Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Сравнительный анализ эффективности использования возобновляемых источников энергии, при эксплуатации в демократической республике конго 13
1.1. Перспективы использования возобновляемых источников энергии 13
1.1.1. Мощность возобновляемых источников энергии и направления их использования 17
1.1.2. Общая перспектива развития использования ВИЭ 19
1.2. Анализ состояния экономики и энергетики Демократической Республики Конго 20
1.2.1. Географо-экономические сведения о Демократической Республике Конго 20
1.2.2. Экономика и природные ресурсы 22
1.2.3. Энергетические ресурсы 25
1.2.4. Актуальность развития малой энергетики 26
1.3. Постановка основных задач диссертации 27
1.4. Технико-экономический сравнительный анализ 28
1.4.1. Дизель-электрические станции (ДЭС) 28
1.4.2.Солнечные фотоэлектрические станции (СФЭС) 36
1.4.3 Ветроэлектрические станции (ВЭС) 39
1.4.4. МКГЭС и малые ГЭС 43
1.4.5. Сравнительный анализ различных видов автономных источников электроснабжения 48
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 50
ГЛАВА 2 Обоснование варианта оборудования для автоном ных мкгэс и методы исследования мкгэс как объек та САУ 51
2.1. Обоснование метода исследования объектов типа автономная МКГЭС 51
2.1.1. Классификация моделей 52
2.2. Гидроэнергетические ресурсы речного стока 65
2.3. Характеристики и параметры малых гидротурбин 66
2.4. Основные энергетические соотношение гидротурбин 72
2.4.1. Преобразование энергии на рабочих органах реактивной турбины 73
2.5. Влияние условий эксплуатации на функциональный состав МКГЭС 77
2.6. Обоснование варианта электрооборудования и структуры регуляторов МКГЭС первого класса 79
2.7. Обоснование варианта электрооборудования и структуры регуляторов МКГЭС второго класса 86
Резюме 89
Выводы по главе 91
ГЛАВА 3 Разработка системы стабилизации частоты автоном ной мкгэс без регулятора расхода воды 93
3.1. Обоснование выбора схемы регулятора нагрузки 96
3.2. Разработка моделей узлов системы и МКГЭС в целом 100
3.2.1 .Модель генератора 100
3.2.2. Модель нагрузки 109
3.2.3. Модель гидротурбины 112
3.3. Исследование динамических режимов при набросе (сбросе) нагрузки при отсутствии регулятора 116
3.4. Стабилизация частоты при использовании регулирования мощности балластной нагрузки 118
3.4.1. Модель регулятора частоты (включая импульсный регулятор нагрузки) 118
3.4.2. Исследование переходных процессов при набросе нагрузки в системе с одноконтурным регулятором частоты 125
Выводы по модели МКГЭС с одноконтурной стабилизацией 130
3.5. Разработка двухконтурного регулятора 132
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 143
ГЛАВА 4 Стабилизация частоты автономных мкгэс с помощью регулятора расхода воды 145
4.1. Общие понятия о регулировании гидротурбин.
Назначение регуляторов скорости 146
4.1.1. Основные типы регуляторов скорости гидротурбин 146
4.2. Стабилизатор частоты вращения реактивных гидротурбин на базе затвора Джонсона 151
4.2.1. Особенность режима работы регулятора расход воды с ис пользованием затвора Джонсона 153
4.3. Разработка математической модели системы "турбина - генера тор - регулятор Джонсона" с учетом реальных ограничений 156
4.3.1. Турбина 156
4.3.2. Генератор 157
4.3.3. Идентификация затвора Джонсона (ЗД) как элемента САУ частотой автономной МКГЭС 157
4.3.4. Шарико-винтовая пара (ШВП) 162
4.3.5. Двигатель следящей системы 163
4.3.5. Система регулирования скорости следящего электропри-вода при частотно-векторном управлении 165
4.3.6. Анализ результатов исследования на модели динамических провалов частоты с оптимизированными регуляторами по отклонению частоты 169
4.3.7. Новый подход к оптимизации быстродействия системы стабилизации частоты на базе затвора Джонсона 173
4.3.8. Особенности оптимального закона перемещении затвора Джонсона при сбросе нагрузки 181
4.3.9. Разработка методики идентификации мощности нагрузки измерением параметров системы 184
4.3.10.Формирование законов управления частотой МКГЭС с прогнозированием траектории перемещения регулятора расхода воды 195
Выводы по главе 197
Заключение
- Перспективы использования возобновляемых источников энергии
- Обоснование метода исследования объектов типа автономная МКГЭС
- Обоснование выбора схемы регулятора нагрузки
- Основные типы регуляторов скорости гидротурбин
Введение к работе
Развитие экономики Демократической Республики Конго (ДРК) на ближайшее десятилетие связано с освоением богатейших минеральных запасов и развитием агропромышленное восточных районов страны. Десятки, сотни малых предприятий получают лицензии на разведку и добычу полезных ископаемых или на переработку агропродукции. Но основным затруднением для развертывания работ является отсутствие электроэнергии в этом районе.
