РАЗРАБОТКА СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАНАЛОВ ВЕТРОВОЙ И ДИЗЕЛЬНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ НА ШИНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

WIND ENERGY

Статья поступила в редакцию 17.10.13. Ред. рег. № 1822

The article has entered in publishing office 17.10.13. Ed. reg. No. 1822

УДК 621.311.26

РАЗРАБОТКА СИСТЕМ РЕГУЛИРОВАНИЯ КАНАЛОВ ВЕТРОВОЙ И ДИЗЕЛЬНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ НА ШИНЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Б.В. Лукутин, Е.Ж. Сарсикеев, М.А. Сурков, Д.Ю. Ляпунов

Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, пр. Ленина, д. 30 Тел.: (3822) 564-210, факс: (3822) 563-501, e-mail: sarsikeev@tpu.ru

Заключение совета рецензентов: 23.10.13 Заключение совета экспертов: 28.10.13 Принято к публикации: 03.11.13

В статье приводятся исследования статической устойчивости параллельной работы ветровой и дизельной электрических станций на шине постоянного тока, разработаны системы регулирования ветродизельных электростанций и произведено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными.

Ключевые слова: ветродизельный комплекс, параллельная работа, статическая устойчивость, система регулирования.

DEVELOPMENT OF CONTROL SYSTEMS FOR DIESEL AND WIND GENERATION CHANNELS IN PARALLEL OPERATION ON THE DC BUS

B.V. Lukutin, E.Zh. Sarsikeyev, M.A. Surkov, D.Yu. Lyapunov

National Research Tomsk Polytechnic University 30 Lenin str., Tomsk, 634050, Russia Tel.: (3822) 564-210, fax: (3822) 563-501, e-mail: sarsikeev@tpu.ru

Referred: 23.10.13 Expertise: 28.10.13 Accepted: 03.11.13

The paper presents the study of static stability of the parallel operation of wind and diesel power stations connected to the DC bus, the control system of developed wind-diesel power plants, and comparison of the obtained results with experimental data.

Keywords: wind-diesel complex, parallel operation, static stability, control system.

t=> ^ /

Борис Владимирович Лукутин

Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой электроснабжения промышленных предприятий ТПУ. Область научных интересов: энергосбережение, энергоэффективность, возобновляемая энергетика.

Публикации: 90.

Ермек Жасланович Сарсикеев

Сведения об авторе: ассистент кафедры электроснабжения промышленных предприятий ТПУ. Область научных интересов: энергосбережение, энергоэффективность, возобновляемая энергетика. Публикации: 23.

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

О

4*1

Данил Юрьевич Ляпунов

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий ТПУ.

Область научных интересов:

малая энергетика, возобновляемая энергетика. Публикации: 30.

йМ

Михаил Александрови ч Сурков

Сведения об авторе: канд. техн. наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий ТПУ.

Область научных интересов: энергетика, возобновляемая энергетика. Публикации: 34.

Введение

В настоящее время все большее распространение получают автономные системы электроснабжения (АСЭС), построенные на базе ветродизельных электрических станций (ВДЭС), что вызывает необходимость проведения различных научных исследований, связанных с оптимизацией структуры и параметров, управлением и регулированием рабочих режимов различного энергосилового оборудования [1].

Учитывая территориальную расположенность объектов автономного электроснабжения, установленные мощности нагрузки, ветроэнергетические ресурсы и характер графиков электрических нагрузок потребителей, предпочтительным вариантом построения ветродизельных электрических станций является способ сопряжения дизельных и ветровых энергетических установок через преобразователи на шине постоянного тока (ШПТ) с последующим инвертированием для формирования выходного напряжения и тока [2].

Автономные системы электроснабжения, построенные на базе установок возобновляемой энергетики, представляют собой достаточно сложные технические системы, состоящие из ряда взаимосвязанных разнотипных объектов, характеризуемых нелинейными характеристиками и стохастическим характером протекающих в них физических процессов.

