CC BY
24УДК621.311.68
О.А. Бурмакин, к.т.н. доцент, ФГБОУВО «ВГУВТ» М.П. Шилов, аспирант, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.С. Малышев, к.т.н. доцент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» С.В. Попов, к.т.н. доцент, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
Ключевые слова: судовая электростанция, имитационная модель, синхронизация, параллельная работа.
В статье предложена имитационная модель судовой электростанции, позволяющая исследовать процессы, происходящие в дизель генераторном агрегате при изменении нагрузки, синхронизации, а так же при параллельной работе двух дизель генераторов. Приведены схемы основных блоков модели и осциллограммы ее работы. Выполнена проверка адекватности функционирования модели.
При проектировании судовых электроэнергетических систем и обучении студентов в случае отсутствия реальной СЭС требуется моделирование параллельной работы двух и более генераторов. Анализ моделей электростанций, представленных в открытом доступе показывает, что их использование имеет ограниченный характер в связи со следующими причинами: модели не имеют возможности оценки переходных процессов при моделировании параллельной работы генераторов; структура элементов моделей имеет ограниченный набор ключевых настроек, что не позволяет выполнять не обходимые исследования; результаты моделирования не всегда отвечают установленным требованиям точности при сверке результатов испытаний реальной судовой электростанции.
Для устранения указанных недостатков существующих моделей в приложении Matlab Simulink была разработана модель, позволяющая выполнять исследования параллельной работы двух генераторов (рис. 1).
За основу модели была принята судовая электростанция теплохода проекта № 588, состоящая из четырех дизель генераторных агрегатов Д467-21И-1 мощностью 150 л.с. и скоростью вращения вала 1500 об/мин. ДГ оснащены судовыми генераторами фирмы Bokuk BK-100 имеющие следующие технические характеристики: номинальная мощность - 100 кВт; напряжение - 400 В; номинальный ток - 192 А; коэффициент полезного действия - 0,91; коэффициент мощности - 0,8. Исходя из режима работы судна для обеспечения электроэнергией судового электрооборудования, при необходимости возможно использование параллельной работы любых двух генераторов из состава электростанции.
Разработанная модель судовой станции (рис. 1), состоит из двух дизель-генераторных агрегатов и позволяет изучать процессы, происходящие в элементах электростанции при изменении нагрузки, синхронизации и параллельной работе двух дизель генераторов.
В состав схемы входят:
1) блок возбуждения - Excitation System [1, 2, 3], который позволяет стабилизировать напряжение на зажимах генератора. За его основу взята передаточная функция представленная выражением:
VJS) _ 1
Ef(S) К + S • Т
(1)
где Vfd (S) - напряжение возбуждения; Ef (S) - выходное напряжение регулятора; Кв - коэффициент усиления возбудителя; Тв - постоянная времени возбудителя; S - полная мощность генератора.
2) Модель дизельного двигателя (рис. 2), состоящего из: актуатора - Transfer Fcnl, воздействующего на топливную рейку, системы управления - Transfer Fcn2 [4], выполняющей регулирование внешнего момента дизеля, камеры сгорания дизеля Transfer Fcn6, механической части - Integratorlimited и блока Product, который вычисляет значение мощности двигателя, исходя из его скорости и момента.
Control system Actuator Engine
Рис. 2. Модель дизельного агрегата
3) Нагрузка генератора представлена блоком, моделирующим последовательное соединение резистора, индуктивности и конденсатора (рис. 3).
Рис. 3. Блок имитации переменной нагрузки
4) Система измерений включает в себя:
- блок вычисления и измерения частоты генерируемого напряжения (рис. 4), состоящий из элементов Triggered Subsystem и memory, в которых происходит сравнение текущего и предыдущего значений сигнала.
- блок измерения выходного напряжения генератора и вычисления сдвига фаз между векторами напряжения одноименных фаз, который реализован на элементах Fourier, установленных в цепях обоих генераторов (рис. 5), а также логических элементов выполняющих сравнение указанных величин для проверки условий синхронизации.
Рис. 4. Блок вычисления и измерения частоты генерируемого напряжения
Рис. 5. Блок измерения выходного напряжения генератора и вычисления сдвига фаз
- блок cos fi (рис. 6), в котором с помощью определенных математических операций со значениями измеренных активной и реактивной мощности, вычисляется значение cos^.
Рис. 6. Блок вычисления cosç
В модели (рис. 1) реализована схема подстройки скорости вращения приводного двигателя для уменьшения сдвига фаз между одноименными векторами напряжений генераторов. Схема включает в себя цепь с управляемыми переключателями Fors (рис. 7), формирующая сигналы ускорения или замедления, передаваемые в схему регулирования скорости.
При выполнении всех условий синхронизации на вход com - порта Three-phasebreaker 7 поступает единичный сигнал, который, воздействуя на автоматический выключатель с электроприводом, подключает второй генератор к шинам ГРЩ.