Правительство ДРК поставило перед компаний SENOKI (Societe d' electrification du Nord Kivu) задачу по разработке сети маломощных мобильных источников энергии для указанных предприятий. Направляя меня в аспирантуру в Россию, SENOKI, в свою очередь поставила задачу, используя опыт и разработки маломощных энергетических источников в России, найти наиболее экономичные и быстро окупаемые источники электроснабжения для таких потребителей, как малые горнодобывающие предприятии со сроком существования 2-4 года. Поэтому тема данной диссертационной работы является частью общей задачи развития малой энергетики Д.Р.Конго, решаемой компанией SENOKI.
Цель диссертационной работы: разработка и исследование автономных микро гидроэлектростанции (МКГЭС) мощностью 5-300 кВт для энергоснабжения малых горнодобывающих предприятий, действующих в условиях Демократической Республики Конго.
Нами были подробно проанализированы физико-географические характеристики и экономическое состояние Д.Р.Конго на основании данных предоставленных министерством энергетики Д.Р.Конго. Показано, что набольший интерес для инвестиций представляет горнорудная промышленность, так как страна чрезвычайно богата такими полезными ископаемыми как золото, алмазы, олово, полиметаллические руды, радий, кобальт и многие другие ископаемые. К сожалению, развитие этих предприятий тормо-
9 зится из-за отсутствия дешевой электроэнергии. Все мощные ГЭС находятся на западе страны в низовьях реки Конго, а горнорудный пояс расположен на Востоке страны; их разделяют 2,5 тыс.км болот и джунглей, поэтому ни одной ЛЭП, соединяющей восток и запад страны не существует.
Основным источником электроэнергии в настоящее время для горнорудных предприятий и агропромышленности восточных районов страны являются дизельэлектрические установки (ДЭУ). Но доставка топлива с Атлантического побережья резко повышает стоимость электроэнергии, вырабатываемой на ДЭУ.
Последняя достигает 50 центов за 1 кВт-час (данные 2003г), что резко удорожает себестоимость продукции, а в настоящее время этот показатель возрос в 2,5+3 раза.
Альтернативными источниками энергии могут служить солнечные, ветровые и малые гидростанции.
Необходимо произвести технико-экономическое обоснование возможных вариантов автономных систем электроснабжения.
Для условий Демократической Республики Конго, территория которой буквально пронизана, малыми и большими реками, а гидропотенциал составляет 13% от гидропотенциала всей Земли, наиболее целесообразно развивать СЭС на базе МКГЭС.
Основное техническое назначение МКГЭС - выработка электроэнергии с параметрами, отвечающими требованиям, предъявляемым к автономным источникам энергии, то есть нестабильность выходного напряжения не более ±10 % в статике и не более 20% в динамических режимах (на-брос или сброс нагрузки, изменение напора); нестабильность выходной частоты не более ±1 Гц в статических режимах и ± 2,5 Гц при динамических нагрузках.
Разработкой МКГЭС занимаются многие электротехнические и машиностроительные компании мира; например:
LA SOCIETE HYDROTECHNIQUE DE FRANCE (Франция),
Natural Resources Canada -RETScreen International (Канада),
CLAKSON POWER Co Ltd (RSA) (Южная Африканская Республика),
CEGELEC Belgique (Бельгия).
