Nizhny Novgorod, Russian Federation
Russian Federation
The share of diesel-generator sets (DGS) in Russia's electricity generation capacity is 12 GW, which is approximately 5% of the country's total electricity generation. In our country's small-scale energy sector, especially in regions that are not connected to centralized electricity supply, DGS are the primary sources of electricity. Research on the development of energy-efficient diesel-generator power plants is a current and relevant area in the small-scale energy sector. Diesel-generator power plants are widely used in various technological facilities, including in the maritime industry. To improve the efficiency of this type of power plant by reducing the consumption of hydrocarbon fuel in the production of electricity, a class of DGS with forced regulation of the rotational speed of the internal combustion engines has been developed. Such generator sets have an almost constant specific fuel consumption, even in partial load modes, which means they are highly energy-efficient. These power plants can be built from scratch or by upgrading existing power plants. Currently, most diesel power plants are constant-speed (classic) units with synchronous generators. However, there are alternative generator options available for these power plants, such as asynchronous generators. The advantage of an asynchronous machine with a squirrel-cage rotor is its simple design, mechanical strength, ability to operate at high speeds, and low cost. The use of asynchronous machines in electrical systems is usually associated with the motor mode due to the inability to generate reactive power independently. The use of modern semiconductor converters in autonomous power plants allows for the creation of autonomous generation systems based on asynchronous electric machines.
diesel generator, gas generator, power plant, control system, double-fed machine
Введение
При создании автономной электростанции с генераторами асинхронного типа требуется дополнительно включить в состав оборудования источник реактивной мощности, назначение которого состоит в обеспечении:
– возбуждения асинхронного генератора;
– нагрузки реактивной мощностью.
Данные требования в настоящее время обеспечиваются средствами полупроводниковых преобразовательных устройств, например активных выпрямителей напряжения [1, 2].
Асинхронные дизель-генераторные установки переменной частоты вращения (ДГПЧВ) могут быть реализованы на базе генераторов с короткозамкнутым ротором, а также на основе генераторов с фазным ротором [3].
В первом случае электротехническая часть комплекса генерирования представляет собой силовую структуру по схеме асинхронного генератора с короткозамкнутым ротором (АГКЗ) и преобразователем частоты (ПЧ) в статорной цепи; во втором – асинхронного генератора с фазным ротором (АГФР) и ПЧ в цепи ротора [4].
Вариант с АГФР имеет возможность генерирования энергии в нагрузку через статор и через ротор и ПЧ. Доля мощности у ДГПЧВ с АГФР, которая подвержена искажению, – это роторная часть мощности. Ее величина зависит от технологического диапазона регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и не превышает 30 % от номинальной. Таким образом, к конкурентным преимуществам электростанции с АГФР следует отнести меньшую установленную мощность ПЧ, которая определяется мощностью скольжения и не превышает 1/3 от мощности генератора, в отличие от альтернативных вариантов ДГПЧВ с синхронными машинами или АГКЗ, где мощность ПЧ должна быть равна мощности генератора вне зависимости от глубины регулирования частоты вращения. Также необходимо отметить и меньшие искажения напряжения генерируемой электроэнергии, которые для варианта ДГПЧВ с АГФР связаны только с частью мощности, поступающей в нагрузку через ПЧ.
С учетом вышесказанного предлагается к рассмотрению вариант ДГПЧВ на базе АГФР и ПЧ в роторной цепи. По силовой структуре электротехнической части данный вариант электростанции может быть отнесен к генераторному комплексу по схеме машины двойного питания (МДП).
Принцип работы электростанции
Представлена математическая модель электростанции на базе АГФР с вентильным возбуждением и векторной системой автоматического регулирования напряжения.
Параметры генерируемой электроэнергии стабилизируются с помощью ПЧ в роторной цепи. Выпрямительный блок ПЧ, выполненный по схеме активного выпрямителя напряжения, обеспечивает формирование требуемой (в зависимости от скорости вращения приводного двигателя) частоты тока в роторе генератора, а также его фазы. При этом обеспечивается стабилизация параметров напряжения генерируемой электроэнергии как по частоте, так и по величине соответственно. Одновременно роторный блок ПЧ и емкость в звене постоянного тока реализуют возбуждение автономного асинхронного генератора.
Функциональная схема электростанции представлена на рис. 1, где ДС – датчик скорости вращения генератора; ВП – вычислитель потока статора; ДН – датчик величины напряжения; ПК1, ПК2 – преобразователи координат; И – инвертор; ЗП – задатчик оптимальной величины потока статора; РП – регулятор потока статора; РН – регулятор напряжения; АВ – активный выпрямитель.