При условии структурной устойчивости система стремится к установившемуся режиму, который однозначно наступит в результате правильно сформированных условий работы. Однако параллельная работа на шину постоянного тока ветровой и дизельной электростанций требует проведения дополнительных исследований статической устойчивости в зоне рабочей точки. Решению обозначенных проблем посвящена данная статья.

Режимы работы энергосилового и преобразовательного оборудования

Для обеспечения статической устойчивости необходимо стабилизировать напряжение на шине постоянного тока с помощью дизельной электростанции

(ДЭС) или накопителя энергии в режиме разряда. Ветровую электростанцию (ВЭС) целесообразнее подключать к ШПТ в качестве управляемого источника тока [2].

Одной из наиболее сложных задач при оценке устойчивости автономных систем электроснабжения децентрализованных потребителей является оптимизация контуров автоматического регулирования ВДЭС, которая обусловлена сложностью полного математического описания АСЭС и систем управления, в результате чего приходится рассматривать нелинейные дифференциальные уравнения высокого порядка [3].

Ввиду сложности математического описания физических процессов, происходящих в системе «дизельный двигатель - генератор - нагрузка» в структурной схеме принято рассматривать дизельный двигатель и синхронный генератор двумя апериодическими звеньями каждый. Подобное допущение не нарушает общей физической картины и соответствует решаемым задачам.

Разработка системы регулирования для канала дизельной генерации

Для разработки систем автоматического регулирования ДЭС используются данные экспериментов, проводимых на лабораторном оборудовании. Структурная схема ДЭС приведена на рис. 1. При исходных настройках системы напряжение на ШПТ вместо необходимых 600 В составляет лишь 407,5 В.

Рис. 1. Структурная схема ДЭС Fig. 1. Block diagram of the diesel power station

Рассматривая ДЭС со штатной системой регулирования частоты вращения, можно принять угловую скорость неизменной. Ток возбуждения синхронного генератора ДЭС регулирует напряжение на шине

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

постоянного, поэтому необходима разработка регулятора для поддержания напряжения на ШПТ в заданных пределах. Структурная схема контура напряжения ДЭС с регулятором тока возбуждения представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема контура напряжения ДЭС Fig. 2. Block diagram of the diesel power station voltage loop

Выбор желаемой передаточной функции разомкнутого контура определяется требованиями к системе регулирования, а именно: быстродействием контура

регулирования и точностью регулирования. В теории автоматического управления [4, 5] существуют три способа оптимизации контуров регулирования, разработанные в 50-е годы ХХ века Кесслером: на линейный, симметричный и модульный оптимумы.

По известным методам определены передаточные функции регуляторов и получены характеристики переходных процессов для различных режимов работы, проанализировано поведение системы при неизменных настройках регулятора.

В процессе исследования получены переходные характеристики, логарифмические частотные характеристики замкнутой и разомкнутой системы и определены основные показатели качества.

Кроме того, к рассмотрению приняты три установившихся режима: средний, минимальный; максимальный. Результаты разработки регуляторов для канала дизельной генерации приведены в табл. 1.

Показатели качества системы регулирования Quality indicators of the control system

Таблица 1 Table 1

Параметр Исходная система Оптимум

линейный модульный симметричный

мин. ср. макс. мин. ср. макс. мин. ср. макс. мин. ср. макс.

Установившееся значение напряжения, В 591,4 600 609,3 591,4 600 609,3 591,4 600 609,3 591,4 600 609,3

Время переходного процесса, с 1,5 1,5 1,5 0,016 0,016 0,016 0,007 0,007 0,007 0,021 0,02 0,02

Время первого максимума, с - - - - - - 0,011 0,011 0,011 0,016 0,016 0,016

Время нарастания, с - - - - - - 0,008 0,008 0,008 0,013 0,013 0,013

Перерегулирование, % - - - - - - 4,3 4,3 4,3 8,15 8,15 8,15

Полоса пропускания по модулю, рад/с 1,94 1,98 1,98 190 192 190 412 415 414 297 297 288

Полоса пропускания по фазе, рад/с 34,6 34,4 34,7 300 300 299 423 423 423 212 212 209

Запас устойчивости по фазе, град - - - 76,3 76,3 76,3 65,5 65,5 65,5 36,9 36,9 36,9

Коэффициент передачи регулятора - - - 74,85 74,85 74,85 149,7 149,7 149,7 22410 22410 22410

Из рассмотренных методов окончательными настройками регулятора принимаются настройки по модульному оптимуму, который имеет нормально допустимую ошибку регулирования, достаточно высокий запас по устойчивости и высокое быстродействие.