В России проблема разработки МКГЭС и внедрения их в практику осуществляется многими фирмами, назовем только организации С.Петербурга:
РАО «НИИ ЛЕНГИДРОПРОЕКТ» (г. С-Петербург),
НПО «ГИДРОЭНЕРГОПРОМ» (г. С-Петербург),
ЗАО «МНТО ИНСЭТ» (г. С-Петербург),
ЗАО «НПО РАНД» (г. С-Петербург).
На начальном этапе мы ориентировались на разработки фирмы МНТО «ИНСЭТ», но технико-экономическое сопоставление показателей близких по параметрам МКГЭС привело нас к переориентации на фирму НПО «РАНД», с которой были связаны все наши дальнейшие разработки.
Фирма НПО «РАНД» осуществляет конструктивную проработку малых и микро гидротурбин и регуляторов расхода воды различного типа.
Проведенный нами анализ технической документации и научно-технической литературы по разработкам МКГЭС показал, что эти публикации носят, в основном, рекламный характер. Результаты комплексных исследований, выполняемых на зарубежных фирмах, являются "know how" этих фирм и не публикуются. С другой стороны НПО «РАНД» является в основном строительной и гидромашиностроительной фирмой, не имеющей опыта разработки систем стабилизации выходной частоты и напряжения генераторов малых ГЭС и МКГЭС. К решению этих задач фирмой НПО «РАНД» была привлечена группа сотрудников кафедры « Системы автоматического управления» СПбГПУ, в их числе и автор данной работы.
Следует выделить два, существенно отличающихся по техническим решениям класса гидротурбин.
К первому относятся МКГЭС с нерегулируемым и практически постоянным расходом воды. Этот класс МКГЭС применяется на реках с мало изменяющимся дебитом в течение года.
Второй класс МКГЭС применяется в климатических зонах с ограниченными гидроресурсами водного потока и с использованием плотин, осуществляющих накопление паводковых вод. Для этих МКГЭС применяются регуляторы расходы воды, дозирующие поступление воды на турбину в функции нагрузки у потребителя, т.е. осуществляется режим экономии расходуемой воды.
Как правило, технические решение систем стабилизации частоты для МКГЭС этих двух классов принципиально различны.
Перед нами стояла задача разработки систем стабилизации частоты МКГЭС для обоих классов турбин. Для решения проблемы создания систем стабилизации частоты автономных МКГЭС было необходимо решить ряд научных задач:
На основании литературного обзора и сравнительного анализа основных технико-экономических показателей источников электроснабжения, пригодных для эксплуатации в условиях восточных районов Д.Р.КОНГО, выработать рекомендации по наиболее эффективному и надежному источнику энергии для электроснабжения автономных потребителей.
Провести сопоставление вариантов технических решений систем электрооборудования МКГЭС и систем стабилизации частоты двух классов МКГЭС и выбрать наиболее надежные, дешевые и простые в эксплуатации решения.
3. Обосновать метод исследования таких сложных и нелинейных
объектов, как МКГЭС, отдавая предпочтения современным методам мате
матического моделирования.
Разработать математические модели МКГЭС первого и второго класса, используя выбранный метод моделирования, для проведения комплексных исследований их статических и динамических режимов.
Провести исследование различных структур регуляторов для стабилизации выходной частоты МКГЭС и варьируя конструктивные параметры, осуществить оптимизацию систем стабилизации частоты.
Разработать методику проектирования систем стабилизации частоты для гаммы МКГЭС для их эксплуатации в Д.Р.Конго, базируясь на цифровые системы управления с использованием логических контроллеров.
Перспективы использования возобновляемых источников энергии
Энергия является основой обеспечения необходимых условий существования, жизнедеятельности и развития человечества, уровня его материального и экономического благополучия, а также определяет взаимоотношения общества с окружающей средой.
Важнейшими факторами, влияющими на объемы потребления первичных энергоресурсов (ПЭР), являются темпы экономического роста, численность населения, динамика мировых цен на ПЭР (прежде всего на нефть), а также эффективность энергосберегающей политики.
