МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ НА БАЗЕ АКТИВНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ
Авторы:
1.
Волжский государственный университет водного транспорта
(аспирант кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта)
Россия
Россия
2.
Волжский государственный университет водного транспорта
(доктор технических наук, профессор; заведующий кафедрой электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта)
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 94
по 104
Статус:
Опубликован
Получено:
20.08.2019
Одобрено:
25.08.2019
Опубликовано:
25.08.2019
Классификаторы:
УДК 621.313.3
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:
судовые дизель-генераторные установки, переменная частота вращения, активный выпрямитель напряжения, задатчик экономичного режима, двигатель внутреннего сгорания
Аннотация (русский):
Рассмотрены варианты бестрансформаторных силовых топологий судовых дизель-генераторных установок переменной частоты вращения. Предложена силовая схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения и буферного накопителя энергии, обладающая наибольшей эффективностью с точки зрения массогабаритных и эксплуатационных показателей. Представлена структурная схема системы управления полупроводниковыми преобразователями в составе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Система управления активным выпрямителем напряжения реализована на базе принципа регулирования по положению обобщенного вектора напряжения сети. С целью повышения энергетической эффективности работы инверторной дизель-генераторной установки разработан алгоритм плавного регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания средствами задатчика экономичного режима работы. Предложенный алгоритм (метод градиентного спуска) заимствован из области нейросетевых технологий и позволяет вычислять частоту оборотов вала двигателя внутреннего сгорания, соответствующую минимальному удельному потреблению топлива при работе на текущей долевой нагрузке. В компьютерной среде MATLAB Simulink разработана имитационная модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения и проведены исследования переходных процессов. Представлены результаты имитационного моделирования динамических режимов работы коммутации нагрузки с учётом её величины и характера, а также приведены показатели удельного потребления топлива двигателя внутреннего сгорания в составе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Подтверждено, что применение дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения позволяет обеспечить требуемые показатели качества генерируемой электроэнергии при работе двигателя внутреннего сгорания на пониженных энергоэффективных частотах вращения в режиме долевых нагрузок.
Рассмотрены варианты бестрансформаторных силовых топологий судовых дизель-генераторных установок переменной частоты вращения. Предложена силовая схема дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения и буферного накопителя энергии, обладающая наибольшей эффективностью с точки зрения массогабаритных и эксплуатационных показателей. Представлена структурная схема системы управления полупроводниковыми преобразователями в составе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Система управления активным выпрямителем напряжения реализована на базе принципа регулирования по положению обобщенного вектора напряжения сети. С целью повышения энергетической эффективности работы инверторной дизель-генераторной установки разработан алгоритм плавного регулирования частоты вращения двигателя внутреннего сгорания средствами задатчика экономичного режима работы. Предложенный алгоритм (метод градиентного спуска) заимствован из области нейросетевых технологий и позволяет вычислять частоту оборотов вала двигателя внутреннего сгорания, соответствующую минимальному удельному потреблению топлива при работе на текущей долевой нагрузке. В компьютерной среде MATLAB Simulink разработана имитационная модель дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения и проведены исследования переходных процессов. Представлены результаты имитационного моделирования динамических режимов работы коммутации нагрузки с учётом её величины и характера, а также приведены показатели удельного потребления топлива двигателя внутреннего сгорания в составе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения. Подтверждено, что применение дизель-генераторной установки переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения позволяет обеспечить требуемые показатели качества генерируемой электроэнергии при работе двигателя внутреннего сгорания на пониженных энергоэффективных частотах вращения в режиме долевых нагрузок.
