СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГРУППЫ АВТОНОМНО РАБОТАЮЩИХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.314

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-488-494

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ГРУППЫ АВТОНОМНО РАБОТАЮЩИХ СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

И.И. Артюхов, Е.К. Пыльская, Ш.А. Гайнуллин, С.В. Краснов

В работе показаны особенности построения системы электроснабжения, в которой источниками энергии являются автономно работающие синхронные генераторы. Предложена структура преобразовательного комплекса, который осуществляет суммирование потоков энергии от синхронных генераторов в соответствии с их нагрузочными характеристиками и обеспечивает подачу в нагрузку электроэнергии с заданными параметрами. Моделирование системы электроснабжения в среде MATLAB с пакетом расширения Simulink подтвердило функциональность принятого алгоритма управления преобразовательным комплексом.

Ключевые слова: система электроснабжения, синхронный генератор, преобразовательный комплекс, имитационное моделирование.

В качестве источников электроэнергии наиболее широкое применение получили синхронные генераторы (СГ). Традиционно необходимым условием их работы является стабилизация скорости вращения вала с целью обеспечения требуемой точности поддержания частоты выходного напряжения. Однако это условие не всегда выполнимо, например, когда вал СГ приводится во вращение ветровой турбиной или двигателем транспортного средства. Более того, стабилизация скорости вращения вала приводного двигателя в ряде случаев снижает энергетическую эффективность системы генерации. В частности, при использовании дизеля в качестве первичного двигателя фактический расход топлива при работе СГ на переменную нагрузку оказывается значительно выше заявленной величины.

Существующие в настоящее время средства силовой электроники позволяют создавать и внедрять новые технологии генерирования, передачи и распределения электроэнергии. В качестве источников электроэнергии теперь могут быть использованы электрические машины с изменяемой скоростью вращения вала. Задача решается за счет применения преобразовательных устройств, позволяющих при изменении амплитуды и частоты напряжения СГ получить электрическую энергию заданного качества на шинах электроприемников. Теоретические аспекты и практические решения подобной задачи достаточно подробно рассмотрены для СЭС на базе дизель-генераторов, например, в [1, 2] и многих других. Особенность таких систем состоит в том, что регулирование скорости вращения вала для привода генератора осуществляется в зависимости от нагрузки с целью сокращения расхода топлива.

Вопросы построения, моделирования и расчета автономных СЭС на базе одиночных СГ с изменяемой скоростью вращения вала рассмотрены также в [3, 4]. Возможность создания цеховой микросети на базе генераторов собственных нужд, скорость вращения вала каждого из определяется режимом работы газоперекачивающего агрегата показана в [5]. Дальнейшее развитие тематики предполагает разработку теоретических основ создания мультигенераторных СЭС различного назначения.

На рис. 1 показана схема СЭС, источниками электрической энергии в которой являются генераторы СГ1...СГК с приводными двигателями ПДь.ПД^ Генераторы формируют напряжения Uk с частотой fk . Частота fk напряжения выходе k-го генератора прямо пропорциональна скорости nk вращения вала. Действующее значения напряжения Uk зависит от скорости вращения вала nk, магнитного потока, создаваемого обмоткой возбуждения, и нагрузки генератора.

Возникает задача создания преобразовательного комплекса (ПК), который должен осуществлять суммирование потоков энергии автономно работающих генераторов и обеспечивать подачу в нагрузку электроэнергии с заданными значениями напряжения ^ и частоты fy . При этом одним из вопросов, который должен быть решен, это выбор структурной схемы, обеспечивающей стабилизацию напряжения на нагрузке при изменении ее параметров и выходных напряжений СГ.

На рис. 2 показана схема ПК, который выполнен в виде N идентичных модулей. Силовые цепи каждого модуля содержат диодный выпрямитель на диодах VD 1.VD6, а также импульсный преобразователь повышающего типа c ключевым элементом VT. Выходы импульсных преобразователей объединены на шине постоянного тока, от которой получает энергию автономный инвертор напряжения (АИН) на IGBT модулях.

пд] -е-©

и,л

пд?

сг1

- U2.f2

-е-©-

СГ2

ПДN

"N

- ^ Us.fs

crN

5 —

А

X

Л

ч <и щ 2 V

П

еп св А

О.

КО

О

<ц

О.

С

uH,fH

Harpy жа

Рис. 1. Схема СЭС на основе группы автономно работающих СГ

На выходе диодного выпрямителя для сглаживания пульсаций напряжения установлен фильтр L1-C1. Выходное напряжение и^к к-го диодного выпрямителя зависит от напряжения и на входе и тока на выходе.

Импульсный преобразователь обеспечивает повышение напряжения и^ до уровня напряжения и на шине постоянного тока и загрузку к-го генератора в соответствии с его номинальной мощностью. Величина напряжения на выходе импульсного преобразователя регулируется за счет широтно-импульсной модуляции (ШИМ) импульсов управления силовым ключом УТ.

