения иКМАХ и uRM]N для предупреждения ситуаций перевозбуждения и недовозбуждения генератора. Блок ограничения -это стабилизирующий элемент, логические условия работы которого, могут быть описаны следующим образом: итдн ц uRM4x, (2.15) при Ц Ыхмдх , тогда ut = u ; при ui Uj jx, тогда ut = и .
Также модель АРН необходимо дополнить элементом, описывающим измерительный преобразователь переменного напряжения генератора в сигналы постоянного тока, адаптированные для ПИД регулятора. Преобразователь напряжения преобразует сигналы с измерительных трансформаторов в цифровые, его передаточную функцию можно также выразить через апериодическое звено первого порядка: Жл( ) = _ (2.16) l + TRp где KR- коэффициент пропорциональности (усиления) преобразователя; TR-постоянная времени преобразователя; р - оператор дифференцирования.
Структурная модель электронного автоматического регулятора напряжения, созданная на основе математических моделей его основных элементов, представлена на рисунке 2.4. Автоматический регулятор напряжения
Математическая модель приводного дизельного двигателя с электронным автоматическим регулятором частоты вращения
Регулировочным параметром приводного двигателя генераторной установки как объекта системы автоматического регулирования, является частота вращения его вала. Развиваемый валом двигателя вращающий момент компенсируется моментом потерь и моментом генератора, которые препятствуют вращению вала. Вращающий момент двигателя непосредственно зави сит от количества поступающего в него топлива, следовательно, регулирующее воздействие на частоту вращения вала двигателя создатся регулирующим органом изменяющим количество топлива. Для дизельного двигателя таким регулирующим органом является рейка топливных насосов высокого давления (ТНВД). Дифференциальное уравнение моментов двигателя выводится из уравнения равновесия моментов на валу и в физических единицах имеет вид: угловая скорость вращения вала двигателя; J - момент инерции всего агрегата, приведнный к валу двигателя; Мэ- электромагнитный момент генератора; Ме - вращающий момент дизельного двигателя; Все моменты приведены к валу двигателя.
Если записать все переменные в относительных отклонениях от состояния соответствующего холостому ходу агрегата при полной частоте вращения, то уравнение моментов агрегата можно записать в виде: постоянная времени разгона агрегата, с; р = относитель Мн а0 ное отклонение частоты вращения от частоты вращения холостого хода; fip -относительное отклонение координаты регулирующего органа от положения на холостом ходу; тэ - относительная безразмерная величина электромагнитного момента синхронного генератора; /3 - так называемый коэффициент самовыравнивания. При /з 0 двигатель представляет собой устойчивое апериодическое звено. В этом случае двигатель и без регулятора скорости всегда приходит к установившемуся состоянию. При /з 0 двигатель без регулятора работать устойчиво не может. При /3 = 0 двигатель представляет собой чисто интегрирующее звено [37]. В судовых дизель-генераторных агрегатах, вырабатывающих переменный ток, к постоянству частоты вращения приводного дизельного двигателя предъявляются наиболее жсткие требования. Этим обеспечиваются требования нормативных документов к частоте переменного тока судовой сети, поэтому необходимо поддерживать скоростной режим работы приводного дизеля с высокой точностью, независимо от изменения электрической нагрузки судовой электростанции. Для этой цели используются системы автоматического регулирования частоты вращения (САРЧВ) ДГА. В настоящее время на судах старой постройки находят применение механические и гидромеханические регуляторы частоты вращения дизелей, которые зарекомендовали себя как наджно работающие регулирующие устройства. Однако функциональные возможности таких регуляторов ограничены, в связи с этим совершенствование современных САР и САУ судовых дизелей идт по пути использования электронных регуляторов на микропроцессорной основе.
С применением электронных регуляторов в САР и САУ дизелем обеспечивается новый, качественно более высокий уровень, позволяющий реализовать более сложные алгоритмы управления дизелем и обеспечить недостижимые ранее показатели качества процесса регулирования его частоты вращения. Необходимым условием для такого улучшения качества процесса регулирования является оптимизация, как структуры регулятора, так и его параметров. Выбор структуры регулятора и закона регулирования определяется несколькими факторами. В современных ЕВСЭЭС приводные дизельные двигатели синхронных генераторов оснащены цифровыми ПИД - регуляторами частоты вращения. При разработке структурной модели такого регулятора удобно воспользоваться моделью представленной на рис. 2.3 [22]. В дополнение к этому необходимо также добавить блок описывающий сервомеханизм рейки ТНВД, в качестве которого могут использоваться исполнительные электродвигатели, а также электрогидравлические агрегаты. В этом случае наиболее удобно описать данный элемент с помощью апериодического звена первого порядка:
Создание компьютерной модели ГЭУ с комплексом типа Azipod
Математическая модель – это формализованное описание объекта с помощью математических соотношений, отражающих процесс его функционирования. Математические модели сложных электротехнических комплексов и систем, таких как ЕВСЭЭС, представляют собой системы дифференциальных уравнений, решение которых весьма затруднительно. Для исследования таких моделей должны использоваться современные компьютерные вычислительные системы.