Кроме того, на объемы энергопотребления большое влияние оказывают структурные изменения в экономике и промышленности (увеличение удельного веса мало энергоемких производств, расширение использования информационных технологий и др.), а также в целом динамика энергоемкости валового внутреннего продукта (ВВП).
В XX столетии правительства всех стран строили свою политику в области энергетики преимущественно, на использовании ископаемого топлива. Однако, ни уголь, ни нефть, которые продолжают доминировать на мировом энергетическом рынке, никогда не смогут должным образом удовлетворить потребность человека в энергии из-за того ущерба, который они наносят обществу и окружающей среде при сжигании и переработке, а также ввиду ограниченности запасов.
Уголь, основной вид топлива в период промышленной революции, до сих пор обеспечивает почти четверть всей производимой в мире энер гии. Нефть в значительной степени способствовала неравномерному экономическому росту, определяла модели развития последние полвека и, таким образом, сформировала нынешние сообщества людей, их образ жизни и мировую политику.
Безоглядный расчет на ископаемое топливо привел к серьезным последствиям для окружающей среды и человеческим страданиям. Добыча угля и нефти наносят природе глубокий и часто непоправимый вред, а преобразование этого топлива в энергию приводит к кислотным дождям и загрязнению воздуха, вредящим лесам, посевам и здоровью людей. Катастрофические разливы нефти, такие как при нефтедобыче фирмой Exxon Valdez на Аляске, разрушение природных земель и коренных сообществ при бурении скважин (Texaco в Эквадоре), разливы нефти при бурении в Нигерии (Royal Dutch Shell Oil) разрушили бассейны рек и океанские экосистемы, погубили окружающей животный мир, лишили средств к существованию целые поселения людей.
Сейчас уже широко признано, что наша атмосфера просто не сможет на протяжении еще длительного времени и дальше поглощать ежегодно 6 млрд. тонн двуокиси углерода (70% его дает сжигание ископаемого топлива) без катастрофических последствий для грядущих поколений.
При сжигании топлива в атмосферу выбрасывается избыточное количество двуокиси углерода (С02). Глобальные изменения климата вполне могут стать решающим фактором, определяющим саму возможность сохранения жизни на нашей планете в будущем.
В любом уголке Земли система безопасной и здоровой энергетики может быть создана при сочетании: (1) Использования экологически чистых возобновляемых источников, таких как солнце, ветер, малая гидроэнергетика, биомасса, тепло земных недр и т.д. (2) Эффективного и экономного потребления всех видов энергии в доме, на транспорте и в промышленности.
Ветер, солнце, морские волны и биомасса являются энергетическими источниками, которые постоянно окружают нас и легко доступны. Их не надо добывать из земли, в отличие от урана и ископаемых видов топлива. Они не производят радиоактивных отходов, а токсичных выбросов не дают вовсе или дают очень мало. Имея такой выбор, кто не предпочтет использовать энергию солнца, ветра и воды и положить конец разрушениям, причиняемым добычей и сжиганием органического топлива.
Безопасная энергетика - это путь сбалансированного, устойчивого развития, и оно достижимо. Сделать такой выбор сейчас - это значит, не лишать будущие поколения мира, в котором можно жить. Безопасная энергия никогда у нас не кончится, ведь мощь солнца, ветра и воды постоянно восполняются. Нам нет смысла прятать её друг от друга, её хватит на всех.
Лоббисты и специалисты по связям с общественностью от ядерной и топливно-энергетической промышленности утверждают, что возобновляемые источники и усилия по эффективности использования их энергии "не оправдывают затрат" и не способны обеспечить современную индустриальную экономику. На самом деле технологии возобновляемой и эффективной энергетики за последнее десятилетие пришли к таким достижениям, (многие из которых совершенно не известны политикам, общественности и даже многим специалистам по энергетике), что они по своей себестоимости уже составляют конкуренцию ископаемому топливу и атомной энергии. Например, себестоимость солнечных элементов с 1980 г. снизилась более, чем на 90%, а ветровых турбин - на две трети. Благодаря сочетанию энергии ветра и солнечного тепла, солнечных батарей на фотоэлементах, малых гидроэлектростанций, энергии биомассы, геотермических источников, морских приливов и отливов, а также консервации энергии, мы сможем удовлетворить потребности человечества в энергии.