Рис. 1. Функциональная схема электростанции на основе машины двойного питания
Fig. 1. Functional diagram of a power plant based on a dual-power machine
Принцип работы электростанции следующий. Двигатель внутреннего сгорания изменяет частоту вращения приводного вала ДВС в зависимости от величины нагрузки на генератор. Расчет энергоэффективной частоты вращения ДВС происходит с помощью задатчика экономичного режима работы, на вход которого поступает информация о величине мощности нагрузки на электростанцию. Система автоматического регулирования поддерживает энергоэффективную частоту вращения ДВС на заданном уровне до следующего изменения нагрузки в сети [5, 6]. Оптимальную величину потокосцепления статора, формируемую задатчиком потока в зависимости от скорости вращения ротора, поддерживает регулятор потока. Поток определяется косвенным образом при помощи вычислителя. Выходной сигнал регулятора потока является задающим для тока ротора по оси x. Величину напряжения статора формирует регулятор напряжения. Выходной сигнал регулятора напряжения является задающим для тока ротора по оси y. Таким образом, реализуется система векторного регулирования напряжения АГФР.
Математическая модель асинхронного генератора
Математическая модель ДГПЧВ на базе МДП состоит из моделей ДВС, АГФР, ПЧ и нагрузки.
Воспользуемся известными из теории ДВС и электрических машин выражениями для записи единой системы уравнений электростанции [7]. С целью уменьшения числа перекрестных связей в структурной схеме ДГПЧВ на основе МДП и упрощения математических выражений для электромагнитного момента и частоты вращения системы координат целесообразно представить запись уравнений генератора в ортогональной системе координат, вращающейся в пространстве с синхронной скоростью, и при этом выбрать потокосцепление статора в качестве опорного вектора.
В результате:
В системе (1) первое уравнение является уравнением ДВС (без турбонаддува), работу АГФР описывают уравнения от второго до девятого, десятое и одиннадцатое учитывают изменение параметров нагрузки. Обозначения в системе (1) являются общепринятыми и в тексте статьи не приведены.
Для реализации векторного регулирования напряжения АГФР ориентируем систему координат таким образом, чтобы вектор потока статора совпадал с осью x. После преобразований получаем следующие выражения:
– для потокосцепления статора:
– для частоты вращения системы координат:
где 
и 
– безразмерные коэффициенты.
Таким образом, проекция вектора тока ротора по оси x определяет значение потокосцепления статора согласно (2), а проекция вектора тока ротора по оси y – величину напряжения в статоре машины согласно (3).
На рис. 2. представлена структурная схема электростанции, разработанная согласно математической модели ДГПЧВ на основе АГФР.
Имитационный эксперимент динамических режимов работы ДГПЧВ на основе МДП представлен на рис. 3–5. Он состоит из подключения 100 % нагрузки к электростанции на 11-й секунде. Заранее на 10-й секунде осуществляется увеличение частоты вращения ДВС. Результаты эксперимента подтвердили стабилизацию напряжения в автономной сети и допустимые, согласно Правилам Российского морского регистра судоходства, провалы величины напряжения.
Основные параметры асинхронного генератора: S = 200 кВА; h = 0,94; U = 380 В; IН = 284 A; nН = 1 500 об/мин.
Предлагаемый к рассмотрению вариант асинхронной дизель-генераторной электростанции переменной частоты вращения отличается рядом конкурентных преимуществ перед альтернативными вариантами с синхронными генераторами или АГКЗ.
Во-первых: установленная мощность ПЧ в роторной цепи, равная мощности скольжения АГФР, с учетом технологически оптимального диапазона регулирования скорости ДВС не превышает 1/3 мощности генератора, т. е. в 3 раза меньше, чем мощность ПЧ в других вариантах [1, 5].
Рис. 2. Структурная схема электростанции на основе машины двойного питания
Fig. 2. Structural diagram of a power plant based on a dual-power machine
Рис. 3. Временная зависимость изменения амплитуды напряжения U1(t) при изменении скорости вращения и подключении нагрузки
Fig. 3. Time dependence of the change in the voltage amplitude U1(t) when the rotation speed changes and the load is connected
Рис. 4. Временная зависимость изменения нагрузки S(t) на генератор
Fig. 4. Time dependence of the load change S(t) on the generator
Рис. 5. Временная зависимость изменения скорости вращения ω(t) ротора генератора
Fig. 5. Time dependence of the change in the rotation speed ω(t) of the generator rotor
Во-вторых: генерируемая мощность ДГПЧВ на основе МДП лишь частично по каналу «ротор – ПЧ – нагрузка» подвергается искажению, в отличие от искажения полной мощности для альтернативных вариантов ДГПЧВ с ПЧ в статоре.
