CC BY
381
УДК 637.124:631.3 А.В. Бастрон, Н.В. Коровайкин, Л.П. Костюченко
МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АВТОНОМНОЙ МИКРОГЭС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЛЕТНЕЙ ДОЙКИ
В статье представлены результаты исследования режимов работы автономной микроГЭС для электроснабжения летней дойки на 100 голов. Исследование выполнено на виртуальной модели в системе MATLAB с расширением Simulink. Модель позволяет выполнить анализ поведения автономной системы в зависимости от параметров турбины, генератора, нагрузки, системы стабилизации.
Ключевые слова: моделирование, микроГЭС, переходный режим, асинхронная нагрузка, система стабилизации, MATLAB.
A.V. Bastron, N.V. Korovaikin, L.P. Kostyuchenko
OPERATING MODES MODELING OF THE AUTONOMOUS MICROHYDROELECTRIC POWER STATION
FOR SUMMER MILKING ELECTRICAL SUPPLY
The results of the research of the autonomous microhydroelectric power station operating modes for the electrical supply of summer milking for 100 stock are given in the article. The research is conducted on the virtual model in the MATLAB system with Simulink expansion. The model allows to conduct the analysis of the autonomous system behavior depending on the turbine, generator, loading and stabilization system parameters.
Key words: modeling, microhydroelectric power station, transitive mode, asynchronous loading, stabilization system, MATLAB.
В настоящее время для электроснабжения технологических процессов летних доек применяются дизельные электростанции (ДЭС) или трансформаторные подстанции, подключаемые к местной электрической сети на летний период. В первом случае себестоимость получаемой электрической энергии достаточно высока, а во втором имеют место относительно большие затраты на текущее обслуживание воздушной линии электропередачи.
Решение проблемы дефицита электроэнергии или снижения себестоимости используемой электроэнергии на летних выпасах, расположенных вблизи малых рек с необходимым запасом гидроресурсов, возможно за счет применения микрогидроэлектростанций. Обзор существующих вариантов микроГЭС показывает, что наиболее эффективными с точки зрения простоты обслуживания для электроснабжения сельскохозяйственных потребителей являются бесплотинные свободнопоточные установки, использующие генераторы с возбуждением от постоянных магнитов [1].
Однако при применении генераторов малой мощности с постоянными магнитами возникают проблемы стабилизации напряжения в автономной системе и, как следствие, выбор потребителей, подключаемых к генератору, не требовательных к качеству выходного напряжения в режиме динамического изменения нагрузки.
График электрических нагрузок потребителей летней дойки на 100 голов крупного рогатого скота (КРС) приведен на рис. 1. На его графике показано, что максимум нагрузки составляет 12 кВт. Для оценки процессов, происходящих в автономной системе электроснабжения от микроГЭС, возникает необходимость создания математической модели этих процессов.
При моделировании динамических систем и устройств составляются и решаются системы дифференциальных уравнений, которые чаще всего носят нелинейный характер. Система МА^АВ с расширением Simulink, на наш взгляд, идеальное средство для реализации такого моделирования, которое позволяет реализовать визуально-ориентированное программирование задач автоматического составления графической модели системы или устройства, составление и решение уравнений установившегося режима и режимов и переходных процессов, наглядное представление результатов моделирования [2-3].
F . иВт
1- Освещение. Р = 1кВт
2-Горячее водоснабжение (нагрев воды). Р = 12 кВт
4-Холодное водоснабжение, Р = 4.5квт
5-Мопочные насосы, Р = 2-0,75кВі
0
3 £ 3
4 4
2
S
3 - .Л.
6 4
I
. 1 . 1
1 2 5 7 9 10 11 1 2 13 1 15 16 17 1 19 2 О 2 22 23 2 4
Вромя. ч
Рис. 1. График нагрузки летней дойки на 100 голов
Для исследования режимов работы микроГЭС создана модель автономной системы электроснабжения летней дойки на 100 голов, состоящей из ортогональной гидротурбины, синхронного генератора на постоянных магнитах, балластной нагрузки, системы управления балластной нагрузкой, активной и асинхронной нагрузки. Модель создана в программе MatLab приложении Simulink, схема модели приведена на рис. 3.