Обоснование метода исследования объектов типа автономная МКГЭС
Турбина, генератор и другие блоки замкнутых систем регулирования частоты и напряжения МКГЭС подлежат исследованию с позиций теории регулирования для нахождения структур регуляторов и оптимальных параметров их элементов, обеспечивающих заданное качество выходных параметров в условиях действия реальных возмущений.
Основным методом исследования современных сложных систем является моделирование. Моделирование представляет собой мощный метод научного познания, при использовании которого исследуемый объект заменяется более простым объектом, называемым моделью. В модели входят множество величин, подлежащих определению, а сами эти величины зависят от большого числа переменных и постоянных параметров.
Целью моделирования является прогнозирование протекания процессов в системе при воздействии входных переменных и внешних возмущений. Моделирование позволяет с меньшими затратами воссоздать процессы в системе и выявить критерии оптимизации. К сожалению, очень трудно воссоздать модель, отвечающую всем характеристикам объекта, поэтому при моделировании систем абсолютное подобие необязательно. Не всегда возможно создание материальных моделей, воспроизводящих физические и функциональные характеристики изучаемого объекта, поэтому гораздо эффективней использовать абстрактное моделирование.
Моделирование - как форма отражения действительности широко распространено, и достаточно полная классификация возможных видов моделирования крайне затруднительна, хотя бы в силу многозначности понятия "модель", широко используемого не только в науке и технике, но и в искусстве, и в повседневной жизни. Применительно к естественным и техническим наукам принято различать следующие виды моделирования: Физическое моделирование
При физическом (натурном) моделировании исследуемая система заменяется соответствующей ей другой материальной системой, которая воспроизводит свойства изучаемой системы с сохранением их физической природы [22, 23, 31, 32, 88]. Возможности физического моделирования довольно ограничены. Оно позволяет решать отдельные задачи при задании небольшого количества сочетаний исследуемых параметров системы. Действительно, при натурном моделировании практически невозможно проверить работу системы для различных вариантов. Проверка на практике около десятка разных типов условий связана не только с большими усилиями и временными затратами, но и с немалыми материальными затратами. Во многих важных областях исследований натурный эксперимент невозможен, потому что он либо запрещен (например, при изучении здоровья человека), либо слишком опасен (например, при изучении экологиче ских явлений), либо просто неосуществим (например, при изучении астрофизических явлений).
В основе физического моделирования лежат теория подобия и размерностный анализ.
Теория подобия это учение об условиях подобия физических явлений. Теория подобия опирается на учение о размерностях физических величин и служит основой физического моделирования. Предметом теории подобия является установление критериев подобия различных физических явлений и изучение с помощью этих критериев свойств самих явлений. Необходимыми условиями физического моделировании являются геометрическое подобие (подобие формы) и физическое подобие модели и натуры: в сходственные моменты времени и в сходственных точках пространства значения переменных величин, характеризующих явления для натуры, должны быть пропорциональны значениям тех же величин для модели. Наличие такой пропорциональности позволяет производить пересчёт экспериментальных результатов, получаемых для модели, на натуру путём умножения каждой из определяемых величин на постоянный для всех величин данной размерности множитель — коэффициент подобия.
Поскольку физические величины связаны определёнными соотношениями, вытекающими из законов и уравнений физики, то, выбрав некоторые из них за основные, можно коэффициенты подобия для всех других производных величин выразить через коэффициенты подобия величин, принятых за основные [31, 32, 84]. Например, в механике основными величинами считают обычно длину /, время t и массу т. Тогда, поскольку скорость v = l/t, коэффициент подобия скоростей kv = VH/VM (индекс «н» у величин для натуры, «м» — для модели), можно выразить через коэффициенты подобия длин Ы = 1н/1м и времён kt = ін/tM в виде kv = kl/kt. Аналогично, т. к. на основании второго закона Ньютона сила F связана с ускорением w соотношением F = mw, то kF = km kw (где, в свою очередь, kw = kv/kt) и т. д.
