АНАЛИЗ И СИНТЕЗ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ СТОХАСТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГАЗОДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Авторы:
1.
Керченский государственный морской технологический университет
(доктор технических наук, профессор; профессор кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства)
2.
Керченский государственный морской технологический университет
(кандидат технических наук; доцент кафедры электрооборудования судов и автоматизации производства)
Россия
Россия
3.
Керченский государственный морской технологический университет
Тип:
Статья
Страницы:
с 44
по 53
Статус:
Опубликован
Получено:
20.11.2016
Одобрено:
25.11.2016
Опубликовано:
25.11.2016
Классификаторы:
УДК 681.5
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
газодизельный двигатель, электроэнергетическая система, стохастические процессы
Аннотация (русский):
Отличительной особенностью газодизельгенераторных агрегатов является то, что в качестве приводных двигателей в них используются газовые двигатели. Рассматривались два типа газовых двигателей - 6-цилиндровые ГДВГ-1А-630, ГДВГ-1А-500 и 8-цилиндровый ГДВГ-1А-800 и двигатели типа ДГМА. В литературных источниках указывается, что одной из причин, приводящих к появлению низкочастотных колебаний оборотов дизелей и ухудшению динамических свойств дизеля, является дискретность 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. Предложено решение проблемы стабилизации колебаний частоты генерируемого напряжения и определения их численных параметров путем применения электронных регуляторов с микропроцессорными блоками управления, стабилизирующих дозирование газа независимо от внешних условий. Программирование регулятора должно проводиться с учетом фактических режимов нагружения, при этом выбирается оптимальный наклон регуляторной характеристики, в противном случае возможны чрезмерные отклонения по частоте напряжения или неконтролируемые колебательные процессы. Разработанная методика проведения испытаний агрегатов и аппаратно-программные средства позволяют не только автоматизировать этот процесс, но и получить достоверные результаты при различных режимах работы агрегатов. Фрагменты реализаций процессов, описывающих колебания частоты выходного напряжения газодизельгенераторного агрегата ГДВГ-1А-630 при различных нагрузках, полученные путем обработки экспериментальных результатов реального выходного напряжения с последующей частичной цифровой фильтрацией шумов квантования, показали, что эти реализации носят случайный характер. На основании приведенных статистических характеристик сделан вывод, что автоколебания носят нестационарный характер, а их математические ожидания и среднеквадратические отклонения могут рассматриваться как стационарные. Это дало возможность определить их автокорреляционные функции и спектральные плотности для каждого конкретного режима работы. Аппроксимация полученных экспериментальных корреляционных функций типовыми показывает, что для большей части диапазона нагрузок случайный процесс можно описать экспоненциальной корреляционной функцией, которой соответствует спектральная плотность с достаточно большой постоянной времени. Отмеченные особенности оказывают существенное влияние и на динамические режимы газодизельгенераторных агрегатов. Установлено, что при сбросе-наборе нагрузок в них наблюдаются значительные всплески и провалы оборотов, что усугубляет проблемы качества их напряжений. Отмечается, что автономные электростанции, в том числе судовые, или электростанции для питания ответственных технологических процессов содержат большое количество преобразователей различных типов, среди которых достаточно большое количество выпрямительных агрегатов, изготовленных по классическим многофазным схемам. Автономные электростанции с газовыми приводными двигателями отличаются более мягкими электромеханическими характеристиками и колебаниями частоты, в несколько раз превышающими требования стандартов.
