CC BY
69УДК 621.317.629.12
Г.И. Коробко, доцент, к.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ»
B.В. Лебедев, зав. лабораторией ФГБОУ ВО «ВГУВТ» И.Г. Коробко, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ»
C.В. Попов, доцент, к.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ОБЩЕСУДОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА СУДАХ С ЕДИНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМОЙ
Ключевые слова: активный компенсатор гармоник, гребные электроустановки, генератор переменной частоты вращения
В статье рассматриваются вопросы электроснабжения общесудовых потребителей в различных режимах работы единой электроэнергетической системы судна. Предложены методы обеспечения высокого качества сетевого напряжения в ходовом режиме и оптимального использования мощности генератора в режиме стоянки.
Единая электроэнергетическая система (ЕЭС) используется на судах для питания гребной электрической установки (ГЭУ) и общесудовых потребителей (ОСП). Такие системы применяются на ледоколах, пассажирских и промысловых судах, плавкранах и т.д. Современные ГЭУ - это системы переменного или переменно-постоянного тока, в которых для регулирования частоты вращения гребных электродвигателей используются статические преобразователи.
На рис. 1 представлена блок-схема ЕЭС переменного тока. В ее состав входят основные генераторы в2 и стояночный генератор в3, обеспечивающий питание общесудовых потребителей в режиме стоянки судна. Статические преобразователи и21 и и22 управляют работой гребных электродвигателей М1 и М2 соответственно. В ходовом режиме секция ОСП получает питание от силового согласующего трансформатора Т3.
Статические преобразователи, в силу своих особенностей, являются нелинейной нагрузкой, а их питание от источника соизмеримой мощности приводит к генерации в сеть высших гармоник тока, что искажает форму питающего напряжения. Это отрицательно сказывается на работе как источников так и потребителей электроэнергии, вызывая дополнительные потери, вибрацию, нагрев и другие негативные воздействия [1]. Данное обстоятельство вынуждает преднамеренно завышать мощность генераторов ЕЭС и элементов, входящих в состав ГЭУ (трансформаторов, преобразователей, гребных электродвигателей) примерно на 10% (требования РС 4.11, п.17.6.1.1 и п.17.6.1.3 стр. 332), а также применять как схемные решения, так и различные устройства, снижающие величину нелинейных искажений. В частности, используются две-надцатифазные схемы выпрямления, устанавливаются сетевые дроссели, сетевые фильтры, дроссели постоянного тока и др. Не смотря на это, работа ГЭУ сопровождается высоким, если не предельным (10%) значением коэффициента нелинейных искажений на шинах ЕЭС. Поскольку общесудовые потребители получают питание непосредственно от этих же шин или через понижающий силовой трансформатор, то коэффициент нелинейных искажений на шинах секции ОСП может еще больше возрасти, в связи с наличием в составе ОСП приемников с нелинейными характеристиками. Вполне вероятно, что в ближайшее время будет увеличено допустимое значение коэффициента нелинейных искажений в силовых сетях ГЭУ, а для сетей ОСП и цепей питания систем автоматики и управлении ГЭУ требования к допустимой величине
нелинейных искажений ужесточатся из-за большого количества электронных блоков, чувствительных к высшим гармоникам тока и напряжения.
Секция
Секция ОСП
Рис. 1. Блок-схема единой электроэнергетической системы судна: 01, 02 - генераторы ЕЭС; Т1, Т2 - Трансформаторы ГЭУ;
И71, Ж2 - преобразователи частоты; М1, М2 - гребные электродвигатели;
03 - стояночный генератор; Т3 - силовой согласующий трансформатор;
ОСП - общесудовые потребители.
Таким образом, разработка и внедрение на судах с ЕЭС эффективных устройств снижения уровня высших гармоник является актуальной задачей. Наиболее перспективными, на наш взгляд, являются устройства, использующие активный принцип компенсации нелинейных искажений. Одним из вариантов реализации являются активные компенсаторы на базе вольтодобавочных устройств [2].
На рис. 2 представлена однолинейная блок-схема вольтодобавочного компенсатора нелинейных искажений напряжения.
