CC BY
2
21. Дарьенков А.Б., Шалухо А.В., Шувалова Ю.Н. Анализ процессов деградации в мембрано-электродном блоке топливного элемента с полимерной протонообменной мембраной // Фёдоровские чтения — 2022: LII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, с элементами научной школы для молодежи. 2022. С. 288-294.
22. Loskutov A., Kurkin A., Shalukho A., Lipuzhin I., Bedretdinov R. Investigation of PEM Fuel Cell Characteristics in Steady and Dynamic Operation Modes // Energies. 2022. V. 15(19).
Шалухо Андрей Владимирович, канд. техн. наук, доцент, заведующий Молодежной научно-исследовательской лабораторией по разработке перспективных систем накопления энергии, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Липужин Иван Алексеевич, канд. техн. наук, доцент, старший научный сотрудник, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева,
Шувалова Юлия Николаевна, техник научно-исследовательской лаборатории, [email protected], Россия, Нижний Новгород, Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF CONTROL ALGORITHMS OF POWER SYSTEM BASED ON SEVERAL
HYDROGEN FUEL CELLS
A.V. Shalukho, I.A. Lipuzhin, Y.N. Shuvalova
The article is dedicated to the development of algorithms for controlling power system with two hydrogen fuel cells with the same characteristics. Mathematical modeling of the power system operation is performed and the optimal loading of fuel cells over the all load capacity range is determined. Two control algorithms are developed: minimizing hydrogen consumption and extending the life of the power sources. A Simulink model of the power system and its control system is developed. A comparison of hydrogen consumption by the power system with the developed algorithms is performed. Further directions for improving control algorithms are determined.
Key words: hydrogen fuel cell, multi-stack, simulation model, mathematical model, control system.
Shalukho Andrey Vladimirovich, candidate of technical sciences, docent, director of the Youth research laboratory for the engineering of advanced energy storage systems, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,
Lipuzhin Ivan Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, senior researcher, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev,
Shuvalova Yulia Nikolaevna, technician of the research laboratory, [email protected], Russia, Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-393-394
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ РАБОТЫ КОМПЕНСАТОРОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С НЕЛИНЕЙНЫМИ НЕСТАЦИОНАРНЫМИ НАГРУЗКАМИ
Д.В. Неподоба, М.Э. Аблязимов, А.С. Бордюг
В данной статье рассмотрены виды энергосистем и показано важность влияния искажений на их работу. Также рассмотрены технические средства, а именно различные компенсаторы и их корректирующее воздействие на присутствующие искажения в системе, объединенных под общим именем - FACTS (Гибкие системы передачи переменного тока). Эти системы позволяют адаптивно регулировать основные системные параметры передачи переменного тока и в реальном времени добиваться наилучших характеристик передачи мощности. Другими словами, технологии FACTS увеличивают гибкость энергосистем, делая их более управляемыми и надежными. Основная идея большинства систем FACTS основана на хорошо известных принципах продольной и поперечной компенсации реактивных параметров передачи электроэнергии. Применение быстродействующих тиристорных ключей и микропроцессорных систем управления позволило перейти от медленного и дискретного оперативного управления к плавному автоматическому регулированию реактивных параметров передачи с достаточной для управления режимами при прохождении переходных процессов в энергосистемах. Идея использования последовательного компенсатора линии электропередачи УПК позволяет изменять суммарное сопротивление цепи и, следовательно, влиять на распределение мощности по двум линиям связи. Если установить продольный компенсатор, который по сути является плавно и быстро регулируемым УПК, появляется возможность гибко управлять режимами работы связи между энергосистемами, изменяя сопротивление такого компенсатора.
Ключевые слова: надежность, электропитание, нелинейная нагрузка.
Гибкость управления заключается в том, что в зависимости от генерации и потребления в каждой из энергосистем, меняющихся со временем, можно непрерывно в автоматическом режиме корректировать сопротивление передачи для достижения поставленной цели регулирования. Например, обеспечение минимума потерь
393
электроэнергии в нормальных режимах или подавление низкочастотных колебаний мощности при переходных процессах. Классификация систем FACTS может быть проведена в соответствии с типом компенсации: системы продольной компенсации, системы поперечной компенсации и комплексные системы, объединяющие продольную и поперечную компенсацию. Основными преимуществами внедрения технологий FACTS в электроэнергетику (см. таблицу 1) являются:
повышение экономической эффективности перспективного развития сетей;
увеличение пропускной способности существующих сетей; улучшение статической и динамической устойчивости;
подавление низкочастотных колебаний мощности;
эффективное управление напряжением, потоками активной и реактивной мощности в сложных замкнутых сетях в соответствии с транзакциями энергорынка или программами экспорта-импорта электроэнергии; повышение надежности; снижение потерь электроэнергии; сокращение общего времени регулирования.