Ключевые слова:
судовые дизель-генераторные установки, переменная частота вращения, активный выпрямитель напряжения, задатчик экономичного режима, двигатель внутреннего сгорания
судовые дизель-генераторные установки, переменная частота вращения, активный выпрямитель напряжения, задатчик экономичного режима, двигатель внутреннего сгорания
Введение Дизель-генераторные установки (ДГУ) наряду с мини-ТЭЦ и нетрадиционными возобновляемыми источниками электроэнергии составляют основу энергетического баланса малой энергетики России. Они являются основным средством электроснабжения удалённых районов нашей страны, а также автономных транспортных объектов, в том числе судов морского и речного флота. В России в эксплуатации находится около 50 тыс. ДГУ суммарной мощностью более 20 млн кВт. Практически все ДГУ работают с постоянной частотой вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) независимо от величины мощности нагрузки. С целью экономии углеводородного топлива, то есть повышения автономного срока плавания судна, целесообразно при пониженных долевых нагрузках уменьшать частоту вращения ДВС. В настоящее время работы по исследованию и созданию дизель-генераторных установок переменной частоты вращения (ДГПЧВ) проводятся во многих странах, в том числе в России. Среди зарубежных фирм-изготовителей ДГПЧВ отметим следующие: Fubag, Honda, Hyundai, Kypor, ABB. На зарубежном и российском рынках уже присутствуют ДГПЧВ, которые по техническому исполнению являются инверторными ДГУ. Область их применения на флоте сегодня ограничена, в основном, маломерными судами (яхты и т. п.). Как правило, ДГПЧВ имеют две фиксированные частоты вращения: номинальную и пониженную, которая поддерживается при долевых нагрузках на генератор и обеспечивает энергоэффективный режим потребления топлива. Дизель-генераторные установки переменной частоты вращения бестрансформаторного типа Для дальнейшего повышения энергоэффективности ДГПЧВ мы предлагаем использовать плавное регулирование частоты вращения ДВС в зависимости от мощности нагрузки [1-3]. В ДГПЧВ задача стабилизации параметров генерируемой электроэнергии обеспечивается с помощью полупроводникового преобразовательного устройства выпрямительно-инверторного типа, подключенного к статорным обмоткам синхронного генератора. Как правило, выпрямительный блок выполнен неуправляемым [4]. В статье рассмотрен вариант применения активного выпрямителя напряжения (АВН) в составе преобразователя ДГПЧВ. Использование АВН одновременно с обеспечением стабилизации напряжения в звене постоянного тока при пониженных частотах вращения ДВС позволяет при необходимости осуществлять режим электро-стартерного пуска генераторной установки. Варианты силовых электрических схем судовых ДГПЧВ, представленные на рис. 1, относятся к бестрансформаторным типам топологий. Это положительно сказывается на массогабаритных показателях данных ДГПЧВ и делает их наиболее востребованными для использования на автономных транспортных объектах. Рис. 1. Силовые топологии бестрансформаторных судовых ДГПЧВ: СГ - синхронный генератор; В - выпрямитель; АВН - активный выпрямитель напряжения; ШИП - повышающий широтно-импульсный преобразователь; АИН - автономный инвертор напряжения; Ф - синус-фильтр; Н - нагрузка Все представленные на рис. 1 схемы обеспечивают стабилизацию напряжения в звене постоянного тока при работе на пониженных частотах вращения ДВС в режимах его долевой нагрузки. При этом вариант топологии с АВН обладает высокими эксплуатационными показателями. Важным элементом силовой структуры автономных ДГПЧВ является буферный накопитель энергии (БНЭ), с помощью которого обеспечивается стабилизация напряжения в звене постоянного тока преобразователя в режимах «пиковых» нагрузок на генератор. Структурная схема ДГПЧВ на базе АВН и БНЭ представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема ДГПЧВ на базе АВН и БНЭ: ДВС - двигатель внутреннего сгорания; СУ - система управления; ДРТ - датчик расхода топлива; ТР - топливный регулятор; ДЧВ - датчик угловой частоты вращения; СВ - система возбуждения; БНЭ - буферный накопитель энергии Назначение блока СУ - регулировать обороты ДВС для поддержания энергоэффекетивной работы ДГПЧВ в режиме долевых нагрузок. Для реализации алгоритма работы СУ необходимо измерять мощность электрической нагрузки, расход топлива и частоту вращения ДВС. В состав системы регулирования также входит регулятор оборотов ДВС (топливный регулятор). Задатчик экономичного режима Основу алгоритма регулирования промышленно выпускаемых ДГПЧВ составляет так называемый табличный метод, когда определённому диапазону мощностей электрической нагрузки соответствует определённая частота вращения ДВС. Как правило, это две фиксированные частоты вращения (номинальная и пониженная) во всём диапазоне возможных нагрузок ДВС. Для дальнейшего повышения энергоэффективности ДГПЧВ мы предлагаем использовать плавное регулирование частоты вращения ДВС в зависимости от мощности нагрузки. На