CC BY
12УДК 621.317.629.12
Г.И. Коробко, доцент, к.т.н., ФГБОУВО «ВГУВТ» В. В. Лебедев, ООО «СТАНДАРТ», Нижний Новгород П.В. Ахлестин, аспирант ФГБОУ ВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
МОДЕЛИРОВАНИЕ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОМ СИСТЕМЫ С АКТИВНЫМ КОМПЕНСАТОРОМ НЕЛИНЕЙНЫХ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ
Ключевые слова: судовая электроэнергетическая система, активный компенсатор, нелинейные искажения напряжения, 12-пульсный преобразователь, ответственные потребители.
В статье рассматривается моделирование судовой электроэнергетической системы и влияние на неё мощных нелинейных потребителей. Для улучшения качества электроэнергии, при подключении данных потребителей, применяется активный компенсатор на базе вольтодобавочных устройств. Производится сравнение влияния на коэффициент нелинейного искажения напряжения, при применении в СЭЭС, 12-пульсного и 6-пульсного преобразователя.
В судовой электроэнергетической системе - СЭЭС присутствуют наиболее ответственные потребители (навигационные приборы, комплексная система управления судном, пожарная система, авторулевой, системы управления судном и системы контроля главных двигателей и т.д.), которые требуют высокое качество электроэнергии. Это требование определено Российским Морским Регистром Судоходства - РМРС [1] и Российским Речным Регистром - РРР [2]. Важнейшим показателем качества электроэнергии является то, что коэффициент несинусоидальности кривой напряжения судовой сети (обусловленный работой различных силовых полупроводниковых устройств) не должен превышать 10%. Снижение качества электроэнергии связано с наличием в составе СЭЭС нелинейных потребителей, к которым относятся силовые полупроводниковые устройства, так как являются источниками высших гармоник.
Рис. 1. Схема электроснабжения судна с компенсатором - К, подключённым к чистой шине
Рассмотрим схему электроснабжения судна (рис. 1). В неё входит главный дизель-генератор - БО, аварийный дизель-генератор - АБС. Дизель генераторы питают главный распределительный щит - ГРЩ и аварийный распределительный щит -
АРЩ, соответственно. АРЩ и ГРЩ подключены между собой через автоматический выключатель, который во время безаварийной работы включен. Шины ГРЩ питают общесудовые потребители - OSP, питание чистой шины - ЧШ подается из АРЩ. От ЧШ питаются наиболее ответственные потребители - LLoad. Для снижения искажений сетевого напряжения, питающего ответственные потребители, в СЭЭС включён компенсатор - К. Блок-схема компенсатора состоит из вольтодобавочного трансформатора - Т, вторичная обмотка которого включена между шинами главного распределительного щита - ГРЩ и ЧШ. Первичная обмотка трансформатора получает управляющее напряжение от широтно-импульсного преобразователя - ШИП, подключенного к блоку питания - БП. Система управления - СУ получает напряжение на «чистой шине» от блока измерения - БИ и формирует сигнал, компенсирующий высшие гармоники, для управления ШИПа.
Для оценки снижения коэффициента нелинейных искажений при использовании активного вольтодобавочного компенсатора в пакете Matlab Simulink была разработана модель СЭЭС, которая представлена на рис. 2. Вольтодобавочные трансформаторы передают в сеть сумму высших гармоник напряжения, находящиеся в противофазе друг с другом, которая компенсирует высшие гармоники напряжения на шинах ГРЩ
[4].
Для создания модели использовались стандартные блоки библиотеки SimPowerSystems [3]. Источники электроэнергии СЭЭС представлены основным дизель-генераторным агрегатом «DG» со стандартным эквивалентным синхронным генератором и аварийным дизель-генератором «ADG» мощностью 250 и 160 кВт соответственно, напряжением 400 В, 50 Гц, с номинальной частотой вращения 1500 об/мин. Подруливающее устройство «PU» выполнено в виде мостового неуправляемого выпрямителя, работающего на активно-индуктивную нагрузку. Имитационная модель нелинейной нагрузки представляет собой эквивалентный преобразователь «^С», выполненный по 12-пульсной схеме и подключена через трансформатор, соединенный по схеме «звезда-треугольник» (рис. 3), входит в «NLLoad» (рис. 2). Выключатели QF1 и QF2 служат для подключения соответствующего генератора к шинам питания. Линейные потребители, критичные к наличию высших гармоник напряжения в сети, моделируются блоком «LLoad» и подключены после вольтодобавочных трансформаторов Та, Ть, Тс активного компенсатора нелинейных искажений. Блок «NLLoad» представляет собой нелинейную нагрузку, подключенную к «чистой шине» СЭЭС.