Таблица 1
Преимущества внедрения технологий FACTS в электроэнергетику_
Тип компенсатора Управление уровнем Управление потока- Улучшение статической Улучшение динамиче-
напряжения ми и мощностью устойчивости ской устойчивости
SVC + + +
STATCOM + + +
UPFC + + + +
TCSC + + +
TCR +
TCPAR + +
На первом этапе осуществляется оптимизация распределения мощности и определение "задач" для потребителей на основе определенной системы критериев. На втором этапе на уровне потребителей энергии обеспечивается управление в реальном времени с учетом согласованных "задач".
Были проведены параллели между западными и нашими технологиями, и попытаемся выяснить, как эти устройства будут себя вести на примере нашей энергосистемы.
Рассмотрим на примере схему Генератор (Г) + Нагрузка (Н) + Компенсатор (К).
Оценка влияния изменения параметров элементов системы практически сводится к использованию функций чувствительности и анализу устойчивости в малом. Для моделей цепей с п > 1 и т > 2 влияние изменения параметров и сигналов нескольких генераторов и нагрузок на выделенный элемент можно оценить с использованием следующих формул на основе функций чувствительности:
^пс ^пс
Ду = (1)
¡=1 ¡=1
"пс
Ду/у = £ SqMi. (2)
¡=1
где ДY - изменение сигнала Y на выделенном элементе системы; - изменения выделенного ьго параметра или сигнала генераторов и нагрузок системы; ппе - количество выделенных элементов и сигналов; Ai - коэффициенты влияния; dq; = Aqilqi - относительное изменение ьго параметра или сигнала; Sqi = - функция чувстви-
тельности.
Без нарушения обобщения системы относительно узла, к которому подключается компенсатор (К), представим соединение генератора (Г) и нагрузки (Н). Для такой системы можно выделить варианты, сведенные в табл. 2.
Таблица 2
Расчетные варианты для системы Г+Н+К__
№ варианта Генератор Г Нагрузка Н Компенсатор К
1 и, (t) U (£) + !„(£) U (£) + !„(£)
2 щ (£) + u„(£) ¡1 (£) + i=o(£) ¡1 (£) + !»(£)
Для оценки обменных процессов по реактивному току гр(0 используем обменную мощность Qоб. Важно отметить, что для синусоидальных колебаний справедливо соотношение Q1=10Qоб (вариант 1, таблица 1). Для анализа искажений в вариантах 1 и 2 (см. таблицу 2) обменные процессы в узле для заданного активного напряжения генератора и(^ разделим на следующие гармоники: по первой (индекс "1"), j-ой высшей (индекс "|"), всем высшим (индекс "о") и всем (индекс "2") гармоникам в соответствии с следующими выражениями:
Анализ воздействия искажений на основе обменных процессов позволяет: анализировать обменные процессы при наличии в системе разноименных гармоник; анализировать обменные процессы, когда отдельные фрагменты системы (макромодели) могут быть представлены источниками напряжения и тока (идеальными и/или реальными);
анализировать обменные процессы на высших гармонических составляющих напряжения и систем постоянного тока;
отказаться от идентификации параметров моделей, включая параметры Z(nw) и Y(nw) для каждой частоты, кратной основной (не требуется изменение параметров моделей, когда их элементы меняются с течением времени).
Для оценки воздействия искажений на ухудшение качества электроэнергии в системе можно предложить два подхода. Первый основан на использовании алгоритма оценки взаимного влияния элементов с выделением вклада элемента в искажения электроэнергии в выбранном узле и анализе величины влияния искажающих факторов на электромагнитные процессы в элементе системы. Влияние элементов системы оценивается независимо от предыдущих режимов работы как системы в целом, так и ее конкретных элементов, а количественные показатели взаимного влияния определяются суммой влияний для каждого из выделенных факторов несовершенства электроэнергии с учетом критерия минимизации потерь электроэнергии. Выделение вклада j-го элемента в искажения электроэнергии в узле системы предполагает формирование интегральной модели оценки взаимного влияния и разложение модели системы на две ортогональные компоненты, отражающие соответственно протекание активного и реактивного токов. Затем производится расчет обменных мощностей в разложенной модели на основе реактивной составляющей тока согласно соотношениям (1) - (4), и определяется долевой вклад для j-го элемента.
^Qв,j=QoБ,j/QoБS, (3)
Во-первых, QoБ^' представляет собой изменение обменной мощности через перетин при подключении j-го элемента к системе, а п' - количество элементов системы, подключенных к выделенному узлу.