С учетом сказанного можно предполагать, что ДГПЧВ на основе МДП целесообразно использовать в составе энергоэффективных технологических комплексов, в том числе и на судах морского и речного флота. К данным комплексам на судах, в первую очередь, относятся генераторные агрегаты судовой электростанции, а также валогенераторные установки и другие генераторные системы отбора мощности.
Заключение
Предложенная в настоящей статье концепция построения дизель-генераторной электростанции по схеме МДП, а также рассмотренные авторами альтернативные варианты электростанций на основе синхронных и асинхронных с короткозамкнутым ротором генераторов могут быть использованы при разработке и создании газогенераторных электростанций. В настоящее время интерес к газовым комплексам генерации, которые отличаются хорошей надежностью, экологичностью и невысокой стоимостью топлива, подтверждается на практике. Очевидно, что повышение энергоэффективности газогенераторных электростанций является перспективным и актуальным.
1. Hvatov O. S. Elektrotekhnicheskie generatornye kompleksy peremennoj chastoty vrashcheniya na osnove mashiny dvojnogo pitaniya: monografiya [Electrotechnical generator sets of variable rotation speed based on a dual-power machine: monograph]. Nizhnij Novgorod, Izd-vo VGUVT, 2015. 276 p.
2. Vinogradov A. B. Avtonomnaya stanciya elektrosnabzheniya na osnove asinhronnogo generatora s KZ rotorom i preobrazovatelem chastoty maloj moshchnosti [An autonomous power supply station based on an asynchronous gener-ator with a short-circuit rotor and a low-power frequency converter]. Sbornik trudov XI Mezhdunarodnoj (XXII Vserossijskoj) konferencii po avtomatizirovannomu elektroprivodu (AEP) 2020 (Sankt-Peterburg, 04–07 oktyabrya 2020 g.). Saint Petersburg, Izd-vo NIU ITMO, 2021. Pp. 80-86.
3. Vinogradov A. B., Gorelkin R. O. Avtonomnaya stanciya elektrosnabzheniya na osnove asinhronnogo generatora s faznym rotorom i preobrazovatelya chastoty maloj moshchnosti [An autonomous power supply station based on an asynchronous generator with a phase rotor and a low-power frequency converter]. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 2023, no. 3, pp. 63-69.
4. Hvatov O. S., Tarpanov I. A. Sravnitel'nyj analiz energeticheskih pokazatelej sudovoj elektrostancii na baze klassicheskih dizel'-generatornyh ustanovok i elektrostancii s dizel'-generatornoj ustanovkoj peremennoj chastoty vrashcheniya [Comparative analysis of the energy performance of a marine power plant based on classical diesel generator sets and a power plant with a variable-frequency diesel generator set]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Morskaya tekhnika i tekhnologii, 2022, no. 1, pp. 79-84.
5. Hvatov O. S., Tarpanov I. A., Bilyaletdinov T. Z. Avtonomnaya dizel'-generatornaya elektrostanciya na osnove asinhronnogo generatora s ventil'nym vozbuzhdeniem i sistemoj avtomaticheskogo regulirovaniya napryazheniya s vektornym upravleniem [An autonomous diesel generator power plant based on an asynchronous generator with a valve ignition and an automatic voltage regulation system with vector control]. Intellektual'naya elektrotekhnika, 2024, no. 3 (19), pp. 19-31.
6. Hvatov O. S., Tarpanov I. A., Kobyakov D. S. Dizel'-generatornaya elektrostanciya s ventil'nym generatorom po skheme mashiny dvojnogo pitaniya [A diesel generator power plant with a valve generator according to the scheme of a dual-power machine]. Vestnik Astrahanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriya: Morskaya tekhnika i tekhnologiya, 2020, no. 3, pp. 82-90.
7. Khvatov O. S., Dar’enkov A. B. Uniform power station of a transport unit with electric propulsion based on a diesel generator of varying rotation frequency. Russian Electrical Engineering, 2016. vol. 87, iss. 3, pp. 150-155. DOIhttps://doi.org/10.3103/S1068371216030044.