Рис. 2. Модель СЭЭС с активным вольтодобавочным компенсатором нелинейных искажений
Активный компенсатор состоит из блока управления «NDAF control system», состоящего из устройства выделения сигнала суммы высших гармоник и трехканально-го широтно-импульсного преобразователя, блока питания «PWT Supply», выполненного в виде трехфазного мостового выпрямителя с выходным сглаживающим LC-фильтром, и вольтодобавочных трансформаторов.
Осциллографы «Scopel» и «Scope2» служат для отображения фазного напряжения и тока и коэффициента нелинейных искажений напряжения.
U52
Рис. 3. Имитационная модель нелинейной нагрузки
На рис. 4 представлены результаты моделирования, коэффициент нелинейных искажений напряжения до компенсатора и после компенсатора при подключении номинальной нелинейной нагрузки.
При подключении нелинейной нагрузки номинальной мощности (80%), г = 0,2 ^ до компенсатора коэффициент нелинейных искажений будет равен 11,5%, что не отвечает требованиям Регистра. После компенсатора коэффициент нелинейных искажений равен 2%.
Сшдо компенсатора
/ Кни после компенсатора
/ \
Рис. 4. Коэффициент нелинейных искажений при подключении номинальной нагрузки с применением в СЭЭС 12-пульсного преобразователя
1 1
КниЛО компенсатопа
/ Кли после компенсатора
- г----- 1 |
Рис. 5. Коэффициент нелинейных искажений при подключении номинальной нагрузки с применением в СЭЭС 6-пульсного преобразователя
На рис. 5 показан коэффициент нелинейных искажений при использовании в СЭЭС 6-пульсных частотных преобразователей, с нелинейной нагрузкой (80%), 1=0,2 с, что и была, когда использовался 12-пульсный частотный преобразователь. Без компенсатора коэффициент будет достигать 17,5%, после компенсатора 3%.
При подключении дополнительной нагрузки, 1 = 0.6 с, коэффициент нелинейных искажений в сети увеличивается до 12%, после компенсатора коэффициент остаётся на уровне 3%, как это было и при подключении номинальной нагрузки (рис. 6).
Рис. 6. Коэффициент нелинейных искажений при подключении дополнительной нагрузки с применением в СЭЭС 12-пульсного преобразователя
а)
б)
Рис. 7. Спектральный анализ высших гармоник напряжения при применении 12-пульсного преобразователя. а) без компенсатора, б) с компенсатором
б)
Рис. 8. Спектральный анализ высших гармоник напряжения при применении 6-пульсного преобразователя. а) без компенсатора б) с компенсатором
а)
Во время моделирования был проведён спектральный анализ гармоник напряжения (функция в блоке powergui (рис. 2)). Анализ был проведён путем применения быстрого преобразования Фурье к графикам изменения напряжения.
Было проведено моделирование при использовании в СЭЭС 6-пульсного преобразователя, работающего на ту же нагрузку. На рис. 5 представлены результаты моделирования. Из графиков видно, коэффициент нелинейных искажений напряжения до компенсатора значительно увеличился (до 17%), по сравнению с использованием в СЭЭС 12-пульсного частотного преобразователя. Спектральный анализ, представленный на рис. 8, показал, что это обусловлено появлением 5-ой (10,94%), 7-ой (9,80%), 17-ой (3,79%) и 19-ой (2,39%) гармоник в составе сетевого напряжения.
После прохождения сетевого напряжения через активный компенсатор нелинейных искажений напряжения, величина данных гармоник уменьшилась в 7 раз: 5-ая (1,62%), 7-ая (1,57%).
Применяя 6-ти и 12-пульсные преобразователи четные гармоники, при симметричном режиме, взаимно компенсируются. Кроме того, при соединении фаз источника звездой линейное напряжение не содержит гармоник, кратных трем, так как эти гармоники, имеющиеся в фазных напряжениях, при вычитании также компенсируются [5]
При использовании 12-пульсного частотного преобразователя в СЭЭС (рис. 7) компенсация высших гармоник происходит до 25 гармоники. Наиболее значимые гармоники, вносящие нелинейные искажения в сетевое напряжение являются: 11-ая (8,03%), 13-ая (5,83%), 23-яя (3,82%), 25-ая (2,47%).