От шин ЕЭС Т Шины ОСП
Рис. 2. Однолинейная блок-схема компенсатора нелинейных искажений напряжения: Т - вольтодобавочный трансформатор, БП - блок питания, ШИП - широтно-импульсный преобразователь, БУ - блок управления
Его действие основано на передаче в сеть с помощью вольтодобавочного трансформатора - Т напряжения, состоящего из суммы высших гармоник, равных по амплитуде и находящихся в противофазе с высшими гармониками напряжения на шинах ЕЭС. Напряжение вольтодобавки формируется широтно-импульсным преобразователем - ШИП, на вход которого подается сигнал суммы высших гармоник, сформированный блоком управления - БУ из напряжения питания секции ОСП. Таким образом, компенсатор «блокирует» прохождение высших гармоник от секции ГЭУ к секции ОСП. Питание ШИП осуществляется постоянным напряжением, поступающим от блока питания - БП, подключенного к шинам ЕЭС.
Итоговый коэффициент нелинейных искажений на шинах ОСП определяется степенью компенсации высших гармоник, которая, в свою очередь, зависит от точности выделения сигнала суммы высших гармоник, быстродействия ШИП, частотных свойств вольтодобавочного трансформатора и мощности вольтодобавочного устройства. Последняя будет определяться мощностью потребляемой ОСП, максимальной величиной искажения входного напряжения и допустимой величиной коэффициента нелинейных искажений на шинах ОСП.
Для оценки степени снижения коэффициента нелинейных искажений в пакете Matlab Simulink была разработана модель ЕЭС с активным вольтодобавочным компенсатором, которая представлена на рис. 3.
Рис. 3. Модель ЕЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений
В модели использованы стандартные блоки библиотеки SimPowerSystems [3]. Генераторы ЕЭС представлены эквивалентным синхронным генератором «G» мощностью 1000 кВт, напряжением 400 В, 50 Гц, с номинальной частотой вращения 1500 об/мин. Регулятор напряжения «Excitation» формирует напряжение возбуждения в соответствии с величиной задания Vref и текущих параметров генератора. Нелинейная нагрузка «NLLoad1» представляет собой трехфазный мостовой выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой и служит для имитации работы ГЭУ. Величина нагрузки задается с помощью блока «SB2», что позволяет воспроизводить динамические режимы работы гребной электроустановки. Общесудовые потребители «LLoad» подключены после вольтодобавочных трансформаторов Та, Tb, Тс компенсатора нелинейных искажений и моделируются блоками линейной (LLoad) и нелинейной (NLLoad2) нагрузки.
Кроме вольтодобавочных трансформаторов активный компенсатор включает в себя блок управления «Control System» и трехканальный широтно-импульсный преобразователь «3-channel PWT». Питание преобразователя обеспечивается трехфазным мостовым выпрямителем «PWT Supply», на выходе которого установлен LC-фильтр.
На рис. 4 представлены результаты моделирования ЕЭС. Как видно из осциллограмм, при мощности основной нелинейной нагрузки 70-80% от номинальной мощности электростанции, форма напряжения на шинах ОСП (кривая 1) без активного компенсатора значительно искажается, а величина коэффициента нелинейных искажений (кривая 2) достигает 9,5%. Использование активного вольтодобавочного компенсатора позволяет снизить величину коэффициента нелинейных искажений до 2,53% (кривая 4), а форма сетевого напряжения на шинах ОСП становится практически синусоидальной (кривая 3).
Снижение уровня нелинейных искажений приводит к снижению эксплуатационных расходов на электроэнергетическую систему за счет сокращения количества отказов и сбоев в работе систем защиты и автоматики, а следовательно уменьшения расходов на их обслуживание. Кроме того, снижается величина потерь в судовой электростанции и, как следствие, потребления топлива.
Рис. 4. Результаты моделирования работы ЕЭС
В режиме стоянки судна мощность в3 для ОСП будет изменяться в широком диапазоне от номинальной до максимальной величины, составляющей 20-30% от PH. Как показано в [4], при уменьшении активной мощности нагрузки генератора для сокращения удельного расхода топлива необходимо уменьшать частоту вращения дизеля. Исследованиями доказано, что удельный расход топлива в этом случае можно сократить на 5-10%. С этой целью в состав системы управления дизелями необходимо ввести каналы регулирования их частоты вращения. Функциональная схема системы дизель-генератора изменяемой частоты вращения показана на рисунке 5а.
