Введение к работе
Аістуальность проблемы. Развитие автономной электроэнергетики в настоящее время характеризуется ростом потребности в автономных источниках электропитания различной мощности общепромышленного и специального назначения, увеличением единичной мощности этих источников, заметным повышением требований к ним по мобильности, надежности и экономичности, по качеству электрической энергии. Находит применение широкая гамма автономных энергоустановок (АЭ), которые подразделяются по номинальной мощности, величине напряжения и частоте генерируемого тока, по типу генератора и способу его охлащения, типу приводного двигателя, по целевому назначению и условиям эксплуатации. В АЭ, мощность которых лежит в диапазоне от 1кВт до 100 МВт, выходное напряжение - от 12В до 10 кВ, частота - до 5000 Гц, используются различные типы генераторов, имеющие различное конструктивное исполнение и способ охлаждения. В качестве приводных двигателей применяются двигатели внутреннего сгорания, дизели, паровые, гидравлические и газовые турбины.
Для дальнейшего повышения мощности, надежности и живучести источников электроснабжения в экстремальных условиях электромашинные генераторы объединяют в группы параллельно работающих единиц, получая автономные энергетические системы с быстродействющим автоматическим управлением энергоблоками на основе современных технических средств.
С другой стороны, существует потребность в автономных генераторах сравнительно небольшой'мощности для экологически чистых зыергоустановок, в том числе для микро-ГЭС мощностью до 10 кВт, плотинных малых ГЭС мощностью до 1 МВт, ветроустановок мощностью до 1 МВт. В этих случаях.АЭ также, должны обеспечивать высокую надежность работы и заданный уровень качества электроэнергии при полной автоматизации процесса преобразования. энергии с целью максимального упрощения обслуживания.
К числу основных проблем, требующих решения для дальнейшего развития автономной электроэнергетики можно отнести следующие:
уменьшение габаритов, массы активных материалов и общей массы генераторов и систем их возбуждения;
уменьшение потерь в процессе преобразования энергии и увеличение КПД генераторов;
достижение высокого качества параметров электроэнергии и основных характеристик генератора в рабочих и переходных режимах;
обеспечение высокой надежности генератора в рабочих, переходных и аварийных режимах работы а также высокой степени жизучести энергоустановки в экстремальных условиях.
Анализ энергетических возможностей генераторов различных типов показывает, что создание систем электропитания на основе автономных асинхронных генераторов (ААГ) может стать одним из наиболее перспективных направлений в автономной энергетике.
За рубежом энергоустановки, выполненные на основе ААГ малой и средней мощности (до 1 МВт ), находят применение в системах с приводом от паровых или газовых турбин, на малых гидростанциях, в станциях, использующих энергию пара геотермальных источников, и в установках с ветроприводом. Установки мощностью до 10 МВт используются с ветро- и гидроприводом. Выпускаются конструктивно законченные ветростанции на основе асинхронных генераторов мощностью 500 и 750 кВт.
Цель работы: Разработка и исследование системы возбуждения и стабилизации напряжения ААГ с микропроцессорным управлением, обеспечивающей высокое качество выходного напряжения в статических и динамических режимах работы.
Для достижения поставленной цели автор диссертационной работы решает следующие задачи:
анализ предлагаемых в литературе вариантов построения силовой части и блока управления систем возбуждения и стабилизации напряжения ААГ, а также алгоритмов их работы;
создание математической модели АЭ с ААГ, учитывающей алгоритм управления, насыщение машины и характеристику приводного двигателя;
математическое моделирование переходных процессов в A3 с ААГ при подключении активных, активно-индуктивных и двигательных нагрузок с использованием различных алгоритмов стабилизации напряжения;
сравнительный анализ различных алгоритмов стабилизации на основе интегральных критериев качества регулирования;
выбор структуры и алгоритма работы микропроцессорного блока управления, разработка методики и комплекса специализированных программ для проведения оптимизационных расчетов по определению коэффициентов разностного уравнения регулятора;
разработка лабораторного макета и опытно-лромышленнго образца систем стабилизации напряжения ААГ, экспериментальные исследования.