Разработка системы регулирования для канала ветровой генерации

Исходя из баланса мощностей на ШПТ, подаваемый ток на ШПТ от ВЭС возможно регулировать силовым преобразователем ветрогенератора. Для разработки системы автоматического регулирования канала ВЭС используются расчетные данные по вет-ротурбине ЛЪа1ее-2000 и опытные данные по синхронному генератору с постоянными магнитами.

Структурная схема ВЭС представлена на рис. 3.

Поскольку ВЭС является сложно управляемым объектом ввиду стохастического изменения, в первую очередь скорости ветра, управлять режимами ВЭС предлагается с помощью регулирования электрической нагрузки.

Рис. 3. Структурная схема ВЭС Fig. 3. Block diagram of the wind power station

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013

Структурная схема контура тока ВЭС представлена на рис. 4.

Рис. 4. Структурная схема контура тока ВЭС Fig. 4. Block diagram of the wind power station current loop

Для линейного и модульного оптимумов определены передаточные функции соответственно:

w: (p )=

1

k л° рег

4Тпр2АПР2 Р

где kрлег =

рег 4Т k

пр2л пр2

^рмо (р ) =

1

k мо рег

2Тпр2 kпр2 Р

где Армег =

рег 2Т k '

^ пр2 пр2

Таблица 2

Показатели качества системы регулирования

Table 2

Quality indicators of the control system

Параметр Исходная система Оптимум

линейный модульный

Установившееся значение тока, А 3,873 4,74 4,74

Ток задания, А 4,74 4,74 4,74

Ошибка регулирования, А 0,867 0 0

Время переходного процесса, с 0,005 0,0158 0,00692

Время первого максимума, с - - 0,0105

Время нарастания, с - - 0,00787

Перерегулирование, % - - 4,32

Полоса пропускания 598 191 423

Полоса пропускания по фазе, рад/с - 299 423

Запас устойчивости по фазе, град - 76,3 65,5

Ошибка регулирования, % 18,29 0 0

Коэффициент передачи регулятора - 183,23 366,46

Результаты проведенных численных экспериментов с помощью разработанной модели для настройки регуляторов сведены в табл. 2.

Исходя из анализа данных табл. 2, принято настраивать систему регулирования преобразователя ВЭС на модульный оптимум, чтобы обеспечить точную отработку задающего токового сигнала и высокое быстродействие, незначительно отличающееся от быстродействия незамкнутой системы.

Экспериментальное исследование

Для подтверждения разработанных решений проведена серия экспериментов при совместной работе ДЭС и ВЭС на общую шину постоянного тока. В качестве преобразователя дизель-генератора использовался трехфазный мостовой выпрямитель, стабилизация выходного напряжения обеспечивалась разработанным регулятором напряжения генератора. В качестве преобразователя ВЭС использовался управляемый выпрямитель.

На рис. 5 и 6 представлены осциллограммы токов и напряжения соответственно на ШПТ для режимов работы системы при изменяющейся мощности нагрузки и малом изменении генерируемой мощности ветрогенератора.

stop 5.000ms kvw.vjvlwwi f о 0.00v

Vrms= l.mi

Рис. 5. Осциллограммы токов на ШПТ Fig. 5. Current oscillograms on the DC bus

Hantek НИИ

f О 0.00 uU СЯ

Л^ШГГГ; ; -1-

Umax=143U

Рис. 6. Осциллограмма напряжения на ШПТ Fig. 6. Voltage oscillogram on the DC bus