ДИОДНЫЙ

выпрями тель_1

|. ■ ZSvdi ZIVL9 21 vos

IJi.f.O-~

i 2 i™ 2 i w 2 i vob

+ ki ■o——

Импульсный преобраэователь_1 11(,

Ud,

' v-v-.-r

■to-

il ■■'

Uj,r, o-

Диодный вылрямитель__2

Ud2

Импульсный преобразователь_2

In

IWN O-

Д йодный выпрямитель^

![;.„ ИмПуЛЪСНЫЙ

1 ' I преобраэоватепь_№

Автономный

инвертор напряжения

Рис. 2. Схема преобразовательного комплекса

АИН обеспечивает подачу электроприемникам электроэнергии с заданными значениями напряжения ин и частоты /н. В случае необходимости получения кривой напряжения, форма которой соответствует требованиям ГОСТ32144-2013, между выходом инвертора и нагрузкой устанавливается синус-фильтр.

При исследовании установившихся режимов СЭС сделаем допущение о том, что сопротивления проводников шины постоянного тока имеют малую величину по сравнению с другими элементами преобразовательного комплекса. Кроме того, представим каждый из модулей СЭС эквивалентным двухполюсником, имеющим ЭДС Ел и сопротивление Яйк. АИН как нагрузку преобразовательного комплекса по шине постоянного тока заменим эквивалентным сопротивлением ЛЭ. В результате получим схему замещения, которая приведена на рис. 3. На ней дополнительно показаны диоды Ук , моделирующие однополярный характер выходных токов 1й2к выпрямителей.

На основании схемы замещения запишем выражение для расчета напряжения на шине постоянного тока

N , N

Ц* = £ ^А1 /Х^1 + ' (1)

к=1 / к=1

где Ек - логические функции, которые равны единице в том случае, когда источник энергии соответствующего модуля отдает энергию в шину постоянного тока, и нулю в противном случае.

Выходной ток каждого модуля найдем по формуле

1й2к =Рк(Е(1к . (2)

Эквивалентные ЭДС Ейк модулей зависят от напряжений ийк на выходах выпрямителей и коэффициента ук заполнения ШИМ соответствующего импульсного преобразователя напряжения

Еак = 0(ук)иак , (3)

где Г)(ук) - регулировочная характеристика импульсного преобразователя в составе к-го моду-

'■(11

„ Кй! V, 1,12, 0—□ >1 '

КсО 1^22

Й* К« ^

Кэ

и£.

Рис. 3. Схема замещения преобразовательного комплекса

Эквивалентные сопротивления модулей образуются путем суммирования последовательных сопротивлений цепей генерации и преобразования энергии. Напряжения Цйк выпрямителей являются функциями напряжений Ц, вырабатываемых СГ, и выходных токов выпрямителей 1а1к, которые, в свою очередь, определяются загрузкой ПК по шине постоянного тока.

Действующие значения токов 1к, потребляемых модулями ПК от генераторов, можно рассчитать по формуле

1к = ^2/31й1к. (4)

Эти значения не должны превышать номинальные значения, установленные заводом-изготовителем СГ, во всем диапазоне изменения скорости вращения вала приводных двигателей и параметров нагрузки СЭС.

На основании вышеизложенного можно сформулировать функции, которые должна выполнять система управления ПК:

- обеспечение заданных параметров электрической энергии, отдаваемой электроприемникам СЭС;

- заданное распределение нагрузки между модулями преобразовательного комплекса;

- защита СГ от перегрузок в статических и динамических режимах.

Частота напряжения на нагрузке обеспечивается с высокой точностью современными средствами управления силовыми ключами АИН. Действующее значение основной гармоники линейного напряжения в случае применения синусоидальной ШИМ определяется по формуле

где ц - коэффициент модуляции, 0 < ц < 1.

Если ставится задача стабилизации напряжения на нагрузке при обеспечении суммарного коэффициента гармонических составляющих в соответствии с требованиями ГОСТ32144-2013, то установка синус-фильтра приводит к усилению зависимости напряжения на нагрузке от ее тока. Эта зависимость может быть скомпенсирована соответствующим изменением коэффициента модуляции ц, при этом, с позиций оптимизации массогабаритных показателей синус-фильтра, это изменение необходимо сделать минимальным. Поэтому в соответствии с формулой (4) напряжение Ц на шине постоянного тока желательно поддерживать на стабильном уровне. В данной работе принят алгоритм управления ПК, в соответствии с которым стабилизация напряжения на нагрузке СЭС осуществляется изменением коэффициента модуляции ц АИН, а стабилизация напряжения на шине постоянного тока и распределение нагрузки между модулями ПК - изменением коэффициентов ук импульсных преобразователей. При этом, как показано в [6], для обеспечения устойчивости системы целесообразно один из модулей назначить ведущим и возложить на импульсный преобразователь этого модуля функцию стабилизации напряжения на шине постоянного тока. Другие модули будут ведомыми, импульсные преобразователи этих модулей будут обеспечивать заданное распределение нагрузки между модулями.

