ANALYSIS AND SYNTHESIS OF APPRAISAL METHODS OF STOCHASTIC PROCESSES OF SHIP ELECTRIC POWER SYSTEM OF GAS DIESEL ENGINES
Authors:
1.
Kerch State Marine Technological University
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Ship Power Supply and Industrial Automation)
2.
Kerch State Marine Technological University
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Ship Power Supply and Automation)
Russian Federation
Russian Federation
3.
Kerch State Marine Technological University
Type:
Article
Pages:
from 44
to 53
Status:
Published
Received:
20.11.2016
Accepted:
25.11.2016
Published:
25.11.2016
Subject area:
UDK 681.5
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
GRNTI 45.01 Общие вопросы электротехники
GRNTI 55.42 Двигателестроение
GRNTI 55.45 Судостроение
GRNTI 73.34 Водный транспорт
GRNTI 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Language:
Russian
Keywords:
gas-diesel engine, electric power system, stochastic processes
Abstract (English):
A distinctive feature of diesel-generator units is that they usegas engines as drive motors. Two types of gas engines - 6-cylinder GDVG-1A-630, GDVG-1A-500 and 8-cylinder GDVG-1A-800 and DSEA type engines are considered. The literature states that one of the causes leading to the emergence of the low-frequency oscillation speed diesel engines and reduction of dynamic properties of the diesel engine is the discrete output of information about diesel enginepropeller rotation. It was established that the discrete output of information, which is close to or less than the interval between the two flashes in cylinders, may cause run-out, leading to irregular rotation. The paper presents a solution to the problem of stabilizing the oscillations of generated voltage frequencyand determine their numerical parameters through the use of electronic controllers with microprocessor control units, stabilizing dose of gas regardless the external conditions. Regulator should be programmed taking into account the actual loading conditions, thus choosing the optimum slope of the regulatory characteristics, otherwise immense deviations of frequency voltage or uncontrolled oscillating processes are possible. The developed method of testing units and hardware and software can not only automate the process, but also help to obtain reliable results at the various modes of operation units. Fragments of the implementation process, describing the frequency variations of the output voltage of the diesel-generator unit GDVG-1A-630 at different loads, received while processing the experimental results of the actual output voltage with subsequent partial digital filtering of quantization noise, showed that these realizations are random. Based on the statistical characteristics, it is concluded that self-oscillations are transient in nature, and their mathematical expectations and standard deviations can be considered as stationary. This made it possible to determine their autocorrelation functions and spectral density for each mode of operation. Approximation of the received experimental correlation typical functions shows that for most of the load range the random process can be described by an exponential correlation function, which corresponds to the spectral density of sufficiently high constant of time. These features have a significant impact on the dynamic regimes of diesel-generator units. It was found that when resetting-setting loads the significant bursts of speed and failures are observed; itaggravates the problem of the quality of their stress. It is noted that the self-contained power plants, including marine ones, or power supply for critical processes contain large amounts of various types of converters, among which there is a sufficient number of rectifiers, made according to the classic multi-phase circuits. Autonomous power plants with gas drive motors are different in softer electromechanical characteristics and frequency oscillations, several times exceeding the standards.
