CC BY
15
ИССЛЕДОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ ЗАЩИТЫ ГЕНЕРАТОРА ОТ ОБРАТНОЙ МОЩНОСТИ В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ
Н.Н. Портнягин1, С.Ю. Труднев2
12Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003
1e-mail: pornic1@,vandex. ru 2e-mail:trudnev@mail.ru
Представлены результаты моделирования защиты судовой электроэнергетической системы от обратной мощности с применением широтно-импульсных преобразователей и резервных источников бесперебойного питания.
Ключевые слова: флот рыбной промышленности, безопасность, система защиты генератора, источник питания, ионистор, ШИМ, MATLAB, SimPowerSystems.
Research of virtual models of protection of the generator from return capacity in a ship electropower system. N.N. Portnyagin1, S.U. Trudnev2 (u 2Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003)
Results of modelling of protection of a ship electropower system from return capacity with application pulse-width converters and reserve sources of uninterrupted power are presented.
Key words: fishing industry, safety, system of protection of the generator, the power supply, ionistor, PWM, MATLAB, SimPowerSystems.
В настоящее время в связи с высоким ростом энергопотребления любая экономически выгодная модернизация энергетического комплекса предполагает внедрение энергосберегающих технологий. В частности возможность сокращения затрат на топливо электроэнергетической системы и улучшение безопасности мореплавания могут быть осуществлены путем внедрения в систему защиты судового синхронного генератора от обратной мощности при помощи дополнительного источника питания электрической энергии. Практика эксплуатации судов флота рыбной промышленности показывает, что наиболее часто повторяющейся причиной обесточивания судна являются ошибочные действия вахтенной службы машинно-котельного отделения при эксплуатации судовой электростанции, в частности нарушение порядка действий при включении синхронного генератора на параллельную работу. Следует заметить, что подобное наблюдается на судах с очень низким уровнем автоматизации, что свойственно для рыболовных и рыбообрабатывающих судов с пятнадцатилетним и выше стажем работы. Современные судовые автоматизированные электроэнергетические системы этого недостатка не имеют, так как процесс синхронизации генераторов в них автоматический. Тем не менее перебой в электроснабжении может произойти и при очень высоком уровне автоматизации. К примеру, внезапный отказ в автономно работающем судовом энергоблоке (первичный двигатель - генератор - главный распределительный щит). Высокоавтоматизированное судно в этом случае будет находиться в обесточенном состоянии непродолжительное время, исчисляемое двумя-тремя десятками секунд. При более низком уровне автоматизации это время значительно возрастет и на оживление электростанции может потребоваться порядка десяти минут, то есть перебой в электроснабжении в данном случае будет определяться квалификацией обслуживающего персонала.
Основной задачей системы защиты генератора от обратной мощности является отключение генераторного агрегата от сети. Это приводит к продолжающейся работе дизеля на холостом ходу или полной его остановке, что в свою очередь повлечет дополнительный расход топлива. Система защиты предусматривает переброс нагрузки на резервный генератор или отключение потребителей по ступеням нагрузки и невозможность получения питания некоторых важных потребителей как следствие этого. Одним из решений данной проблемы может являться модернизация системы защиты путем добавления в нее блока ионисторных модулей и блока широтно-импульсного преобразователя. Система предусматривает подключение резервного источника питания взамен недопустимого отключения генераторного агрегата от сети.
Существующая система защиты генератора срабатывает таким образом, что она отключает генератор от сети. В результате дизель продолжает работать на холостом ходу, расходуя при этом
топливо впустую, или отключается. Вдобавок ко всему в лучшем случае всю нагрузку берет на себя второй генератор, в худшем - нагрузка отключается и потребители не получают питание. Проблему можно решить, модернизировав систему защиты путем добавления в нее блока ионисторных модулей и блока широтно-импульсного преобразователя. Защита будет уже не отключать генератор от сети, а подключать резервный источник питания. Благодаря своей способности мгновенно менять частоту, источник бесперебойного питания мгновенно возьмет на себя нагрузку, тем самым на некоторое время разгрузит генератор. Ионистор по своей структуре обратим, поэтому через широтно-импульсный преобразователь будет находиться практически всегда в заряженном состоянии.