Сигнал активной мощности нагрузки генератора вычисляется блоком вычисления БВ с использованием сигналов датчиков тока ДТ и напряжения ДН, и поступает на вход задатчика экономичного режима ЗЭР. Задатчик формирует значение оптимальной частоты вращения Юопт, которая поступает на вход регулятора частоты вращения РЧВ дизеля (рис. 5б). Последний поддерживает заданное значение частоты вращения
от датчика частоты вращения ДЧВ, обеспечивая оптимальный расход топлива. Очевидно, что снижение частоты вращения дизеля приведет к уменьшению выходной частоты. Напряжение генератора должно поддерживаться на номинальном уровне за счет регулятора возбуждения - РВ, которым управляет регулятор напряжения РН. На входе РН сравниваются напряжения ДН и значение напряжения иЗАд. Стабилизация частоты напряжения обеспечивается преобразователем частоты - ПЧ.
0,2
0,4
0,6
0,8
б)
Рис. 5. Функциональная схема дизель генератора изменяемой частоты вращения (а) и характеристика задатчика экономичного режима (б)
Исследования показали, что при снижении частоты в сети на 20-25% от номинального значения, преобразователь частоты способен обеспечить потребителей номинальным напряжением при ограниченной их мощности.
Снижение частоты вращения стояночного дизель-генератора ЕЭС проявляется в первую очередь в уменьшении частоты напряжения на шинах ГРЩ. Амплитуда напряжения останется номинальной до тех пор, пока система регулирования генератора сможет увеличивать его ток возбуждения с учетом изменения нагрузки. Однако наступит момент, когда возможности системы регулирования возбуждения будут исчерпаны и напряжение на зажимах генератора начнет снижаться. Если для преобразователей ГЭУ снижение частоты и амплитуды питающего напряжения не является критичным, то для общесудовых потребителей это недопустимо по вполне понятным причинам.
С целью обеспечения питания общесудовых потребителей электроэнергией требуемого качества в [5] предлагалось использовать вольтодобавочное устройство, которое обеспечивало постоянство напряжения на входе ПЧ. Однако, данное устройство
1
0
требует установки дополнительного оборудования и требует усложнения системы управления, что снижает надежность.
Проведенные исследования показали, что обеспечить номинальным напряжением при снижении частоты вращения до 75% способны генераторы с «высокой» характеристикой холостого хода (рис.6). Такой характеристикой обладают судовые синхронные генераторы. В этих генераторах возможно поддерживать номинальное напряжение на зажимах за счет системы возбуждения, при этом не требуется дополнительных вольтодобавочных устройств или трансформаторов напряжения.
1,5
0,5 --
ю=1,0
ю=0,85 ю=0,75
Vf
1,0
2,0
3,0
4,0
Рис. 6. Характеристики холостого хода генератора с «высокой» характеристикой ХХ
Помимо генераторов с высокой характеристикой холостого хода возможно применение синхронных генераторов с повышенным номинальным напряжением 440 В. При работе в сети с напряжением 400В они способны обеспечить требуемое напряжение при сниженной частоте вращения дизеля.
Для моделирования системы дизель-генераторной установки изменяемой частоты вращения была создана модель в пакете Matlab Simulink. Блок-схема модели представлена на рис. 7.
В модели также использованы стандартные блоки библиотеки SimPowerSystem [3]. Генератор представлен эквивалентным синхронным явнополюсным генератором G мощностью 250 кВт, напряжением 400В, 50 Гц с номинальной частотой вращения 1500 об/мин. Регулятор возбуждения генератора представлен блоком Excitation System, который формирует напряжение возбуждения Vf в соответствии с величиной выходного напряжения на зажимах генератора. Блок SM_Demux предназначен для разбивки текущих параметров генератора с выхода m (напряжение возбуждения Vf, ток возбуждения Ifd, текущая скорость вращения генератора w). Нагрузкой генератора является эквивалентная активно-индуктивная нагрузка LOAD_RL_1. Через входные дроссели к генератору подключен преобразователь частоты FC. Значение частоты и напряжения на выходе ПЧ можно изменять устройствами F и A. К выходу преобразователя частоты подключена активно-индуктивная нагрузка LOAD_RL_2 - это общесудовые потребители, для нормальной работы которых требуется качественная питающая сеть. Значение нагрузки можно задавать блоком Load_RL_value. Задатчик экономичного режима (ЗЭР) представлен блоками Sub2, Subi и Step. На вход блока Sub2 поступает измеренное значение активной мощности одной фазы. Блок VOLTAGE_MEASUREMENT предназначен для измерения трехфазного напряжения на выходе ПЧ.