A distinctive feature of diesel-generator units is that they usegas engines as drive motors. Two types of gas engines - 6-cylinder GDVG-1A-630, GDVG-1A-500 and 8-cylinder GDVG-1A-800 and DSEA type engines are considered. The literature states that one of the causes leading to the emergence of the low-frequency oscillation speed diesel engines and reduction of dynamic properties of the diesel engine is the discrete output of information about diesel enginepropeller rotation. It was established that the discrete output of information, which is close to or less than the interval between the two flashes in cylinders, may cause run-out, leading to irregular rotation. The paper presents a solution to the problem of stabilizing the oscillations of generated voltage frequencyand determine their numerical parameters through the use of electronic controllers with microprocessor control units, stabilizing dose of gas regardless the external conditions. Regulator should be programmed taking into account the actual loading conditions, thus choosing the optimum slope of the regulatory characteristics, otherwise immense deviations of frequency voltage or uncontrolled oscillating processes are possible. The developed method of testing units and hardware and software can not only automate the process, but also help to obtain reliable results at the various modes of operation units. Fragments of the implementation process, describing the frequency variations of the output voltage of the diesel-generator unit GDVG-1A-630 at different loads, received while processing the experimental results of the actual output voltage with subsequent partial digital filtering of quantization noise, showed that these realizations are random. Based on the statistical characteristics, it is concluded that self-oscillations are transient in nature, and their mathematical expectations and standard deviations can be considered as stationary. This made it possible to determine their autocorrelation functions and spectral density for each mode of operation. Approximation of the received experimental correlation typical functions shows that for most of the load range the random process can be described by an exponential correlation function, which corresponds to the spectral density of sufficiently high constant of time. These features have a significant impact on the dynamic regimes of diesel-generator units. It was found that when resetting-setting loads the significant bursts of speed and failures are observed; itaggravates the problem of the quality of their stress. It is noted that the self-contained power plants, including marine ones, or power supply for critical processes contain large amounts of various types of converters, among which there is a sufficient number of rectifiers, made according to the classic multi-phase circuits. Autonomous power plants with gas drive motors are different in softer electromechanical characteristics and frequency oscillations, several times exceeding the standards.
Keywords:
gas-diesel engine, electric power system, stochastic processes
gas-diesel engine, electric power system, stochastic processes
Введение Отличительной особенностью газодизельгенераторных агрегатов (ГДГА) является то, что в качестве приводных двигателей в них используются газовые двигатели, т. е. двигатели, топливом в которых является природный газ. Такие двигатели подразделяются на две группы. В первой из них используется смешанное топливо - дизтопливо в режимах малых нагрузок и холостого хода, а газ - при больших нагрузках, иногда с подпиткой дизтопливом (газодизели). Во второй - двигатели, которые работают только на газе. Последние в целом не являются дизелями, но указанное название традиционно относится и к ним. Анализ литературных и технологических данных В работе рассматриваются два типа газовых двигателей. Первый тип - 6-цилиндровые ГДВГ-1А-630, ГДВГ-1А-500 и 8-цилиндровый ГДВГ-1А-800 - и двигатели типа ДГМА (автономный дизельный генератор). Первые выпускаются на диапазон мощностей от 300 до 1500 кВт, а вторые - на диапазон мощностей от 25 до 800 кВт. Оба типа двигателей предназначены для производства электроэнергии с применением в качестве топлива природного газа, попутного газа нефтедобычи, шахтного метана и биогаза. Широкое применение газовые двигатели находят в когенерационных установках, устанавливаемых на газовых котельных. При использовании газовых