В настоящее время самой известной технологией моделирования является комплексное моделирование, под которым понимается математическое моделирование с использованием средств вычислительной техники. Соответствующие технологии комплексного моделирования представляют выполнение следующих действий: определение цели моделирования; разработка математической модели; программная реализация модели; реализация модельных экспериментов; анализ и интерпретация результатов моделирования. Результаты комплексного моделирования используются как основа для дальнейших исследований и разработок, в том числе дорогостоящих натурных испытаний [9].
Главным достоинством моделирования с помощью систем компьютерной математики (СКМ) является математическая прозрачность вычислений и лгкость создания объектов, осуществляющих математические вычисления – даже самые сложные. Решение задачи при этом заключается во вводе в систему необходимых формул и учте особенностей синтаксиса описания алгоритмов нужных вычислений. Главный недостаток моделирования с помощью СКМ – чрезмерно большая трудомкость составления модели [9].
В то же время сегодня широко известны, и используются при исследованиях электротехнических устройств, программы схемотехнического моделирования, содержащие готовые макромодули электротехнических элементов (электрических машин, трансформаторов, устройств полупроводниковой техники и т.п.) [12, 13, 14, 43]. Однако при таком моделировании теряется математическая прозрачность вычислений, т.к. отсутствует точное математическое описание макромодулей, и пользователь может вести моделирование, не имея четкого представления, каким образом получаются его результаты.
Для моделирования нормальных и аварийных режимов работы ЕВ-СЭЭС необходимо учитывать не только особенности входящих в не элементов, но и совокупность алгоритмов функций систем управления и защиты, а также правил изменения состояния системы при переходе от одного режима к другому. Создание новых типов регуляторов и разработка новых, передовых технологий и алгоритмов управления ЕВСЭЭС так же очень актуальны на сегодняшний день и имеют большую научную перспективу. При этом для разработки и отладки алгоритмов управления ЕВСЭЭС, можно также использовать математическое моделирование, в этом случае, отпадает необходимость в проведении длительных и дорогостоящих экспериментов. Описав с помощью математических выражений поведение генераторных агрегатов, систем автоматического регулирования напряжения и частоты, а также при-мников электрической энергии и дополнив схему алгоритмами управления, мы получим математическую модель системы управления ЕВСЭЭС. При условии адекватности такой модели, исследователь получает в руки универсальный, гибкий и недорогой инструмент, с помощью которого можно проводить все необходимые опыты. При разработке математической модели СУ ЕВСЭЭС нет необходимости учитывать все тонкости и особенности устройства объекта. Сложность математического описания объектов управления ЕВСЭЭС, систем автоматического регулирования и алгоритмов системы управления, обусловливает использование компьютерного моделирования. Такая постановка задачи не дат возможности использования имеющихся методов аналитического или численного решения, однако позволяет имитировать процесс функционирования ЕВСЭЭС и производить измерения е параметров и характеристик. Имитационное моделирование – это математическое моделирование, имитирующее поведение, какого – либо реального объекта во времени. Именно имитационное моделирование является основным для компьютерной среды Matlab/Simulink [18, 19, 42].
Термин Matlab является сокращением английского Matrix Laboratory и изначально среда была ориентирована на матричные вычисления. Однако в настоящее время Matlab это мощный вычислительный комплекс, в состав которого входит множество дополнительных пакетов расширения, среди которых наиболее популярен пакет Simulink (от английского simulation – моделирование). С помощью пакета Simulink осуществляется имитационное блочное визуально-ориентируемое моделирование линейных и нелинейных динамических систем и устройств, различного назначения. Эффективность использования среды Matlab/Simulink для исследования математических моделей судовых электроэнергетических систем доказана в работах [38, 40].
Микропроцессорные системы управления и защиты ЕВСЭЭС
Микропроцессорные системы управления и защиты ЕВСЭЭС являются частью общесудовых АСУ и предназначены для автоматического и дистанционного управления основными элементами ЕВСЭЭС.