Указанные принципы управления модулями СЭС учтены при построении имитационной модели в среде МА^АВ с пакетом расширения Simulink. На рис. 4 показана схема модели силовых цепей СЭС, состоящей из трех модулей, на рис. 5 - схема модели информационно-управляющих устройств.

ponvergui

Рис. 4. Схема модели силовых цепей

Ё>

|[11<п]

[Î^ÎÎT)-

PWM Generator (DC-DC) 1

Pl(s)

-Г

PWM Generator (DC-DCJ2

B>—O-

|uai"l )-1

■9

\ PIM У

/ *

PWM Generator (DC-DC)3

Pl(5)

У

K^ [¥211

ГУЗ) I

Puc. 5. Схема модели информационно-управляющих устройств

СГ с выпрямителями представлены блоками SG1 - SG3. АИН моделируется эквивалентным сопротивлением R = 1,2 Ом. Суммарная емкость конденсаторов С21 - С23 равна 600 мкФ. Индуктивности дросселей L21 - L23 составляют 0,5мГн. Частота работы импульсных преобразователей напряжения принята равной 10 кГц. Заданное значение напряжения на шине постоянного тока составляет 600 В.

На рис. 6 и 7 представлены результаты моделирования для следующего сценария развития событий. Вначале включается и выходит в режим стабилизации напряжения на шине постоянного тока первый модуль. Затем в момент времени t = 0,04 c подключается второй модуль, еще через 0,08 с вступает в работу третий модуль.

600

500

„-400

N300

га 200 х

100

1000 800

< 600

2 ,о

Н 400 200

1И1 /

С-к-

иаз

0.05

0.1 0.15 0.2

Время, с

0.25

0.3

1с11

М12 • И13

Г у

_ и_

0.05

0,1

0.15 Время, с

0.2

0.25

0.3

Рис. 6. Напряжения и токи на входе модулей

800

[И 600 в

|400

200

1- 1 *

- - _

0.05

0.1

0.15 Время, с

0.2

0.25

0.3

Рис. 7. Напряжение на шине постоянного тока

Из осциллограмм на рис. 6 и 7 видно, что принятый алгоритм управления импульсными преобразователями напряжения обеспечивает стабилизацию напряжения на шине постоянного тока и равномерное распределение входных токов модулей и, соответственно, нагрузку между СГ.

Список литературы

1. Формирование энергоэффективных режимов дизельной электростанции инвертор-ного типа / Б.В. Лукутин, Г.Н. Климова, С.Г. Обухов и др. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2009. № 6. С. 80-82.

2. Хватов О.С., Дарьенков А.Б. Электростанция на базе дизель-генератора переменной частоты вращения // Электротехника. 2014. № 3. С. 28-32.

3. Артюхов И.И., Бочкарев Д.А. Автономная система электроснабжения на основе генератора с изменяемой частотой вращения вала // Научное обозрение. 2014. № 3. С. 178-183.

4. Особенности построения автономных систем электропитания на основе генераторов с изменяемой скоростью вращения вала / И.И. Артюхов, С.Ф. Степанов, Д.А. Бочкарев и др. // Вопросы электротехнологии. 2015. № 1(6). С. 58-64.

5. Земцов А.И. Повышение эффективности электроснабжения газокомпрессорного цеха за счет формирования микросети на основе генераторов собственных нужд газоперекачивающих агрегатов // Градостроительство и архитектура. 2019. Т. 9. № 3. С. 175-180.

492

6. Artyukhov I., Stepanov S., Zemtsov A. Transient Processes in the Microgrid Based on a Group of Autonomous Operating Synchronous Generators // 10th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering, ELEKTROENERGETIKA 2019 : Stara Lesna, Slovakia, 16 - 18 September 2019. Pp.133-138.

Артюхов Иван Иванович, д-р техн. наук, профессор, ivart54@mail. ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,

Пыльская Елена Константиновна, канд. физ.-мат. наук, доцент, ekpylskaya@mail.ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,

Гайнуллин Шамиль Альбертович, магистрант, shamil_gaiynullin@mail. ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,

Краснов Сергей Владимирович, магистрант, sergeykrasnov99@mail. ru, Россия, Саратов, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

POWER SUPPLY SYSTEM BASED ON A GROUP OF AUTONOMOUS OPERATING SYNCHRONOUS GENERATORS

I.I. Artyukhov, E.K. Pylskaya, Sh.A. Gaynullin, S.V. Krasnov

The paper shows the features of building a power supply system, in which energy sources are autonomously operating synchronous generators. The structure of the converter complex is proposed, which performs the summation of energy flows from synchronous generators in accordance with their load characteristics and ensures the supply of electricity with specified parameters to the load. Simulation of the power supply system in the MATLAB+Simulink package confirmed the functionality of the adopted control algorithm for the converter complex.

Key words: power supply system, synchronous generator, converter complex, simulation.

Artyukhov Ivan Ivanovich, doctor of technical sciences, professor, ivart54@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Pylskaya Elena Konstantinovna, candidate of physical and mathematical sciences, docent, ekpylskaya@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Gaynullin Shamil Albertovich, master, shamil_gaiynullin@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov,

Krasnov Sergey Vladimirovich, master, sergeykrasnov99@mail.ru, Russia, Saratov, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov