CC BY
18
УДК 621.311:629.5
РАЗРАБОТКА ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЖИМНЫХ СВОЙСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
С.Ю. Труднев, Н.Н. Портнягин
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: trudnev@mail.ru e-mail: pornic1@ya.ru
Представлены результаты моделирования судовой электроэнергетической системы в программе компьютерного моделирования средствами пакета MATLAB 7.0, позволяющие проанализировать показатели устойчивой параллельной работы дизель-генераторных агрегатов и судовой питающей сети.
Ключевые слова: судовая электроэнергетическая система, устойчивость, момент, модель, MATLAB.
Development of digital models of regime properties for research of dynamic stability of a ship electrical power system. S.U. Trudnev, N.N. Portnyagin (Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskу, 683003)
Results of modeling of a ship electrical power system in the program of computer modeling by means of the MATLAB 7.0 package, allowing to analyze indicators of steady parallel work of diesel engine-generating units and a ship power line are presented.
Key words: ship electrical power system, stability, moment, model, MATLAB.
Современное судно представляет собой большой комплекс сложных технических средств, работу которых обеспечивает отдельная судовая электростанция. Одной из главных задач судовой электростанции является непрерывная доставка электрической энергии к потребителям, обеспечивающим ходкость и работу всего судна в целом. Бесперебойная подача электроэнергии является одной из самых важных задач, которая осуществляет живучесть судна и безопасность мореплавания. Частичное или полное обесточивание судна может привести к серьезным авариям, которые способны повлечь за собой тяжелые последствия от повреждения электрооборудования до гибели людей. Большинство аварий связаны с нарушением устойчивости работы электрических машин в судовых электрических системах. Устранение и ликвидация таких аварий является трудоемким мероприятием. Для восстановления нормальных условий работы электрических систем необходимо значительное время и усилия судового оперативного персонала. Тяжелые последствия аварий на судне, находящемся в море, заставляют уделять особенное внимание вопросам обеспечения должного уровня устойчивости судовых электроэнергетических систем как при модернизации технических средств защиты, так и при проектировании новых систем, которые позволят устранить аварии, связанные с нарушением бесперебойной подачи электрической энергии.
В настоящее время существует устройство защиты дизель-генераторного агрегата от асинхронного режима [1], которое за короткий промежуток времени определяет степень устойчивости судовой электроэнергетической системы и подает сигнал на срабатывание защиты. Недостатком такой системы остается частичное обесточивание для разгрузки генераторов.
На рис. 1 видно, что система защиты имеет логический блок, который через исполнительные органы так или иначе подает сигнал на ресинхронизацию или отключение, нарушая бесперебойную подачу электрической энергии судна. Проблему можно решить путем добавления дополнительного импульсного источника электрической энергии, который обеспечит в тысячные доли секунды достаточный запас устойчивости.
Рис. 1. Устройство защиты дизель-генераторного агрегата от асинхронного режима
Перед модернизацией необходимо произвести анализ динамической устойчивости судовой электроэнергетической системы, чтобы исследовать, на какие показатели будет влиять динамическое возмущение в работающей судовой электросети.
На рис. 2 представлена однолинейная схема модели простейшей судовой электроэнергетической системы.
Дизель с моментом Мд вращает генератор Г, который в свою очередь создает момент сопротивления Мг. Из уравнения Горева-Парка [2]
Мд - М = , £ (1)
Следует, что для того, чтобы генератор работал устойчиво, то есть вращался с постоянной скоростью w = const, осуществлял преобразование механической энергии в электрическую, необходимо, чтобы механический момент его турбины Мт совершал работу по преодолению равного и встречно направленного ему момента М. В противном случае при отсутствии баланса моментов Мд и Мг генератор будет увеличивать либо уменьшать свою кинетическую энергию, что чревато потерей устойчивости. Для того чтобы производная скорости по времени оставалась равной нулю, необходимо контролировать момент генератора Мг. Момент дизеля Мд контролирует система автоматического регулирования частоты, путем регулирования подачи топлива, но
на величину dw будет влиять и момент синхронного генератора Мг, который будет зависеть dt
только от величины и характера нагрузки.
На рис. 3 представлен график работы характеристики электромагнитного момента и активной мощности генератора, которые представляют зависимости развиваемых генератором элек-
тромагнитного момента и активной мощности от пространственного положения его ротора по отношению к ротору другого параллельно работающего с ним генератора, определяемого углом между продольными осями этих генераторов. Применительно к генератору, работающему в составе электрической системы, его характеристикой момента (мощности) является зависимость развиваемого им момента М (активной мощности Р) от угла 5.
Развиваемая генератором активная мощность Р равна работе, совершаемой электромагнитным моментом М против момента дизеля Мд в единицу времени. Сама же эта работа в стационарном режиме при постоянстве электромагнитного момента М прямо пропорциональна последнему. Поэтому зависимости мощности Р и момента М от угла 5 имеют одинаковый характер [3]. Исходя из того, что индукция Вс магнитного поля в воздушном зазоре генератора имеет синусоидальный характер распределения и определяет его влияние на величину электромагнитного момента М, следует, что электромагнитный момент М и развиваемая генератором Г активная мощность Р в зависимости от угла 5 будут также изменяться по синусоидальному закону (рис. 3).
При положении ротора генератора Г, соответствующем углу 5 = 90 (рис. 3), активные части его обмотки возбуждения находятся в наиболее сильном поле Вс, на ротор при этом действует электромагнитный момент М наибольшей величины, и генератор Г развивает максимально возможную активную мощность Рт (рис. 3), которая в точке с будет достигать идеального предела мощности генератора.
Характеристику мощности генератора можно представить аналитически в виде
Р = Рт 8ш5. (2)
Генератор не в состоянии развить активную мощность больше предела Рт, при любом значении мощности дизеля. Развиваемая генератором активная мощность Р прямо пропорциональна развиваемому им электромагнитному моменту М, который, с одной стороны, прямо пропорционален току в обмотке возбуждения или ему пропорциональной ЭДС Ег, с другой стороны, прямо пропорционален индукции Вс магнитного поля или ей пропорциональному току 1С. Из формулы (2) и графика (рис. 3) видно, что если угол 5 достигнет значения выше 90 градусов, то активная мощность Р начнет менять свое направление и наступит недопустимый асинхронный режим, который нарушит бесперебойную подачу электрической энергии.
Если
8т5 = Ег / ис, (3)
где Ег, ис - внутренняя ЭДС генератора и напряжение обмоток статора соответственно, то, контролируя угол между напряжением статора и внутренней ЭДС, можно фиксировать и отслеживать асинхронный режим и, тем самым, контролировать устойчивость любой электроэнергетической системы и устранять предотказные состояния.
На рис. 4 представлена модель, реализованная в программе компьютерного моделирования средствами пакета МЛТЬЛБ 7.0, которая доказывает зависимость устойчивости электроэнергетической системы от угла между напряжением статора и внутренней ЭДС.
Модель включает:
1) синхронный генератор;
2) сеть частотой 50 Гц;
3) блок измерения угла между напряжением статора и внутренней ЭДС.
Рис. 3. Характеристика электромагнитного момента и активной мощности
Рис. 4. Подключение синхронного генератора на трехфазную сеть
На рис. 4 представлена модель и графическая зависимость от величины динамической нагрузки от угла между напряжением статора и внутренней ЭДС предлагаемой системы, реализованной в программе компьютерного моделирования средствами пакета MATLAB 7.0 [4].
В момент времени t = 0,53 с подключается параллельно в сеть 2 синхронный генератор 1 и вводит динамическое возмущение, блок 3 фиксирует это, и на первой диаграмме (рис. 5) увеличивается угол между напряжением статора и внутренней ЭДС.
На графике (рис. 5) выделенная область соответствует точке с (рис. 2). Это говорит о том, что угол 5 не превысил 90 градусов и смоделированная электроэнергетическая система обладает динамической устойчивостью.
Анализ вопросов устойчивости и результаты исследования компьютерной модели судовой электроэнергетической системы дают возможность перейти к модернизации судовых электроэнергетических систем с целью повышения надежности судового электрооборудования и безопасности мореплавания.
Литература
1. Пат. 2095908 РФ, МКИ 6 H02H7/06. Способ защиты синхронной машины от асинхронных режимов.
2. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. -М.: Высш. шк., 1985. - 536 с.
3. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB SimPowerSystems и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.
4. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л.А. Жукова. - М.: Энергия, 1979. - 456 с.
5. Баранов А.П., Раимов М.М. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации: Учеб. для вузов. - СПб.: Элмор. - 1997. - 232 с.
6. Дъяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия Библиотека профессионала. - М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 800 с.
7. Портнягин Н.Н., Пюкке Г.А. Теория, методы и эксперименты решения задач диагностики судовых электрических средств автоматизации: Моногр. // Судостроение. - СПб., 2004. - 157 с.
Рис. 5. Графические характеристики зависимости величины динамической нагрузки от угла между напряжением статора и внутренней ЭДС в МАТЬАББ 7.0