График нагрузок летней дойки с учетом работы системы стабилизации (балластной нагрузки) приведен на рис. 2. Для создания модели работы многомашинной автономной системы использовалась версия МАТ1_АВ 7.01, а именно библиотеки блоков расширений Simulink и SimPowerSystems [2-3].
Р, кВт
. 1 - Освещение. Р = 1 кВт 2-Горячее водоснабжение (нагрев воды). Р = О-ЗОк
3-Насос охладителя молока, Р = 0.75кВт 4-Холодное водоснабжение. Р = 4.5кВт
5-Молочные насосы. Р = 2-0.75кВг в-Водокольцевой насос. Р - 4.5кВт
.
2
1 - Г 3 I I 3 і г 1
і ! 4 і 4
і і 1 1 1
5 1 “i “і “і
1 1 ft A i i і 1 1 1 і 6 1 4 1
. 1 . 1 ° 1 . ■* 1 1 .! . і і ■ • І і • 1
2 3 і і і 5 6 7 9 10 11 1 ' 2 1 » і і і 3 14 15 16 17 1 1 1 * Т т 19 20 21 22 23 2
Время, 4
Рис. 2. График нагрузки микроГЭС с учетом работы системы стабилизации
Синхронный генератор с постоянными магнитами моделировался типовым блоком (SSM) упрощенной синхронной машины с нерегулируемой системой возбуждения (C=Const). Работа гидротурбины моделировалась созданным нами блоком (Hydraulic Turbine), подробная модель которого приведена в [5].
С целью уменьшения громоздкости модели асинхронные двигатели на схеме рис. 3 показаны одним блоком (Elektrodvigatelnaja nagruska). Подробная модель блока приведена на рис. 4. Освещение летней дойки (Osvechenie) и водонагрев (Vodonagrev) смоделированы отдельными блоками.
В имитационной модели автономной системы (рис. 3) порты А, В и С являются выводами статорной обмотки генератора. Порт Pm предназначен для передачи вращающего момента гидротурбины, порт Е - для моделирования системы возбуждения. На выходном порту m формируется векторный сигнал, включающий ток и напряжение статора генератора, его электромагнитный момент и скорость вращения ротора генератора, находящегося на одном валу с гидротурбиной. Для удобства извлечения переменных из вектора в библиотеке SimPowerSystems предусмотрен блок Machines Measurement Demux, который применен в данной модели.
Синхронный генератор и асинхронная нагрузка моделировались по уравнениям Парка-Горева [4]. Модель генератора включает в себя модели электрической части в виде системы дифференциальных уравнений порядка второго и уравнение движения ротора и турбины, находящихся на одном валу.
Рис. 3. Модель автономной системы электроснабжения летней дойки в программе МаНаЬ-ЗтиНпк
Асинхронные двигатели моделировались системой дифференциальных уравнений четвертого порядка (с учетом переходных процессов в демпферных контурах). Моменты сопротивлений на валах двигателей моделировались вентиляторной характеристикой. Дифференциальные уравнения решались стандартным методом Рунге-Кутта ode45, заложенным в программу Matlab. Результаты моделирования работы автономной системы по созданной модели приведены на рис. 5-8.
Мощность моделируемого генератора 25 кВт, перечень потребителей подключаемых к генератору соответствует графику нагрузок, приведенному на рис.1, параметры электродвигателей приведены в таблице [6].
По разработанной модели проведена серия экспериментов по подключению нагрузки к автономному генератору микроГЭС. Проведен анализ полученных графиков изменения частоты вращения автономного генератора, его электромагнитного момента, токов, скорости вращения и электромагнитных моментов двигателей.
Как видно из осциллограмм рис. 6-7, пуск асинхронной нагрузки пятью очередями прошел успешно, все двигатели запустились.