Подтверждением этого является модель процесса работы синхронного генератора на нагрузку через широтно-импульсный преобразователь (рис. 1). В качестве нагрузки в модели представлен асинхронный двигатель большой мощности, являющийся одним из основных энергоемких потребителей на судах. Кроме того что асинхронный двигатель является активно-индуктивной нагрузкой, включение его напрямую к сети приводит к резкому провалу напряжения. Для данной модели учитывание этих усложняющих факторов является существенным плюсом.
Рис. 1. Виртуальная модель средствами пакета MATLAB 7.0 с расширением Simulink 5/6 и SimPowerSystems процесса работы синхронного генератора на нагрузку через широтно-импульсный преобразователь
modulation index
На модели представлен генератор серии МСК, работающий как на энергоемкий потребитель, так и на зарядку ионисторной батареи. Кроме того, улучшение качества электрической энергии достигнуто применением в модели широтно-импульсного преобразователя. График заряда ионистора представлен на рис. 2, где Vdc - мгновенное значение напряжения на конденсаторе, Vab invertor - напряжение на выходе инвертора, Vab load - напряжение на входе асинхронного двигателя, modulation index - коэффициент модуляции ШИМ.
Рис. 2. Результат моделирования: график заряда ионисторной батареи
В момент аварийного режима основным показателем целесообразности применения ионисторного модуля как источника питания является время его способности поддерживать судовую электроэнергетическую систему до включения резервного дизель-генератора. С целью определения времени разряда на активно-индуктивную нагрузку средствами пакета MATLAB 7.0 с расширением Simulink 5/6 и SimPowerSystems [3] была смоделирована соответствующая система.
Результаты моделирования представлены на рис. 3. Данные результаты позволяют сделать следующие выводы:
- работоспособность и адекватность модели подтверждается компьютерными экспериментами, сопоставимость модельных результатов пуска асинхронного двигателя с широтно-импульсным преобразователем и натурными испытаниями оценивается погрешностями не более 5%;
- учет процесса разрядки ионистора в режиме пуска асинхронного двигателя мощностью 15 кВт, проведенный с помощью модельного прибора [2] vab(V)1 (рис. 3), показывает, что в течение 50 с ионистор удерживает 70% номинального напряжения;
- показания прибора N(rpm), регистрирующего обороты асинхронного двигателя [3], также подтверждают работоспособность резервного питания в течение 50 с.
- точка срыва рабочей характеристики асинхронного двигателя при питании от ионистора при заданных параметрах оценивается временем 50 с.
Рис. 3. Результаты моделирования процесса функционирования электропривода с электропитанием от ионистора
Таким образом, созданная модель позволяет оценить время, в течение которого резервный источник питания на основе современных ионисторов [1] при различных значениях мощности асинхронного двигателя и величинах электрической емкости ионистора будет поддерживать его в работе.
На основании представленных моделей можно сделать вывод о том, что время заряда и разряда ионисторной батареи удовлетворяет требованиям, предъявляемым к судовой электроэнергетической системе. Полученные временные характеристики позволяют судить о том,
что количество накопленной электроэнергии может быть достаточным для поддержания судовой электроэнергетической системы в рабочем состоянии до включения резервного источника питания даже при наличии сложных энергоемких потребителей. Кроме того, элементы схемы, повышающие качество электрической энергии, позволяют на достаточно высоком требуемом уровне избежать помех и скачков напряжения.
Литература
1. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Теория, методы и эксперименты решения задач диагностики судовых электрических средств автоматизации: Моногр. - СПб.: Судостроение, 2004 - 157 с.
2. Дъяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия Библиотека профессионала. - М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 800 с.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