рис. 3 представлена структурная схема системы управления, реализующая данный подход к управлению ДГПЧВ. Рис. 3. Структурная схема системы управления ДГПЧВ с ЗЭР: ТР - топливный регулятор; СУ - система управления; РО - регулятор оборотов; ЗЭР - задатчик экономичного режима Рассматриваемая структурная схема содержит два главных блока: РО и ЗЭР. Регулятор оборотов обеспечивает поддержание заданной частоты вращения ДВС, которая соответствует оптимальному (минимальному) потреблению топлива ДВС. Регулятор оборотов может быть реализован на базе ПИ-регулятора, ПИ-подобных fuzzy- или neuro-регуляторов или «чистых» fuzzy/neuro-регуляторов. Функционально важным звеном структуры управления является блок ЗЭР, который определяет частоту вращения ДВС, соответствующую минимальному потреблению топлива в режиме долевых нагрузок на генератор. Назначение СУ заключается в распределении сигналов и управлении системой. Рассмотрим принцип работы ЗЭР. В блоке ЗЭР «Буфер» хранятся значения мощности нагрузки и соответствующие им оптимальные значения частоты вращения ДВС (соответственно многопараметровой характеристике ДВС). На блок ЗЭР «Аппроксиматор» поступает значение текущей мощности нагрузки. Данный блок вычисляет принадлежность входной величины значению мощности нагрузки, которое хранится в блоке «Буфер» и определяет значение оптимальной частоты вращения ДВС. Значение входной величины должно совпадать не абсолютно, а лежать в определённом диапазоне относительно запомненного значения. Одновременно с этим блок «Аппроксиматор» формирует сигнал СУ на запуск блока «Экстрематор», если данное значение мощности нагрузки в памяти системы отсутствует и необходимо провести поиск минимума потребления топлива. Блок «Экстрематор» осуществляет поиск глобального минимума функции потребления топлива методом градиентного спуска. Данный метод удобно использовать для нахождения экстремума функции, например в нейросетях при обучении перцептрона. В области нейросетей данный метод носит название метода обратного распространения ошибки. Таким образом, блок ЗЭР формирует величину оптимальной энергоэффективной частоты вращения ДВС в зависимости от нагрузки генератора Алгоритм оценки необходимости поиска минимума потребления топлива представлен на рис. 4. Рис. 4. Алгоритм оценки необходимости поиска минимума потребления топлива Система управления активного выпрямителя напряжения и автономного инвертора напряжения дизель-генераторных установок переменной частоты вращения Управление АВН может осуществляться следующими способами: - прямое регулирование мощности; - регулирование по положению обобщённого вектора напряжения сети. Первый способ осуществляется за счёт коммутации состояния ключей инвертора в соответствии с таблицей переключений, основанной на мгновенных ошибках между заданным и измеренным значением активной и реактивной мощности. Второй основан на управлении потребляемым током относительно обобщенного вектора напряжения сети [5, 6]. В качестве базового выбран второй способ управления, имеющий следующие преимущества: - низкая частота дискретизации (более дешёвые аналого-цифровые преобразователи и микроконтроллер); - фиксированная частота переключения (упрощенная конструкция входного фильтра). Кроме того, выбранный способ обеспечивает улучшенное управление выпрямителем в условиях неидеального сетевого напряжения. Структурная схема силовой части и системы управления ДГПЧВ приведена на рис. 5. Рис. 5. Структурная схема системы управления ДГПЧВ: УС - устройство синхронизации; ШИМ - векторная широтно-импульсная модуляция; ДН - датчик напряжения; ДФН - датчик фазных напряжений; ДТ - датчик тока; ГОН - генератор опорного напряжения На входе АВН измеряются значения токов и напряжений СГ, которые затем поступают на блоки фазных и координатных преобразований (рис. 6). Рис. 6. Векторные диаграммы тока и напряжения АВН Устройство синхронизации вычисляет фазу напряжения СГ. В блоке преобразований Парка-Горева вычисляются активная и реактивная составляющие тока СГ. Таким образом, достигается возможность регулирования значения активной и реактивной мощности СГ. Для функционирования алгоритма регулирования фазы тока генератора необходимо в структуру управления АВН ввести компенсационные связи [7]. Система управления АВН построена по принципу подчинённого регулирования. Поддержание требуемого уровня напряжения в звене постоянного тока обеспечивает контур регулирования напряжения АВН. Управляемый с помощью векторной ШИМ автономный инвертор напряжения АИН инвертирует постоянное напряжение, которое далее через синус-фильтр подаётся на нагрузку. Структурные схемы контуров автоматического регулирования АВН представлены на рис. 7 и 8. Рис. 7. Структурная схема контура тока АВН Рис. 8. Структурная схема контура напряжения АВН Данные схемы построены на базе уравнений непрерывной модели компенсированного АВН [8]. Настройка ПИ-регуляторов АВН выполнена на симметричный оптимум. Значения рассчитанных коэффициентов корректировались