Векторы 5-й гармоники формируют симметричную систему обратной последовательности (вращаются относительно векторов напряжения питающей системы с частотой, равной 6ю, где ю - круговая частота сети). Векторы 7-й гармоники формируют систему прямой последовательности и вращаются в ту же сторону, что и векторы напряжения питающей системы; частота вращения векторов тока гармоник относительно той же системы векторов напряжения также составит 6ю. При соединении обмоток трансформатора 7 / Д сдвиг по фазе между векторами напряжений будет составлять 30°, поэтому векторы 7-ой и 5-ой гармоник одноимённых фаз, сдвинутые на угол 30 • 6 = 180°, окажутся в противофазе и будут взаимно компенсироваться на шинах. Это будет относится и к 17-й и 19-й гармоникам. Поэтому смена с 6-пульсного преобразователя на 12-пульсный позволяет снизить К„и почти в 2 раза [5].
После прохождения сетевого напряжения через активный компенсатор нелинейных искажений напряжения, величина данных гармоник уменьшилась в 7 раз: 11-ая (1,14%), 13-ая (0,75%), 23-яя (0,64%), 25-ая (0,52%).
На выходе компенсатора величина коэффициента нелинейных искажений остается на допустимом уровне и составляет 2%. Таким образом компенсатор уменьшает величину каждой значимой гармоники сетевого напряжения в 7 раз, как и при использовании 6-пульсного преобразователя (рис. 7).
При использовании 12-пульсных частотных преобразователей в судовой электроэнергетической системе, коэффициент нелинейных искажений напряжения ниже, по сравнению с использованием в СЭЭС 6-пульсных частотных преобразователей, это обусловлено появлением 5-ой, 7-ой, 17-ой и 19-ой гармоник в составе сетевого напряжения, но он все равно превышает значение, регламентированное Морским и Речным Регистрами. В СЭЭС был применён компенсатор нелинейных искажений напряжения, который позволяет, несмотря на количество и тип источников нелинейных искажений напряжения, снизить коэффициент нелинейных искажений напряжения до требуемой величины. На «чистой шине» в СЭЭС, при применении 12-пульсного частотного преобразователя, данный коэффициент после применения активного компенсатора, при нелинейной нагрузке, которая сопоставима с мощностью генераторов, не будет превышать 2,5%.
Список литературы:
[1] Российский Морской Регистр Судоходства. Правила классификации и постройки судов (в 4-х томах) Т. 2, Т. 3. - С.-Петербург, 2015.
[2] Российский Речной Регистр. Правила классификации и постройки судов (в 4-х томах) Т. 3. -Москва, 2008.
[3] Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
[4] Лебедев В.В. Активный вольтодобавочный компенсатор нелинейных искажений напряжения судовой сети: диссертация ... кандидата технических наук, специальность 05.09.03. - Н. Новгород, 2014. - 132 с.
[5] Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах промышленного электроснабжения пром-предприятий; 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.
SIMULATION OF SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM WITH ACTIVE COMPENSATOR HARMONIC DISTORTION
G.I. Korobko, V. V. Lebedev, P. V. Ahlestin
Keywords: ship power system, an active compensator voltage nonlinear distortion, a 12-pulse converter, the most responsible consumers.
The article discusses the modeling of ship power system and the impact on it of powerful non-linear consumers. The active compensator is used to improve power quality, on the basis of booster devices to connect consumer data. The comparison is made on the influence of THD voltage, when 12-pulse and 6-pulse converter used in SPS.
Статья поступила в редакцию 28.10.2016 г.
УДК 62-531.9
А.В. Соловьев, к.т.н., старший преподаватель ФГБОУВО «ВГУВТ» 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5 П.И. Бажан, д.т.н, профессор, заместитель начальника Центра разработки Правил ФАУ «Российский Речной Регистр», Верхне-Волжский филиал Российского Речного Регистра И.В. Голубев, научный эксперт Центра разработки Правил ФАУ «Российский Речной Регистр»,
Верхне-Волжский филиал Российского Речного Регистра 603001, г. Нижний Новгород, ул. Рождественская, 38в
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СУДОВ
Ключевые слова: энергетическая эффективность судов, проверка, критерии, управление судовой энергетической установкой, освидетельствование судна.
В статье излагается концепция модели целеориентированного автоматического управления судовой энергетической установкой (СЭУ). Рассмотрены вопросы энергетической эффективности судов. Излагается методика определения энергетической эффективности судов после их постройки, предназначенная для реализации в компьютерной модели целеориентированного автоматического управления СЭУ при первоначальном освидетельствовании.
1. Целеориентированное автоматическое управление СЭУ. Выполненные предварительные исследования и опыт эксплуатации электроэнергетических установок судов речного флота позволили предложить концепцию модели целеориентированного автоматического управления судовой энергетической установкой, предусматри-