0
При изменении РдкТ происходит изменение ю, а напряжение генератора иСГ остается номинальным (рис. 8).
ш, о е
1,0 0,75 0,5
U„. о.е 1,0
0,5
1.0 0,5
-- ----------------
-
-
t,c
t.c
t,c
Рис. 8. Результат моделирования (ю - частота вращения, в о.е.; иСГ - напряжение генератора, о.е.; РАКТ - активная мощность, о.е.)
Рис. 9. Диаграмма напряжений на выходе ПЧ
Применение судового синхронного генератора с «высокой» характеристикой холостого хода обеспечивает номинальное напряжение на зажимах генератора при изменении частоты вращения от 0,75 юН до юН.
В ШИМ-контроллере ПЧ разработаны специальные сигналы синхронизации по фазам. За счет этого в выходном напряжении ПЧ кроме основной частоты присутствует только частота модуляции. Выходное напряжение ПЧ достигает величины напряжения источника равное единицы (рис.9), что является актуальным.
Предложенные методы питания общесудовых потребителей позволяют обеспечить высокое качество электроэнергии, а также оптимальное использование ресурсов элекростанции в различных режимах работы судна. Кроме того, снижение эксплуатационных расходов приведет к улучшению работы ЕЭС с точки зрения экономической эффективности.
Список литературы:
[1] Коробко Г.И. Влияние высших гармоник на работу судового электрооборудования и способы их снижения. 13-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки'2011», труды конгресса, Н. Новгород, ННГАСУ.
[2] Коробко Г.И. Системы компенсации нелинейных искажений напряжения судовой сети на базе вольтодобавочных устройств. Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 32. - Н. Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - 224 с.
[3] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
[4] Хватов О.С., Дарьенков А.Б., Самоявчев И.С. Нейросетевой алгоритм системы управления топливоподачей дизель-генератора переменной скорости вращения. Вестник ИГЭУ. Вып. 3, 2013. Иваново, с. 50-53
[5] Хватов О.С., Бурда Е.М., Коробко Г.И., Электропривод гребной электрической установки колесного судна. Труды 16-го международного научно-промышленного форума «Великие реки 2014»
ELECTRIC SUPPLY OF SHARED CRAFT LOAD AT SHIPS WITH UNITED ELECTRIC POWER SYSTEM
G.I. Korobko, V. V. Lebedev, I. G. Korobko, S. V. Popov
Key words: active compensator of harmonic, rowing electric station, variable rotation speed generator.
This article discusses the general ship electricity consumers in different modes of operation of the power grid vessel. The methods of providing high quality mains in the navigation mode, and optimal use of the power generator in the parking mode.
УДК 621.317.629.12.
С.В. Попов, доцент, к.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» Е.М. Бурда, доцент, к.т.н., ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РАБОТА АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
ПАРАЛЛЕЛЬНО С СЕТЬЮ В УСЛОВИЯХ НИЗКОГО КАЧЕСТВА НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ
Ключевые слова: газопоршневой генераторный агрегат, электрическая мощность, система автоматики, система управления, синхронизация.
В статье приводится обоснование необходимости установки автономных источников электроэнергии для ряда объектов. Приведен алгоритм эффективной работы электростанции, работающей как в автономном режиме, так и параллельно с сетью. Даны объяснения распределения мощности при работе генераторных агрегатов параллельно с сетью.
Наряду с многочисленными постройками жилищного фонда, подключенными к городскому энергоснабжению, существуют объекты, к которым может быть подведено газовое обеспечение (в основном котельные). Для обеспечения электропитанием потребителей таких объектов, в случае отключения основного электроснабжения, чаще всего устанавливают газопоршневые генераторные агрегаты [1].