с помощью возможностей автоматической настройки блоков PID controller в расширении Simulink Control Design Toolbox. Моделирование переходных процессов дизель-генераторных установок переменной частоты вращения на базе активного выпрямителя напряжения На основе структурной схемы (см. рис. 2) в компьютерной среде MATLAB разработана математическая имитационная модель ДГПЧВ на базе АВН. Частота коммутации силовых ключей АВН и АИН составляет 5 кГц. В качестве модели дизельного ДВС выбран блок Generic engine. Инерция коленчатого вала ДВС не учитывается. Параметры модели дизельного ДВС приведены в табл. 1. Таблица 1 Параметры дизельного ДВС Мощность Pmax, кВт Частота nном, об/мин Частота nmax, об/мин Частота nxx, об/мин Удельное потребление топлива ge, мг/об 40 1 500 2 000 400 0,163 В качестве модели СГ выбран стандартный блок Synchronous machine pu standard, в котором предусмотрен учёт эффекта магнитного насыщения стали. Технические характеристики СГ приведены в табл. 2 (некоторые параметры указаны в относительных единицах (о. е.)). Таблица 2 Параметры синхронного генератора Частота сети f, Гц Напряжение Uном, В Мощность Sном, кВА Частота nном, об/мин Сопротивление Rs, о. е. Сопротивление Xd, о. е. Сопротивление Xq, о. е. Момент инерции вала J, кг·м2 Число пар полюсов p 50 400 31,3 1 500 0,042 1,56 0,78 0,087 2 Имитационный эксперимент состоит из следующих этапов. Вначале ДГПЧВ работает на холостом ходу. На 0,5 с подключается активная нагрузка 15 кВт. Далее в момент времени 1,5 с активная нагрузка увеличивается до 23 кВт. В момент времени 3 с происходит уменьшение cos φ нагрузки на 15 %. Для обеспечения энергоэффективного режима работы ДВС на 4 с частота вращения ДВС уменьшается на 15 %. На рис. 9 приведены осциллограммы активной и реактивной мощности СГ (PСГ и QСГ соответственно), фазного тока (Ia) и частоты вращения ДВС (ωСГ. Рис. 9. Осциллограммы PСГ, QСГ, Iа, ωСГ На рис. 10 представлены осциллограммы фазного (Ua) и действующего (Urms) выходного напряжения и фазного тока (Ia) ДГПЧВ для режима долевых нагрузок ДВС. Рис. 10. Осциллограммы Ua, Urms, Ia Отметим, что независимо от скоростного режима работы ДВС обеспечивается стабилизация параметров выходного напряжения ДГПЧВ. На рис. 11 демонстрируется процесс синхронизации по фазе тока и напряжения СГ с помощью АВН. Рис. 11. Осциллограммы синхронизации фазного тока и напряжения на входе АВН На рис. 12 представлен график удельного потребления топлива ДВС. Рис. 12. График удельного потребления топлива ДВС Номинальное значение удельного расхода топлива ДВС соответствует параметрам ДГПЧВ мощностью 30 кВА фирмы Kypor. График демонстрирует очевидную экономию топлива ДВС при работе на пониженной частоте вращения в режиме долевой нагрузки (начиная с 4 с). Заключение В работе представлены варианты силовых топологий судовых бестрансформаторных ДГПЧВ [9-10]. Рассмотрен перспективный вариант ДГПЧВ на базе АВН и БНЭ и разработана её математическая имитационная модель. Представлены результаты имитационного моделирования, подтверждающие высокие энергетические характеристики ДГПЧВ с АВН при обеспечении требуемых показателей качества генерируемой электроэнергии.
1. Артюхов И. И., Степанов С. Ф., Бочкарев Д. А., Ербаев Е. Т. Особенности построения автономных систем электропитания на основе генераторов с изменяемой скоростью вращения вала // Вопр. электротехнологии. 2015. № 1. C. 58-64.
2. Обухов С. Г., Плотников И. А. Сравнительный анализ схем автономных электростанций, использующих установки возобновляемой энергетики // Промышленная энергетика. 2012. № 7. C. 46-51.
3. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С., Поляков И. С. Автономные генераторные установки на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения: моногр. Н. Новгород: Изд-во НГТУ им. Р. Е. Алексеева, 2016. 172 с.
4. Delgado C., Dominguez-Navarro J. A. Optimal design of a hybrid renewable energy system ecological vehicles and renewable energies // Ninth international conference on publication year (EVER). 2014. P. 1-8.
5. Гельман М. В., Дудкин М. М., Преображенский К. А. Преобразовательная техника: учеб. пособие. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2009. 425 с.
6. Sylvain L. S. Voltage oriented control of three-phase boost pwm converters. Göteborg: Chalmers University of Technology, 2010. 114 c.
7. Маклаков А. С., Родионов A. A. Влияние на сеть трёхфазного мостового двухуровневого активного выпрямителя напряжения при различных видах ШИМ. Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2013. 8 с.
8. Шрейнер Р. Т., Ефимов А. А. Активные преобразователи в регулируемых электроприводах. Новоуральск: Изд-во НГТИ, 2001. 250 с.
9. Хватов О. С., Дарьенков А. Б. Единая электростанция транспортного объекта с электродвижением на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения // Электротехника. 2016. № 3. C. 35-40.
10. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения // Эксплуатация мор. трансп. 2012. № 1 (71). C. 47-50.