Рис. 4. Модель блока EШrodvigatelnaja nagruska
Тип рабочей машины Тип электродвигателя п, об/мин Р2ном, кВт КПД, % ^ ф Мпуск
Молочный насос №1 4А71В4У3 1431 0,75 72 0,73 2
Молочный насос №2 4А71В4У3 1431 0,75 72 0,73 2
Насос охладителя 4А71В4У3 1431 0,75 72 0,73 2
Насос водоснабжения 4А100_4У3 1458 4,0 84 0,84 2
Вакуумный насос 4А100_4У3 1458 4,0 84 0,84 2
Рис. 5. Изменение частоты вращения ротора генератора (о.е.) и его электромагнитной мощности (о.е.) во времени (с) при запуске генератора на холостом ходу (работа на балластную нагрузку)
т і ІРіР,® йВ@ 0 А -Ч
wm, о.е.
1.02
. :
1.01 /\ У\ /\
і \ 7 \ 7 :\
0.99 v У V У ; V ;
W \/ ■ \ /
0.98 \/ У •.Д./
v і XZ
0.97 I I
) 5 10 15
Time offset: 0
Рис. 6. Изменение частоты вращения ротора генератора микроГЭС (о.е.) при ступенчатом пуске
нагрузки потребителей летней дойки
Рис. 7. Ступенчатый пуск асинхронной нагрузки, об/мин
На рис. 8 приведен неуспешный запуск всей двигательной нагрузки летней дойки при одновременном подключении всех двигателей к генератору.
Рис. 8. Изменение тока и напряжения генератора при одновременном подключении всех двигателей
Разработанная виртуальная модель автономной системы микроГЭС позволяет:
- проанализировать работу автономной системы при различном сочетании подключаемой нагрузки;
- проанализировать влияние балластной нагрузки, определить оптимальный размер и количество ступеней балластной нагрузки с точки зрения устойчивости работы автономной системы в переходном и установившемся режимах;
- сделать выбор наиболее оптимальных вариантов очередей пуска асинхронной нагрузки без нарушения технологии производственного процесса. Критерием этого выбора является как наименьшее время запуска, так и величина токов генератора с целью исключения его перегрева при запуске двигательной нагрузки.
Результаты моделирования, приведенные на рис. 5-7, показывают возможность рассматриваемой микро-ГЭС с генератором на постоянных магнитах при отсутствии системы регулирования возбуждения генератора обеспечить работу необходимых технологических процессов летней дойки на 100 голов. Определяющее влияние на показатели переходного процесса оказывает количество очередей пуска асинхронной нагрузки и система стабилизации, которая с помощью балластной нагрузки обеспечивает устойчивые статические режимы и стабилизацию выходных электрических параметров автономной системы в переходных режимах.
Литература
1. Встовский А.Л., Головин М.П., Федий К.С. Современные технологии проектирования низкоскоростного синхронного генератора для свободнопоточной микроГЭС // Инновационное развитие регионов Сибири: сб. ст. науч.-практ. конф. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2005. - С. 27-33.
2. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МА^АВ, SimPowerSystems и Simulink. -М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
3. Лурье М.С., Лурье О.М. Электротехника. Имитационное моделирование в лабораторном практикуме, курсовом и дипломном проектировании: учеб. пособие. - Красноярск: Изд-во СибГТУ, 2006. - 146 с.
4. Ярлыкова Л.П. Моделирование пуска двигателей сельскохозяйственных установок от передвижной электростанции // Оптимизация режимов электропотребления: тез. докл. краевой науч.-техн. конф. (Красноярск, 4-5 октяб. 1988 г.). - Красноярск, 1988. - 116 с.
5. Костюченко Л.П., Коровайкин Н.В. Моделирование работы автономной микроГЭС // Молодые ученые
- науке Сибири: сб. ст. молодых ученых / Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2008. - Вып. 3. -Ч 2. - С. 134-138.
6. Кравчик А.Э., Шлаф М.М., Афонин В.И. Асинхронные электродвигатели серии 4А: справ. - М.: Энерго-издат, 1982. - 504 с.