О.ОБ5 =^<Зоб,;;^Д(3В,; = 1. (4)
7=1 7=1
Второй подход предусматривает оценку изменения обменных мощностей как функций отдельных изменяемых параметров. Например, согласно коэффициенту влияния (чувствительности) $ изменения обменной мощности Qобj. -го элемента от изменения параметра Ро-го элемента системы:
. „г _ ДСобд к13,п —
ДПу
При оценке влияния режимов работы компенсатора К на нагрузку Н в случае изменения их гармонических спектров тока на входах (изменения спектров и {Д£й}), приводящего к изменению обменных мощностей в узле соответственно на Qоб и Д(9об Л, целесообразно использовать коэффициент влияния ko,s=ДQo,s2/ ДQo,s1 . При этом множества изменений спектров {ДЖ} и {Д$А}включают как одноименные, так и разноименные гармоники сигналов. Для анализа влияния режимов работы компенсатора К на нагрузку Н в течение интервала времени Дí=í2 -11, коэффициент влияния определяется согласно следующему соотношению:
= (<2об,н1(>2) @об,н1(£1))/(@об,н2(£2) "^обдао!)). где Фоб,н1(£1) и @об,н2(£2) (5)
где значения обменных мощностей нагрузки Н в моменты времени ^ и í2;QОБ,Н2(tl) и QОБ,Н2(t2) ~ значения обменных мощностей компенсатора К в моменты времени Я и í2.
Анализ влияния факторов неудовлетворительного качества электроэнергии на ^у'-й элемент может осуществляться для исходной модели системы и оцениваться аналогичным алгоритмом. Для этого целесообразно использовать коэффициенты влияния.
В качестве примера рассмотрим оценку влияния искажений для выделенной системы согласно первому подходу. Проведем анализ обменных процессов для системы, где к генератору Г подключено нагрузка Н и компенсатор К. Напряжение генератора м(£:) = Ут(1) соответственно равны
¿(Ов =/1 вт sin(wt + <р1В) и ¿(Ос = 11Ст sm(wt + <р1С) +К1Н211Ст sm(3wt + <рзс).
В этом случае ток генератора. Для анализа обменных процессов определим реактивный ток компенсатора
К: 1р(0 =/т(1) sin(^i)cos(wt) + /т(3) sin(3wt +
Графики на рис. 2,а показывают зависимость коэффициентов взаимного влияния ДЛ,ДВ,ДС (согласно соотношению (3)) от изменения коэффициента пульсации Кр третьей гармоники тока на нагрузке Кп, при условии, что
и1 = 1В; /1Вт = 1А; /1Ст изменяется от 1,11,1 до 1,51 с шагом 0,1 А; ф1С = 30°; = 0°; = 30°. Для выделенной схемы на рис. 3 показаны зависимости ^Об'/^об' и Фоб^/ФОб* = при изменении угла Ф3 для Кр=0,25. Исходные данные при расчете: ?7=100; /=10.
Приведенные графики наглядно иллюстрируют процесс взаимокомпенсации обменных процессов на первой и третьей гармониках. Анализ графиков, представленных на рис. 2 и 3, показывает сложный характер влияния компенсатора К на величину искажений в функции коэффициента пульсаций Кр, а также возможность появления экстремумов в зависимости от соотношений амплитуды и фазы третьей гармоники тока компенсатора.
Яоян
4 j y" ^---""
s.
^x_ f^ m \
9 K>»»4»ltI*W№ <Л
а
<7Л
Щ
V >
о* О.в '
0.4 0.3 0.2
20
40
ео
во
100 Л
Рис. 3. Сложный характер влияния компенсатора КК на величину искажений в системе
б
в
Вывод. Расчетно-аналитический метод позволяет сделать вывод о сложности процессов, происходящих в энергосистеме. Сложность полученных характеристик позволяет увидеть влияние искажающих факторов на графики нагрузок. Из этого мы можем сделать вывод о необходимости установки компенсаторов, а именно гибридных фильтров, для коррекции существующих искажений.
Список литературы
1.Никитенко Я.А., Железняк А.А. Методы повышения достоверности контроля диагностических характеристик оборудования // Актуальные аспекты и приоритетные направления развития транспортной отрасли. Материалы молодежного научного форума студентов и аспирантов транспортных вузов с международным участием. М., 2019. С. 210-214.
2.Бордюг А.С. Идеология формирования типоразмеры рядов центробежных компрессоров судовой энергетической установки на базе автоматизированного проектирования // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. 2021. № 4. С. 126-138.