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 14 (136) 2013

© Scientific Technical Centre «TATA», 2013

1

1

В данном режиме изменяется мощность нагрузки, а генерируемая мощность ветрогенератора изменяется незначительно, что обусловлено некоторым ограничением использования физической модели ВЭС, реализуемой с помощью электромеханического модуля «двигатель постоянного тока - синхронный генератор на постоянных магнитах». Изменение мощности электрической нагрузки происходит в пределах от 0,5 до 2,0 кВт, а изменение мощности ветрогенератора происходит в пределах 0,5 кВт. Из осциллограммы токов (рис. 5) видно, что при изменении выходной мощности ветрогенератора генерируемая мощность дизель-генератора изменяется, чтобы обеспечить баланс токов на ШПТ.

Инерционность контуров регулирования, обусловленная, главным образом, электромагнитными и электромеханическими постоянными времени синхронного генератора и дизельного двигателя, приводит к тому, что генерируемая мощность на ШПТ также носит пульсирующий характер. По осциллограмме напряжения на ШПТ на рис. 6 видно, что система управления обеспечивает практически полное демпфирование колебаний мощности.

В результате проведенной серии опытов установлено, что для всех рабочих режимов совместной работы ДЭС и ВЭС на общую шину постоянного тока величина изменения напряжения на ШПТ не превышает 5 В (не более 1%), что обеспечивает питание инвертора качественным напряжением.

Выводы

Разработанные системы регулирования при параллельной работе ДЭС и ВЭС позволяют обеспечить статическую устойчивость при управлении режимами работы ВДЭС. При неизменных настройках регуляторы демонстрируют хорошие показатели качества регулирования в номинальном, минимальном и максимальном режимах работы.

Настоящие исследования проведены в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ по приоритетным направлениям науки и техники (регистрационный номер НИР 7.5245.2011; номер государственной регистрации 01201254010 от 15.03.2012).

Список литературы

1. Сурков М.А., Лукутин Б.В., Сарсикеев Е.Ж., Киушкина В.Р. Мировые тенденции в области построения автономных систем электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии [Электронный ресурс] // Науковедение. 2012. № 4. С. 1. Режим доступа: http://naukovedenie. гц/РБР/421уп41 2.pdf.

2. Обухов С.Г., Плотников И.А., Сарсикеев Е.Ж. Буферная система накопления электроэнергии для возобновляемой энергетики // Альтернативная энергетика и экология - ШАБЕ. 2012. № 9 (113). С. 137-141.

3. Хрущев Ю.В. Методы расчета устойчивости энергосистем. Учебное пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2005.

4. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Учебник для студентов втузов. Изд. 2-е, пере-раб. и доп. Л.: Энергия, 1975.

5. Иващенко Н. Н. Автоматическое регулирование. Теория и элементы систем. Учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978.

References

1. Surkov М.А., Lukutin B.V., Sarsikeev E.Z., Kiuskina V.R. Mirovye tendencii v oblasti postroenia avtonomnyh sistem elektrosnabzenia s ispol'zovaniem vozobnovlaemyh istocnikov energii [Elektronnyj resurs] // Naukovedenie. 2012. № 4. C. 1. Rezim dostupa: http://naukovedenie. ru/PDF/42tvn412.pdf.

2. Obuhov S.G., Plotnikov I.A., Sarsikeev E.Z. Bufernaa sistema nakoplenia elektroenergii dla vozobnovlaemoj energetiki // Al'ternativnaa energetika i ekologia - ISJAEE. 2012. № 9 (113). C. 137-141.

3. Hrusev U.V. Metody rasceta ustojcivosti energosistem. Ucebnoe posobie. Tomsk: Izd-vo TPU, 2005.

4. Urevic E.I. Teoria avtomaticeskogo upravlenia. Ucebnik dla studentov vtuzov. Izd. 2-e, pererab. i dop. L.: Energia, 1975.

5. Ivasenko N.N. Avtomaticeskoe regulirovanie. Teoria i elementy sistem. Ucebnik dla vuzov. Izd. 4-e, pererab. i dop. M.: Masinostroenie, 1978.

Транслитерация по ISO 9:1995

Г'-": — TATA — LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 14 (136) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013