Методы исследований: В диссертационной работе используются методы математического моделирования нелинейных электрических цепей и теории дискретных систем. Для определения структуры разностного уравнения блока управления использовались методы дискретных передаточных функций и z-преобразования. Математическое моделирование переходных процессов АЭ'с ААГ проводилось численным решением системы дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта четвертого порядка. Коэффициенты разностного уравнения
определялись на основе минимизации квадратичного критерия качества с использованием параметрической оптимизации методом координатного спуска.
Научная новизна.
Разработана и программно реализована математическая модель АЭ с ААГ, позволяющая проводить оценку качества стабилизации выходного напряжения в переходных процессах при подключении (отключении) активных, активно-индуктивных и двигательных нагрузок различной мощности по интегральным критериям качества переходных процессов. Возможна автоматическая оптимизация коэффициентов одно- и многоконтурных дискретных регуляторов для стабилизации выходного напряжения ААГ.
Разработана методика сравнительного анализа эффективности различных алгоритмов управления АЭ с ААГ на базе математического моделирования переходных процессов. Проведен сравнительный анализ различных алгоритмов стабилизации напряжения АЭ с ААГ, в том числе дискретных алгоритмов 2 и 3 порядков с дополнительными межтактовыми измерениями выходного напряжения и дополнительными контурами по возмущающим воздействиям,
Предложена методика проведения оптимизационных расчетов для определения коэффициентов разностных уравнений дискретных регуляторов, обеспечивающих устойчивую работу АЭ с ААГ во всем диапазоне рассматриваемых нагрузок.
Практическая ценность.
На основе проведенного анализа даны рекомендации по выбору алгоритма стабилизации напряжения АЭ с ААГ в зависимости от мощности и типов используемых нагрузок и требований предъявляемых к качеству стабилизации выходного напряжения.
«Разработанный комплекс программ позволяет проводить оценку устойчивости работы системы и качества стабилизации выходного напряжения АЭ с ААГ для заданных нагрузок и алгоритмов управления , а также автоматизировать выбор коэффициентов разностного уравнения одно- и многоконтурных регуляторов заданного порядка путем непосредственного моделирования переходных процессов.
Разработана силовая часть системы стабилизации напряжения для ААГ средней мощности с уменьшенной дискретностью стабилизации выходного напряжения на основа секционированной конденсаторной батареи, быстродействующего тиристорного коммутатора и дополнительного реакторно-конденсаторного модуля с фазовым управлением.
Разработан микропроцессорный блок управления и программное обеспечение, практически реализующие выбранный алгоритм стабилизации напряжения АЭ с ААГ.
Внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы использованы при разработке систем стабилизации напряжения ААГ с микропроцессорным управлением. Разработан комплзкт технической документации, проведены наладка и испытания системы стабилизации напряжения ААГ мощностью 940 кВА. Система внедрена в ОКБМашиностроения Г.Н.Новгород. Разработан, испытан и внедрен в учебный процесс на кафедре ТОЭ НГТУ экспериментальный образец АЭ на базе ААГ мощностью 4.5 кВА.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международном научно-техническом семинаре "Моделирование и контроль качества в задачах обеспечения надежности радиоэлектронных устройств" ( г. Шауляй, 1992 г.), международной научно-технической конференции "Методы и средства повышения надежности приборов, устройств и систем" (г. Пенза, 1993 г.), научно-технической конференций "Актуальные проблемы электроэнергетики" (г. Н.Новгород, 1993 г.}.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 8 работ и получено положительное решение по заявке на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и пяти приложений;. содержит 117 стр. основного машинописного текста, 32 стр. иллюстраций, 14 таблиц, 12 стр. списка использованной литературы из 124 наименований, 45 стр. приложений.
Похожие диссертации на Система возбуждения и стабилизации напряжения автономного асинхронного генератора