кю
ОиМ
Рис. 7. Цепь подстройки скорости вращения приводного двигателя
Алгоритм моделирования осуществляется в следующей последовательности:
1. Запуск приводного двигателя без нагрузки;
2. Прогрев дизельного двигателя;
3. Подключение генератора к шинам;
4. Включение двух ступеней нагрузки;
5. Синхронизация с автоматической подстройкой параметров дизель-генератора для выполнения условий синхронизации;
6. Последовательное подключение четырех ступеней нагрузки к параллельно работающим генераторам, причем четвертая ступень имеет в два раза меньшие параметры.
В приведенной модели параметры ступеней нагрузки установлены следующим образом: активная составляющая мощности равна 20 кВт, реактивная составляющая мощности равна 10 кВар.
Диаграммы переходных процессов основных параметров элементов схемы приведены на осциллограммах рис. 8-11.
Рис. 8. Диаграмма изменения мощности первого приводного двигателя
При подключении одной ступени нагрузки к генератору наблюдается всплеск мощности приводного двигателя около 10% (рис. 8). Одновременно возникает провал частоты напряжения генератора не более чем на 2% от номинального значения рис. 9 и величины напряжения на 2,5% (рис. 10).
и, В
г
;
У этап - 4 * 1 1 этап - 5
1
[
^ сек
8 8 а)
тт тз 1
1 , и
41 1 и' жта! [1 —□ \.................. имев 1Ш 'Л' 1 '' тт
5М г 1 'НЩР!!!!!!!!!! 1"»................ .............^........
X, сек _ 1
' б)
Рис. 10. Диаграмма изменения амплитуды напряжения первого генератора - а и увеличенная часть диаграммы в момент синхронизации - б
Для оценки переходного процесса синхронизации на рис. 10 справа приведена увеличенная часть диаграммы амплитуды напряжения первого генератора.
После завершения процесса синхронизации наблюдается изменение генерируемого напряжения и тока связанное с распределением нагрузок между генераторами рис. 10, 11.
Рис. 11. Диаграммы тока и напряжения генераторов при распределении нагрузки на второй генератор
Для определения адекватности модели были проведены натурные испытания указанных дизель-генераторных агрегатов, как при раздельной, так и при их параллельной работе. Результаты моделирования и натурных испытаний судовой электростанции приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметр Результат моделирования Результат натурных испытаний Относительная погрешность моделирования, %
Снижение напряжения при подключении 25% нагрузки, В 10 6 1
Снижение частоты напряжения при подключении 25% нагрузки, Гц 1 0,5 1
Перерегулирование по напряжению при подключении 25% нагрузки, В 5,6 4 0,4
Снижение напряжения при подключении 50% 11 8 2
нагрузки, В
Снижение напряжения при подключении 100% нагрузки, В 13 15 0,5
Снижение частоты при подключении 100% нагрузки, Гц 2 2 0
Отклонение напряжения во время синхронизации, В 100 90 2,5
Таким образом, предложенная модель позволяет выполнять моделирование процесса точной синхронизации двух судовых генераторов работающих под нагрузкой.
Анализ полученных результатов подтверждает адекватность модели с погрешностью менее 2,5%, что позволяет использовать модель при проектировании судовых электроэнергетических систем, а также при обучении студентов для понимания процессов, происходящих в СЭЭС.
Список литературы:
[1] Черных И.В. «Моделирование электротехнических устройств в MATLAB. SimPowerSystems и Simulink.» - М.: ДМК Пресс, 2007. - 288 с., ил. (Серия «Проектирование»).
[2] Коробко Г.И., Попов С.В. « Моделирование элементов судовых электроэнергетических систем» Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2011. - 32 с.
[3] Коробко Г.И., Попов С.В. « Моделирование судовых синхронных генераторов и систем их возбуждения» Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - 34 с.
[4] Герман-Галкин С.Г. «Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: учебное пособие» - СПб.: КОРОНА принт, 2001. - 320 с., ил.
[5] Качество электрической энергии на судах/ В.В. Шейнихович [и др.]: Справочник/Л.: Судостроение, 1988.
A SHIP POWER PLANT SIMULATION MODEL
O.A. Burmakin, M.P. Shilov, Y.S. Malyshev, S. V. Popov
Keywords: ship power plant, simulation model, synchronization, parallel operation.
The article offers a ship power plant simulation model, allowing to investigate the processes occurring in the diesel generator unit at varying loads, synchronization and two diesel generators parallel operation The major model blocks schemes and the model's work waveform are shown. The model functioning adequacy check was carried out.
Статья поступила в редакцию 01.07.2016 г.
УДК 621.317
И.Г. Коробко, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ
Ключевые слова: автономная электростанция, дизель-генератор, система регулирования напряжения, преобразователь частоты.
В статье рассматривается автономная электростанция на базе дизель-генераторного агрегата с изменяемой частотой вращения. Предложена система стабилизации выходного напряжения генераторного агрегата, обеспечивающая в замкнутой системе регулирования компенсацию снижения напряжения при возрастании тока нагрузки.
Автономные электростанции на базе генераторных агрегатов с изменяемой часто-
