PARALLEL OPERATION OF DIESEL GENERATOR SETS OF CONSTANT AND VARIABLE SPEED
Authors:
1.
Volga State University of Water Transport
(Postgraduate Student of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport)
Russian Federation
Russian Federation
2.
Volga State University of Water Transport
3.
Nizhniy Novgorod State Technical University named after R. E. Alekseev
4.
Volga State University of Water Transport
(Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport)
5.
Volga State University of Water Transport
(Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport)
Russian Federation
Russian Federation
Type:
Article
Pages:
from 93
to 99
Status:
Published
Received:
20.02.2018
Accepted:
25.02.2018
Published:
25.02.2018
Subject area:
UDK 621.313.3
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:
power plant, electric propulsion system, DC link, variable speed diesel generator
Abstract (English):
The paper focuses on the operation of the ship's single power station with a common link of direct current and a diesel generator of variable speed are considered. It is shown that the operation of a diesel generator set at a constant (nominal) rotational speed, but variable load is characterized by a nonoptimal (overrated) specific fuel consumption. At the same time, forced regulation of the internal combustion engine rotation speed in accordance with the electric load of the generator make it possible to provide energy-efficient mode of generating electricity. One way to improve the energy performance of the ship single power station is to convert one of the parallel operating diesel generators into a variable speed mode. In this case, the load between the parallel operating diesel generators is distributed in proportion to their rotation frequencies, regardless of the individual loading of the propulsion motors. To stabilize voltage of the diesel generators operating in the variable speed mode, a power semiconductor converter is used. Functional scheme and mathematical simulation model of the ship single power station, graphs of transient processes with load changes in the channel of electric propulsion system of the vessel are presented.
The paper focuses on the operation of the ship's single power station with a common link of direct current and a diesel generator of variable speed are considered. It is shown that the operation of a diesel generator set at a constant (nominal) rotational speed, but variable load is characterized by a nonoptimal (overrated) specific fuel consumption. At the same time, forced regulation of the internal combustion engine rotation speed in accordance with the electric load of the generator make it possible to provide energy-efficient mode of generating electricity. One way to improve the energy performance of the ship single power station is to convert one of the parallel operating diesel generators into a variable speed mode. In this case, the load between the parallel operating diesel generators is distributed in proportion to their rotation frequencies, regardless of the individual loading of the propulsion motors. To stabilize voltage of the diesel generators operating in the variable speed mode, a power semiconductor converter is used. Functional scheme and mathematical simulation model of the ship single power station, graphs of transient processes with load changes in the channel of electric propulsion system of the vessel are presented.
Keywords:
power plant, electric propulsion system, DC link, variable speed diesel generator
power plant, electric propulsion system, DC link, variable speed diesel generator
Состояние проблемы В настоящее время в судостроении все больше внимания уделяется гребным электрическим установкам (ГЭУ), которые имеют ряд преимуществ перед установками с непосредственной передачей мощности от тепловых двигателей на винт: повышенные маневренные качества, надежность и живучесть судна, возможность отбора мощности от ГЭУ для вспомогательных нужд. В Волжском государственном университете водного транспорта разрабатывается концепция новых пассажирских судов с использованием ГЭУ с колесно-движительным рулевым комплексом. Суда планируется использовать на реках, где в настоящее время судоходство ограничено небольшими глубинами, например на Оке. Опираясь на опыт эксплуатации судов проекта ПКС-40, одним из вариантов энергетической установки судна выбрано использование единой электростанции, содержащей два дизель-генератора (ДГ1, ДГ2) и являющейся общей для питания как ГЭУ, так и общесудовых потребителей. В качестве движителей рассматриваются гребные колеса диаметром 4,5-6 м, электродвигатели которых питаются от преобразователей частоты (ПЧ). Эксплуатация судов проекта ПКС-40 показала их высокую экономичность и маневренность, однако были выявлены и существенные недостатки: - неравномерное и быстроизменяющееся распределение мощности между гребными электродвигателями при активном маневрировании; - сложность включения генераторов на параллельную работу и распределения между ними активной мощности, связанная с наличием высших гармонических в сети при работе ПЧ. Практика показывает, что