двигателей стоимость электроэнергии снижается на 1,6-2,0 руб./(кВт · ч). Особенность механических характеристик ГДГА рассмотрена ниже. На рис. 1, а приведена полученная для приведенных выше агрегатов осциллограмма колебаний частоты выходного напряжения ГДГА мощностью 500 кВт на интервале интервале 2 250 отсчётов по 20 мс (суммарное время 45 ∙ 103 мс) при отдаваемой активной мощности 100 кВт. Рис. 1. Результаты экспериментальных исследований: а - осциллограмма колебаний частоты выходного напряжения ГДГА; б - механические характеристики ГДГА Осциллограмма иллюстрирует значительные (45-55 Гц) колебания частоты напряжения ГДГА а следовательно, и оборотов газового дизеля, которые будут приводить к значительным колебаниям активной мощности. Установившийся режим работы двигателя может нарушаться в результате изменения количества энергии на подводе или отводе, когда перестает выполняться равенство эффективного момента и момента сопротивления. При этом факторы, послужившие причиной изменения моментов, могут действовать кратковременно (пропуск вспышки в цилиндре) и длительное время. Если после прекращения действия факторов изменения эффективной мощности или мощности сопротивления равенство моментов не выполняется, то установившейся режим не восстанавливается и двигатель работает неустойчиво. При работе электростанции между генераторами наблюдаются колебания активной мощности. Амплитуда колебаний активной мощности может достигать нескольких десятков процентов от номинальной мощности генератора. Рис. 1, б иллюстрирует обработанные экспериментальные данные для таких же ГДГА при работе в диапазоне до 60 % от номинальной мощности. Распределение активной мощности между генераторами при отсутствии специальных устройств определяется наклонами характеристик п = f(Р) агрегатов и неточностью регулирования скорости. Зона неточности регулирования зависит от нечувствительности регуляторов скорости и нелинейности характеристик. Под зоной неточности регулирования понимается зона, лежащая между двумя прямолинейными и параллельными характеристиками, в пределах которой располагаются действительные кривые n = f(P). При наличии зоны неточности регулирования 2Δ даже при одинаковых статических характеристиках n = f(P) параллельно работающих генераторов активные мощности между генераторами могут распределяться в соответствии с их механическими характеристиками [1]. Установлено, что степень неравномерности распределения активной мощности может быть вычислена для полученных числовых значений по формуле где Р1, Р2 - мощности, отдаваемые генераторами при их параллельной работе. Если , , вся нагрузка принята на первый генератор. Если , , вся нагрузка принята на второй генератор, если P1 = P2, , нагрузка распределена равномерно. В работе [2] О. Н. Синчук установил, что в ряде случаев определяется (при одинаковой мощности генераторов) по формуле При таком определении степени неравномерности абсолютная неравномерность относится к неизменной величине удвоенной номинальной мощности . Поэтому при различной суммарной нагрузке степень неравномерности оказывается недооцененной при малых загрузках системы и переоцененной - при больших загрузках системы. Степень неравномерности распределения активной мощности при заданной зоне неточности регулирования 2Δ зависит от постоянства характеристики δ и при большем уменьшается. Статические характеристики, согласно [3], определялись по формуле . где n1, n2 - значения оборотов генераторов при номинальной мощности в соответствии с их механическими характеристиками. В работе [4] показано, что при использовании ГДГА максимальное и минимальное значения статизма достигают 0,22 и 0,11 соответственно. При этом существенно возрастает зона неточности регулирования, которая может достигать 7 %, а, соответственно, и степень неравномерности распределения активной мощности (при загрузке генераторов на половину своей номинальной мощности νР = 30 %). Степень неравномерности распределения активной мощности резко возрастает по мере уменьшения нагрузки станции P1 = P2. Анализ литературных источников показывает, что существует несколько причин, приводящих к появлению низкочастотных колебаний оборотов дизелей. О. Н. Синчук в [2] указывает на возможность появления колебаний оборотов и ухудшение динамических свойств дизеля из-за дискретности съема информации об оборотах вала дизеля. Установлено, что при дискретности съема информации, которая близка или меньше