Обоснование выбора схемы регулятора нагрузки
Как было показано в предыдущей главе, для восточных предгорных районов ДРК характерно практически постоянное распределение осадков в течение года, и практически неизменный дебит распределенной речной системы, буквально повсеместно, пронизывающий этот район страны.
Очевидно, что для этих условий эксплуатации можно широко использовать более дешевый класс микроГЭС, не имеющих регуляторов расхода воды (РРВ), поступающей на турбину.
На базе сравнительного анализа систем электрооборудования для микроГЭС первого класса, выполненного в той же главе, предпочтение было отдано использованию синхронного генератора с системой стабилизации выходного напряжения за счет регулирования потока возбуждения, а для стабилизации частоты микроГЭС решено применить регулирование суммарной мощности за счет балластной нагрузки.
Этот вариант характеризуется высокой надежностью всех функциональных узлов, а по стоимости оказывается на 20-30% дешевле всех рассмотренных выше вариантов.
Поэтому при разработке систем электрооборудования для гаммы микроГЭС первого класса (без РРВ), изготавливаемых фирмой НПО «РАНД» (г. Санкт-Петербург), было при нашем участии принято решение использовать бесконтактные (бесщеточные) генераторы серии БГ Борон-чинского завода (Россия).
Генераторы серии БГ снабжаются системой стабилизации выходного напряжения, показанной упрощенно на рис.3.1. ОВГ - (обмотка возбуждения) генератора получает питание через трехфазный мостовой выпрямитель ТМВ1 от вращающейся трехфазной роторной обмотки возбудителя (ОРВ).
Система стабилизации выходного напряжения. В свою очередь возбудитель, представляющий собой обращенную многополюсную синхронную машину, получает возбуждение от задающей обмотки (30), обмотки отрицательной обратной связи по напряжению (ООСН) и обмотки положительной обратной связи по току (ПОСТ). В последней МДС (магнитодвижущая сила) пропорциональна току нагрузки, измеряемому с помощью 3-х трансформаторов тока (ТТ1 ч-ТТЗ) и дополнительного сигнала по производной по току, условно вырабатываемого с помощью конденсатора С1.
В результате действия регуляторов (компаундного типа) обеспечивается высокая стабильность выходного напряжения в статике (при набросе номинальной нагрузки напряжение генератора снижается от 240В не более, чем на 10-И2В) и в динамике. Динамический провал напряжения при 100% набросе нагрузки менее 20%, (при cos(p„ 0,8).
Но если выходное напряжении микроГЭС оказывается достаточно стабильным, то при отсутствии системы стабилизации частоты последняя изменяется при воздействии переменной нагрузки P„(t) и напора H(t) в весьма широких пределах.
Проиллюстрируем это на примере гидротурбины РАНД5 5-0,26 (МГА-55-30-0,26), механические характеристики которой представлены на рис.3.2. Характеристики построены для ряда значений напора воды, изменяющеюся в пределах от 5,0 до 6,5м.
Заштрихованная зона определяет область рабочих режимов микро-ГЭС при допустимых изменениях напора воды и нагрузки на генератор. Ограничение снизу значением оо= 100 1/с определяется минимальной частотой вращения генератора, при которой завод-изготовитель гарантирует работоспособность системы стабилизации выходного напряжения.
Частота вращения турбины может меняться от 2900 об/мин в режиме холостого хода при напоре 6,5 м до 1000 об/мин при моменте нагрузки 77 Нм и минимальном напоре Н=5,0 м. Соответственно, частота на выходе генератора будет меняться от 100 до 34 Гц.
Столь большие изменения частоты у потребителя не отвечают требованиям к качеству электроэнергии, предъявляемым к автономным источникам электроснабжения [ГОСТ 4.171-85]. Кроме того, работа генератора и системы стабилизации его выходного напряжения гарантируется заводом-изготовителем для диапазона скоростей вращения от 1000 до 2200 об/мин. Становится очевидно, что без системы стабилизации частоты мик-роГЭС данного класса неработоспособна.