Отличительной особенностью газодизельгенераторных агрегатов является то, что в качестве приводных двигателей в них используются газовые двигатели. Рассматривались два типа газовых двигателей - 6-цилиндровые ГДВГ-1А-630, ГДВГ-1А-500 и 8-цилиндровый ГДВГ-1А-800 и двигатели типа ДГМА. В литературных источниках указывается, что одной из причин, приводящих к появлению низкочастотных колебаний оборотов дизелей и ухудшению динамических свойств дизеля, является дискретность 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. Предложено решение проблемы стабилизации колебаний частоты генерируемого напряжения и определения их численных параметров путем применения электронных регуляторов с микропроцессорными блоками управления, стабилизирующих дозирование газа независимо от внешних условий. Программирование регулятора должно проводиться с учетом фактических режимов нагружения, при этом выбирается оптимальный наклон регуляторной характеристики, в противном случае возможны чрезмерные отклонения по частоте напряжения или неконтролируемые колебательные процессы. Разработанная методика проведения испытаний агрегатов и аппаратно-программные средства позволяют не только автоматизировать этот процесс, но и получить достоверные результаты при различных режимах работы агрегатов. Фрагменты реализаций процессов, описывающих колебания частоты выходного напряжения газодизельгенераторного агрегата ГДВГ-1А-630 при различных нагрузках, полученные путем обработки экспериментальных результатов реального выходного напряжения с последующей частичной цифровой фильтрацией шумов квантования, показали, что эти реализации носят случайный характер. На основании приведенных статистических характеристик сделан вывод, что автоколебания носят нестационарный характер, а их математические ожидания и среднеквадратические отклонения могут рассматриваться как стационарные. Это дало возможность определить их автокорреляционные функции и спектральные плотности для каждого конкретного режима работы. Аппроксимация полученных экспериментальных корреляционных функций типовыми показывает, что для большей части диапазона нагрузок случайный процесс можно описать экспоненциальной корреляционной функцией, которой соответствует спектральная плотность с достаточно большой постоянной времени. Отмеченные особенности оказывают существенное влияние и на динамические режимы газодизельгенераторных агрегатов. Установлено, что при сбросе-наборе нагрузок в них наблюдаются значительные всплески и провалы оборотов, что усугубляет проблемы качества их напряжений. Отмечается, что автономные электростанции, в том числе судовые, или электростанции для питания ответственных технологических процессов содержат большое количество преобразователей различных типов, среди которых достаточно большое количество выпрямительных агрегатов, изготовленных по классическим многофазным схемам. Автономные электростанции с газовыми приводными двигателями отличаются более мягкими электромеханическими характеристиками и колебаниями частоты, в несколько раз превышающими требования стандартов.
Ключевые слова:
газодизельный двигатель, электроэнергетическая система, стохастические процессы
газодизельный двигатель, электроэнергетическая система, стохастические процессы
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. Чернов Д. В., Крыжановский В. Г. Усилитель класса Е в составе трансивера системы ближнеполевой коммуникации // Технічна електродинаміка. 2011. № 1. С. 293-298.
2. Синчук О. Н., Шокарев Д. А., Скапа Е. И. Анализ метода непосредственной асинхронной ШИМ напряжения IGBT-преобразователя // Технічна електродинаміка. 2011. № 2. С. 154-157.
3. Dawidziuk J. Место и роль силовой электроники в сбережении электроэнергии в Польше // Технічна електродинаміка. 2007. № 2. С. 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 // Технічна електродинаміка. 2011. № 1. С. 87-92.
5. Bessarab Y., Merfert I., Lindemann A. Decentralized energy supply with active power filter // Технічна електродинаміка. 2009. № 4. С. 70-73.
6. Жиленков А. А., Черный С. Г. Исследование автоколебательных процессов в комбинированных автономных электроэнергетических системах // Контроль. Диагностика. 2016. № 5. С. 61-67.
7. Черный С. Г., Жиленков А. А. Интеллектуальная поддержка принятия решений при оптимальном управлении для судовых электроэнергетических систем // Вестн. гос. ун-та мор. и реч. флота им. адм. С. О. Макарова. 2014. № 3 (25). С. 68-75.
8. Черный С. Г., Жиленков А. А. Идентификация внешних параметров сигналов для экспертных подсистем в составе устройств судовых электроэнергетических систем // Науч.-техн. ведом. Санкт-Петерб. гос. политехн. ун-та. Информатика. Телекоммуникации. Управление. 2014. № 3 (198). С. 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.