интервала между двумя вспышками в цилиндрах, могут появляться биения, приводящие к неравномерности вращения. Для рассматриваемого агрегата это явление исключено, поскольку при частоте вращения вала 600 об/мин дизель имеет 6 (ГДВГ-1А-630 и ГДВГ-1А-500) или 8 (ГДВГ-1А-800) цилиндров, что составляет интервал между вспышками 0,018 с и 0,012 с соответственно. В то же время датчик оборотов, размещенный по ободу маховика диаметром 1,5 м с интервалом дискретности 2 см, имеет дискретность » 2355 имп./с, что составляет интервал меньше 0,5 мс. Таким образом, целью работы являлось исследование применимости электронных регуляторов с микропроцессорными блоками управления при использовании ГДГА. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: исследование характеристик программируемого регулятора с учетом фактических режимов загрузки; выбор оптимального наклона регуляторной характеристики; анализ методов оценки чрезмерных отклонений по частоте напряжения или неконтролируемых процессов. Материалы и методы исследования Колебания частоты вращения вала приводного двигателя ГДГА, приводящие к колебаниям частоты генерируемого напряжения, являются определяющими при параллельной работе машин, поскольку приводят к появлению обменных колебаний мощности, величины которых могут достигать недопустимых значений и приводить к развалу электроэнергетических систем. Газодизельгенераторные агрегаты совершенно не удовлетворяют требованиям по стабильности частоты, поэтому для того, чтобы решить проблемы их параллельной работы, проводились детальные исследования колебаний частоты генерируемого напряжения и определялись их численные параметры. Детальный анализ возможных причин низкочастотных колебаний оборотов газовых двигателей, выполненный в работе [5], показывает, что существующая гамма дестабилизирующих факторов работы двигателя не позволяет прогнозировать колебания оборотов его вала, а тем более определять их численные значения. Поэтому единственным реальным способом выполнения таких исследований является экспериментальный. Результаты исследования Разработанная на кафедре электрооборудования судов и автоматизации производства Керченского государственного морского технологического университета методология проведения испытаний агрегатов и аппаратно-программные средства позволяют не только автоматизировать процесс, но и получить достоверные результаты при различных режимах работы агрегатов. На рис. 2, а-е приведены сигналы для процессов, описывающих колебания частоты выходного напряжения газодизельгенераторного агрегата ГДВГ-1А-630 при нагрузке 0-100 % от номинальной с шагом 20 %, которые получены путем обработки экспериментальных результатов реальных сигналов ГДГА с последующей частичной цифровой фильтрацией шумов квантования, которые имеют место в процессе цифровой обработки [6-10]. а б в г д е Рис. 2. Колебания частоты выходного напряжения ГДГА при нагрузке 0 % (а); 20 % (б); 40 % (в); 60 % (г); 80 % (д); 100 % (е) Измерив достаточно большие объемы подобных массивов данных для различных режимов работы ГДГА, стало возможным получение автокорреляционных функций процессов. Автокорреляционная функция процесса может быть вычислена в соответствии с формулой [6-10]: (1) где N - количество отсчетов. На рис. 3, а-е приведены графики автокорреляционных функций, полученных после обработки экспериментальных данных для каждой из фиксированных нагрузок. а б в г д e Рис. 3. Графики автокорреляционных функций для процессов колебания частоты выходного напряжения ГДГА при нагрузке 0 % (а); 20 % (б); 40 % (в); 60 % (г); 80 % (д); 100 % (е) На рис. 4, а-е представлены соответствующие спектральные плотности колебаний частоты напряжения на выходе генератора. а б в г д е Рис. 4. Спектральные плотности колебаний частоты для процессов колебания частоты выходного напряжения ГДГА при нагрузке 0 % (а); 20 % (б); 40 % (в); 60 % (г); 80 % (д); 100 % (е) Для подтверждения достоверности полученных результатов для одной из реализаций была получена автокорреляционная функция процесса с использованием метода вычислений по формуле (1) (сплошная линия), встроенных средств Matlab (изображение точками), а также Matcad (изображение пунктирной линией) (рис. 5). Приведенные результаты показывают высокую их сходимость, что подтверждает правомочность использования любого из проверенных средств обработки, применявшихся в нашем исследовании. Рис. 5. Автокорреляционная функция процесса с использованием