Система управления ЕВСЭЭС выполняет следующие функции: производит сбор информации о состоянии ГА и автоматических выключателей основных элементов, нагрузке генераторов и их основных параметров; обеспечивает стабильность частоты и напряжения в сети; решает задачи по запуску ГА, их синхронизации и распределению активной мощности между параллельно работающими генераторами; определяет необходимый состав ГА для конкретного режима; обеспечивает контроль нагрузки электростанции и контроль запуска мощных потребителей; вырабатывает необходимые команды по предотвращению обесточи-вания судна в аварийных режимах, а также команды по выходу из обесточенного состояния.
Система управления ЕВСЭЭС контролирует основные параметры и вырабатывает управляющие сигналы, таким образом, чтобы постоянно обеспечивать все примники электроэнергии необходимой мощностью и своевременно реагировать на изменения нагрузки в системе, вызываемые необходимыми в данный период режимами работы.
Число подключнных генераторных агрегатов и мощность ЕВСЭС должны определяться с учетом следующих режимов работы судна: стояночного режима; ходового режима; режима динамических изменений упоров гребных винтов ГЭУ и ЭПУ. Одной из основных функций СУ ЕВСЭЭС является функция контроля нагрузки. Суммарная нагрузка ЕВСЭЭС не должна превышать установленно 114 го предела доступной общей мощности единой электростанции в различных режимах.
При достижении установленной предельно допустимой нагрузки на шинах ГРЩ (например, 80 %) СУ ЕВСЭЭС автоматически ограничивает мощность, передаваемую на ГЭУ и ЭПУ, и формирует сигнал на подключение к шинам РДГ. Кроме этого СУ ЕВСЭЭС, осуществляет контроль запуска мощных потребителей, и разрешает их подключение только при наличии достаточного резерва мощности на шинах ЕВСЭС.
Процедура автоматического подключения РДГ включает в себя процедуры автоматического пуска РДГ, автоматической синхронизации РДГ с сетью и автоматического распределения нагрузки между подключнным ДГ и работающими.
Все дизель-генераторы, находящиеся в резерве, имеют соответствующий номер очередности пуска агрегатов и их подключения к шинам ГРЩ. При этом приводные механизмы резервных ГА находятся в постоянной готовности к немедленному пуску, и их параметры постоянно контролируются.
При неготовности к пуску какого-либо ДГ, в СУ ЕВСЭЭС поступает соответствующая информация о невозможности автоматического пуска агрегата, и в этом случае команда о запуске будет поступать на следующий в очереди ДГ.
Для того чтобы автоматическое подключение РДГ в функции нагрузки не происходило при кратковременных колебаниях нагрузки в системе, в канал формирования сигнала вводится соответствующая выдержка времени.
Также СУ ЕВСЭЭС автоматически отключает один из работающих ДГ, при снижении нагрузки на шинах ниже установленного значения (например, 30%). При этом число работающих ДГ не может быть меньше минимально необходимого числа для данного режима. Также необходимо, чтобы автоматическое отключение агрегатов не происходило при кратковременных колебаниях нагрузки. Кроме того, в функции системы управления входят функции автоматической защиты ЕВСЭЭС от обесточивания в аварийных режимах и выхода из обесточенного состояния судна.
При единичном отказе какого-либо элемента ЕВСЭЭС (например ГА) система должна отреагировать таким образом, чтобы не допустить распространения аварии до отключения примников электроэнергии.
Техническое состояние элементов ЕВСЭЭС контролируют по отклонению рабочих параметров от установленной нормы: при отклонении значения сигнала больше уставки выдатся сигнал о неисправности. Неисправное состояние может быть вследствие повреждения или отказов элементов.
Отказы элементов можно разделить на две группы: постепенные, характеризующиеся постепенным изменением одного или нескольких контролируемых параметров (например, от перегрева), и внезапные, отличающиеся скачкообразным изменением контролируемых параметров (например, токов к. з.).
При постепенном отказе отключение аварийного элемента или участка осуществляется после соответствующих переключений, а при внезапном отказе отключение аварийного элемента (участка) происходит практически мгновенно с последующим восстановлением питания, если это возможно.
При постепенном отказе в работающем ДГА СУ ЕВСЭЭС автоматически производит снижение нагрузки единой электростанции и подат команду на подключение к шинам РДГ. Когда РДГ подключн и взял на себя нагрузку неисправный ДГ отключается и останавливается, а нагрузка восстанавливается до прежнего значения.