один из ДГ может быть загружен на 150-170 % от номинальной мощности, а другой существенно недогружен. Для ПЧ и электрических двигателей данные перегрузки являются допустимыми. Однако перегрузка генераторов может составлять не более 110-115 % от их номинальной мощности. Решение данной проблемы заключается в реализации так называемой псевдопараллельной работы генераторов, когда ПЧ каналов электродвижения соединены на стороне постоянного тока. Такое решение было предложено авторами статьи в [1]. Научно обосновано и подтверждено экспериментально, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения ДВС в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии [2-5]. Задачи, методы и результаты исследования С целью повышения энергетических показателей судовой единой электростанции (СЭС) нами предложен вариант ее структуры, когда один из параллельно работающих ДГ переводится в режим переменной частоты вращения (рис. 1). Рис. 1. Функциональная схема судовой единой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения Принцип работы схемы заключается в принудительном регулировании частоты вращения ДВС2 при снижении нагрузки в канале электродвижения судна. Цель данного регулирования обусловлена поддержанием высоких энергетических показателей процесса генерирования электроэнергии за счет сохранения оптимального (близкого к номинальному) удельного расхода топлива ДВС. При этом нагрузка между параллельно работающими генераторами СГ1 и СГ2 будет распределяться пропорционально их частотам вращения и независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей АД1 и АД2. Для стабилизации напряжения СГ2, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется повышающий трансформатор ТV и широтно-импульсный преобразователь, реализованный на транзисторе Т3. Преобразователи обоих ДГ соединены на стороне постоянного тока. Регулятор нагрузки Рнаг воздействует на систему возбуждения СГ1, изменяя величину напряжения на его статоре. Согласно структурной схеме (рис. 1) нами разработана математическая имитационная модель (рис. 2). Рис. 2. Структурная схема математической модели единой судовой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения Результаты имитационного моделирования динамических режимов при снижении нагрузки в канале электродвижения судна на 20 % представлены на рис. 3-6. Рис. 3. Зависимость частоты вращения ГЭУ при снижении нагрузки Графики зависимости частоты вращения ГЭУ и частот вращения ДГ1 и ДГ2 представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно. Рис. 4. Зависимости частоты вращения ДГ1 (1) и ДГ2 (2) при снижении нагрузки в канале электродвижения При снижении на 20-й секунде нагрузки на гребные электродвигатели система регулирования снижает частоту вращения ДГ2 до 80 % от номинальной, при этом регулятор нагрузки Рнаг увеличивает напряжение на выходе СГ1, а распределение нагрузки между ДГ1 и ДГ2 происходит пропорционально их частотам вращения и независимо от величин нагрузок на гребные электродвигатели. На рис. 5 представлены графики зависимости напряжений на выходе выпрямителя НВ1 (UНВ1) и ШИП-преобразователя (UШИП). Рис. 5. Зависимости UНВ1 и UШИП при снижении нагрузки в канале электродвижения Графики зависимости изменения токовой загрузки генераторов СГ1 и СГ2 приведены на рис. 6. Рис. 6. Зависимости IСГ1и IСГ2 при снижении нагрузки в канале электродвижения Таким образом, разработанная математическая имитационная модель единой судовой электростанции позволяет проводить анализ переходных процессов при параллельной работе двух дизель-генераторов, один из которых имеет переменную частоту вращения. Заключение Предложена структура системы параллельной работы дизель-генераторных агрегатов в составе электростанции судна с электродвижением. С целью повышения энергетических показателей СЭС обоснована целесообразность перевода одного из ДГ агрегатов в режим переменной частоты вращения. Разработана математическая имитационная модель динамических режимов параллельной работы ДГ агрегатов постоянной и переменной частоты вращения.
1. Burda E. M., Hvatov O. S., Tarpanov I. A., Kshtaltnyy N. I. Variant edinoy elektrostancii kolesnogo sudna s elektrodvizheniem // Vestn. Astrahan. gos. tehn. un-ta. Ser.: Morskaya tehnika i tehnologiya. 2016. № 2. S. 102-108.
2. Hvatov O. S., Dar'enkov A. B. Dizel'-generatornaya elektrostanciya peremennoy skorosti vrascheniya // Elektrotehnika. 2014. № 3. S. 28-32.
3. Hvatov O. S., Dar'enkov A. B. Edinaya elektrostanciya transportnogo ob'ekta s elektrodvizheniem na baze dizel'-generatornoy ustanovki peremennoy chastoty vrascheniya // Elektrotehnika. 2016. № 3. S. 35-40.
4. Hvatov O. S., Dar'enkov A. B., Samoyavchev I. S., Polyakov I. S. Avtonomnye generatornye ustanovki na osnove dvigateley vnutrennego sgoraniya peremennoy chastoty vrascheniya: monogr. // Nizh. Novgorod: Nizhegor. gos. tehn. un-t im. R. E. Alekseeva. 2016. 172 s.
5. Hvatov O. S., Dar'enkov A. B., Samoyavchev I. S. Toplivnaya ekonomichnost' edinoy elektrostancii avtonomnogo ob'ekta na baze dvigatelya vnutrennego sgoraniya peremennoy skorosti vrascheniya // Ekspluataciya morskogo transporta. 2012. № 1 (71). S. 47-50.