метода вычислений по формуле (1) (сплошная линия) с использованием встроенных средств Matlab (изображение точками) и Matcad (пунктирная линия) Отмеченные особенности оказывают существенное влияние и на динамические режимы ГДГА: доказано, что при сбросе-наборе нагрузок в ГДГА наблюдаются значительные всплески и провалы оборотов (рис. 6), что усугубляет проблемы качества их напряжений. Рис. 6. Результаты синтеза модели ГДГА при наборе и сбросе нагрузки Обсуждение результатов исследований Анализ полученных результатов показывает, что в общем случае процесс колебаний частоты является нестационарным с изменяющимся математическим ожиданием и дисперсией. Поэтому обработка экспериментальных данных выполнялась для фиксированных нагрузок, для каждой из которых можно принять случайный процесс стационарным и эргодическим. Рассмотрим влияние описанного эффекта отклонения частоты напряжения U генератора на качество выходного напряжения неуправляемого выпрямителя, питающегося от данного генератора. Зависимость выходного напряжения от входного и фазности m определяется выражением (2) или среднее значение выпрямленного напряжения при угле и частоте в этом случае формулы преобразуются, естественно, к виду При базовом напряжении (2) отклонение величины выходного напряжения (в относительных единицах) в зависимости от отклонения частоты входного определяется как По полученным формулам построены графики отклонений напряжения для значений, которые приведены на рис. 7. Рис. 7. Графики отклонения выпрямленного напряжения при отклонении частоты сети Комплекс аппаратно-программных средств позволил получить экспериментальные данные, с помощью которых определены вероятностные и спектрально-корреляционные характеристики колебаний оборотов ГД. Выводы 1. При рассмотрении воздействия случайных помех на управляемый преобразователь необходимо учитывать его нелинейные свойства. Была разработана его стохастическая модель, позволившая определить в выходном сигнале не только внешние помехи, но и помехи, обусловленные нелинейностью преобразователя. 2. Автономные электростанции, в том числе судовые, или электростанции для питания ответственных технологических процессов содержат большое количество преобразователей различных типов. Среди них достаточно большое количество выпрямительных агрегатов, изготовленных по классическим многофазным схемам. 3. Автономные электростанции с газовыми приводными двигателями отличаются более мягкими электромеханическими характеристиками и колебаниями частоты, в несколько раз превышающими требования стандартов.
1. Chernov D. V., Kryzhanovskiy V. G. Usilitel' klassa E v sostave transivera sistemy blizhnepolevoy kommunikacii // Tehnіchna elektrodinamіka. 2011. № 1. S. 293-298.
2. Sinchuk O. N., Shokarev D. A., Skapa E. I. Analiz metoda neposredstvennoy asinhronnoy ShIM napryazheniya IGBT-preobrazovatelya // Tehnіchna elektrodinamіka. 2011. № 2. S. 154-157.
3. Dawidziuk J. Mesto i rol' silovoy elektroniki v sberezhenii elektroenergii v Pol'she // Tehnіchna elektrodinamіka. 2007. № 2. S. 9-14.
4. Zakis J., Rankis I., Vinnikov D. Analysis of operating modes of the step-up DC/DC converter with a commutating LS-filter // Tehnіchna elektrodinamіka. 2011. № 1. S. 87-92.
5. Bessarab Y., Merfert I., Lindemann A. Decentralized energy supply with active power filter // Tehnіchna elektrodinamіka. 2009. № 4. S. 70-73.
6. Zhilenkov A. A., Chernyy S. G. Issledovanie avtokolebatel'nyh processov v kombinirovannyh avtonomnyh elektroenergeticheskih sistemah // Kontrol'. Diagnostika. 2016. № 5. S. 61-67.
7. Chernyy S. G., Zhilenkov A. A. Intellektual'naya podderzhka prinyatiya resheniy pri optimal'nom upravlenii dlya sudovyh elektroenergeticheskih sistem // Vestn. gos. un-ta mor. i rech. flota im. adm. S. O. Makarova. 2014. № 3 (25). S. 68-75.
8. Chernyy S. G., Zhilenkov A. A. Identifikaciya vneshnih parametrov signalov dlya ekspertnyh podsistem v sostave ustroystv sudovyh elektroenergeticheskih sistem // Nauch.-tehn. vedom. Sankt-Peterb. gos. politehn. un-ta. Informatika. Telekommunikacii. Upravlenie. 2014. № 3 (198). S. 28-36.
9. Zhilenkov A., Chernyi S. Investigation performance of marine equipment with specialized information technology // Procedia Engineering. 2015. Vol. 100. P. 1247-1252.
10. Chernyi S., Zhilenkov A. Modeling of complex structures for the ship’s power complex using XILINX system // Transport and Telecommunication. 2015. Vol. 16 (1). P. 73-82.