3.Шатровский Д.А. Перспективные энергетические установки большой мощности для морских судов // Судостроение. 2015. № 5. С. 33-35engines of ships // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. P. 816-824.
396
Неподоба Данил Витальевич, курсант, [email protected], Россия, Керч, Керченский государственный морской технологический университет,
Аблязимов Марлен Эдемович, курсант, [email protected], Россия, Керч, Керченский государственный морской технологический университет,
Бордюг Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Керч, Керченский государственный морской технологический университет
ANALYSIS OF THE RELIABILITY OF COMPENSATORS IN POWER SUPPLY SYSTEMS WITH NONLINEAR NON-
STATIONARY LOADS
D.V. Nepodoba, M.E. Ablyazimov, A.S. Bordyug
This article examines the types ofpower systems and shows the importance of the influence of distortions on their operation. Technical means are also considered, namely various compensators and their corrective effect on the present distortions in the system, united under the common name - FACTS (Flexible AC transmission systems). These systems allow you to adaptively adjust the main system parameters of AC transmission and achieve the best power transmission characteristics in real time. In other words, FACTS technologies increase the flexibility of power systems, making them more manageable and reliable. The basic idea of most FACTS systems is based on the well-known principles of longitudinal and transverse compensation of reactive parameters of electric power transmission. The use of fast-acting thyristor switches and microprocessor control systems made it possible to switch from slow and discrete operational control to smooth automatic regulation of reactive transmission parameters with sufficient control modes during the passage of transients in energy systems. The idea of using a serial compensator of the power transmission line of the CPC allows you to change the total resistance of the circuit and, consequently, influence the distribution of power over two communication lines. If you install a longitudinal compensator, which is essentially a smoothly and quickly adjustable CPC, it becomes possible to flexibly control the modes of communication between power systems by changing the resistance of such a compensator.
Key words: reliability, power supply, nonlinear load.
Unsuitable Danil Vitalievich, cadet, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological
University,
Ablyazimov Marlene Edemovich, cadet, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological
University,
Bordyug Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kerch, Kerch State Marine Technological University
УДК 628.946
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-11-397-398
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОЙ КОРРЕКЦИИ НАПРАВЛЕНИЯ СВЕТОВОГО ПОТОКА
ПРОЖЕКТОРА ЭЛЕКТРОПОЕЗДА
А.Н. Калякулин, М.В. Анахова, Е.А. Лысак
Рассмотрена конструкция прожектора электропоезда ЭД4М. Выявлены недостатки, в частности неспособность обеспечить машинисту необходимый обзор при вхождении поезда в кривые участки пути. Отмечено, что простая замена лампового прожектора светодиодным, установленным на современных электропоездах, экономически нецелесообразна, так как срок службы электропоезда ЭД4М закончится раньше срока службы матричного прожектора. Предложена система автоматической коррекции направления светового потока прожектора электропоезда ЭД4М, позволяющая значительно повысить безопасность и надежность при эксплуатации электроподвижного состава.
Ключевые слова: электропоезд ЭД4М, прожектор, световой поток, инклинометр, автоматическая система коррекции направления светового потока прожектора.
Очень часто вождение электропоездов и локомотивов машинистами проходит в условиях плохой видимости из-за дождя, снега или тумана. Для работы в условиях недостаточной видимости единицы электроподвижного состава оснащены приборами освещения. Надежность и эффективность прожекторов непосредственно влияют на безопасность эксплуатации электроподвижного состава, в частности электропоездов и локомотивов.
На лобовой стене головного вагона электропоезда ЭД4М, как показано на рис. 1, установлены прожектор, сигнальные буферные фонари и красные сигнальные огни.
Путь движения электропоезда ночью освещается прожектором (1), голова его обозначается двумя прозрачно - белыми сигнальными буферными фонарями (3). Хвост поезда обозначается двумя верхними (2) и одним нижним (4) красными сигнальными огнями [2, 31.
Прожектор (рис. 2.) расположен в верхней части лобовой стены и закрыт снаружи защитным стеклом Е. Регулировка направления луча прожектора в горизонтальной плоскости производится ослаблением болтов Д, поворотом прожектора вокруг оси Г, а в вертикальной плоскости - откидным винтом В. Для смены лампы прожектор необходимо повернуть на 90 - 110 ° вокруг оси Г, удалив болты Д. Патрон с установленной лампой повернуть так, чтобы плоскость, проходящая через нити накала лампы, была перпендикулярна поверхности отражателя. Максимальная сила света обеспечивается перемещением планки А и стойки Б. В качестве источника света в прожекторе использована лампа КГМ-110-600 - лампа накаливания кварцевая галогенная малогабаритная мощностью 600 Вт [2,
31.