Основные типы регуляторов скорости гидротурбин
Как было сказано выше, в качестве метода стабилизации частоты было предложено использовать модель системы регулирование балластной нагрузки с управлением от микроконтроллера (PLC)» по схеме, представленной нарис.3.6.(см. выше)
В модели были учтены постоянные времени системы «турбина -генератор», постоянные времени регулятора напряжения генератора (звено 4-го порядка), запаздывание, вносимое контроллером при вычислении управляющего воздействия, запаздывание импульсного ключа на IGBT-транзисторе, запаздывания, вносимые измерителями частоты, постоянные времени нагрузки при подключении нагрузки с активно-индуктивным характером.
Напряжение на генераторе является функцией от скорости вращения турбины, тока нагрузки и тока балластной нагрузки ug=fi(com, і,„ іб). Ток нагрузки зависит от напряжения генератора и от частоты генератора ін=/2(и& J). Ток балластной нагрузки также зависит от напряжения и частоты генератора ібн=/2(и& J). Ток же генератора является векторной суммой тока нагрузки и тока балластной нагрузки ig - iH + hH
Исходя из данных соображений, был составлен алгоритм расчета необходимой при стабилизации частоты мощности балластной нагрузки.
На широтно-импульсный регулятор поступает выпрямленное напряжение ud(t), которое определяется выражением
Ud(t)=kcx (t)-2-Uo, где ксх - коэффициент преобразования трехфазного мостового выпрямителя, ііф(і) - фазное напряжение на входе выпрямителя, U0 - падение напряжения на диодах выпрямителя. Учитывая, что ксХ-иф(і)» 2-Uo используем упрощенное выражение ud(t)=kcx-u4(t)=2.34-u (t), (3.16)
Регулятор осуществляет широтно-импульсную модуляцию напряжения щ, в соответствии с выражением URB(t)=Ud(t y(l). Ток балластной нагрузки определяется уравнением Е( RB \ + р-тБ (3-17) где у - коэффициент модуляции, TB=LB/RB - постоянная времени балластной нагрузки. т =±Е-Постоянная времени балластной нагрузки : Б RK
Так как Тв»Тк=50 мкс, где Тк = І/fk- период коммутаций (fk=20 кГц - частота коммутации IGBT), то ток в цепи нагрузки определяется в установившемся режиме уравнением Рассмотрим алгоритм выработки управляющего сигнала для регулирования мощности в балластной нагрузке.
На базе PLC происходит измерение периода фазного напряжения генератора и выявление отклонения текущей частоты fg(t) от эталонной 1 эт=50Гц. Отклонение частоты Af преобразуется в ЦАП в аналоговый сигнал с коэффициентом преобразования Kf.
Для учета порога чувствительности измерителя частоты (5=0,2Гц) и ограниченности диапазона пропорционального преобразования частоты в напряжение (Afmax=3 Гц) в модель введено нелинейное звено НЭ2, характеристика которого показана на выработки управляющего сигнала, пропорционального отклонению частоты и КЛЖ, происходит временное запаздывание.
Суммарное запаздывание по частоте вычисляется как: ikf =(ТРЬС+/ГДЧ+ТАЦП)-Это запаздывание приближенно учтено введением в канал регулирования апериодического звена с передаточной функцией вида W3an(p)=Wr- (3.19) r kf Ток, потребляемый от генератора балластной нагрузкой является практически чисто активным. ІМЮ-КСХҐІБЮ, (3.20) где Ксхі=0,817- коэффициент преобразования тока ТМВ1; в то время как ток нагрузки имеет как активную, так и реактивную составляющие. Для вычисления момента сопротивления турбины необходимо рассчитать суммарную активную составляющую тока генератора, а для определения падения напряжения в генераторе его полный ток ig(t).
В системе осуществляется измерение фазных токов генератора ig(t) и в PLC определяется фазовый сдвиг между током ig(t) и напряжением соответствующей фазы. В модели полагаем известными параметры нагрузки потребителя ZH, Хн, R-н, что позволяет вычислить coLt
carets—, cos и sm Осуществляется суммирование активно го тока потребителя iHa(t) и балластного тока ІБН(0, ЧТО позволяет рассчитать полный момент сопротивления, приложенный к валу турбины:
