Введение к работе
Актуальность темы. Для электроснабжения удаленных потребителей широко применяются дизельные электростанции. Всвязи с ростом цен на дизельное топливо подобные дизельные электростанции и дизельные генераторы целесообразно использовать в качестве резервных источников питания. В сложившейся ситуации для электроснабжения удаленных потребителей целесообразно рассматривать источники нетрадиционной энергетики, такие как, ветроэнергетические установки (ВЭУ), малые ГЭС. Данные установки должны обладать высоким качеством вырабатываемого напряжения и надежностью при эксплуатации.
В качестве источников электрической энергии в ВЭУ, малых ГЭС широко используются асинхронные генераторы (АГ), которые обладают лучшими показателями габаритов и массы, повышенным КПД, повышенной надежностью по сравнению с синхронными генераторами. Так же возможно применение АГ с первичными дизельными двигателями (стационарные дизельные установки, передвижные электроустановки с устройствами отбора мощности от двигателя автомобиля).
Нетрадиционные источники электрической энергии с АГ не имеют современных систем управления. До недавнего времени для регулирования напряжения АГ использовался способ, основанный на ступенчатом подключении конденсаторных батарей к статорной обмотке АГ. Не смотря на то, что данный способ регулирования является не эффективным и морально устаревшим его до сих пор применяют с АГ в сельском хозяйстве и промышленности.
Всвязи с появлением конденсаторных батарей и полупроводниковых приборов нового поколения с высокими частотами коммутации возможно создание источника реактивной мощности (ИРМ) для плавного управления реактивной мощностью для решения задач регулирования напряжения АГ в широких пределах.
Цели и задачи исследования. Целью диссертации является исследование возможности построения автоматических регуляторов напряжения (АРН) для источников распределенной генерации с асинхронными генераторами на основе использования в обратной связи современных полупроводниковых приборов, вырабатывающих реактивную мощность.
Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи:
- разработать математическую модель источника распределенной генерации с АГ, реализованную в системе MATLAB, для проведения исследований АРН методом имитационного моделирования;
- разработать математические модели первичных двигателей источников распределенной генерации с АГ для целей исследования возможностей построения АРН;
- разработать математические модели тиристорных преобразователей (инверторов) с их системами сеточного управления (исполнительная часть АРН);
- разработать математические модели АРН (измерительные и чувствительные элементы АРН, законы регулирования);
- найти и исследовать законы регулирования АРН, обеспечивающие устойчивую работу и высокие показатели качества переходных процессов при малых возмущениях типа сброс – наброс нагрузки во всем ее диапазоне;
- исследовать работу АРН при больших возмущениях: сброс – наброс нагрузки, короткие замыкания, запуск асинхронного двигателя;
- исследовать возможность демпфирования колебаний момента первичного двигателя источника распределенной генерации с АГ (внутреннего сгорания), вызванные неравномерностью подачи топлива в цилиндры;
- исследовать работу АРН в различных режимах работы источника распределенной генерации с АГ: автономная работа, параллельная работа между собой, параллельная работа с централизованной ЭЭС.
Объектом исследования является: источник распределенной генерации с АГ, система возбуждения источника распределенной генерации с АГ, различные варианты схем АРН, режимы работы источников распределенной генерации с АГ (автономный, при включении на параллельную работу двух источников распределенной генерации с АГ, при включении на параллельную работу источника распределенной генерации с АГ с ЭЭС).
Основные методы научных исследований. При проведении работы использованы фундаментальные положения теории асинхронных электрических машин, переходных процессов, теоретических основ электротехники, теории автоматического регулирования, а так же методы математического и имитационного моделирования.
Достоверность полученных результатов. Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических выводов, основных результатов и рекомендаций диссертации подтверждены корректным использованием соответствующего математического аппарата, вычислительных программных комплексов.
Основные положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель источника распределенной генерации с АГ с АРН, разработанная автором, позволяющая комплексно решать задачи исследования различных режимов работы источников распределенной генерации с АГ;
2. Математические модели АРН источников распределенной генерации с АГ, разработанные автором, в различных вариантах исполнения: мостовая схема с насыщающимся дросселем, встречно-параллельная схема и исследование их работы методом имитационного моделирования;
3. Результаты исследования параллельной работы источников распределенной генерации с АГ между собой без связи с ЭЭС;
4. Результаты исследования параллельной работы источников распределенной генерации с АГ с разработанными автором АРН с ЭЭС;
5. Результаты исследования работы источника распределенной генерации с АГ при аварийных режимах;
6. Результаты исследования работы АРН при вращении АГ источника распределенной генерации первичным дизельным двигателем.
Научная новизна работы.
- Разработанная автором математическая модель источника распределенной генерации с АГ с АРН, отличается от существующих тем, что позволяет выполнять комплексные исследования работы источников распределенной генерации с АГ: объединение на параллельную работу между собой и с ЭЭС, возникновение аварийных режимов;
- В отличие от классических, разработанная модель АРН на основе трехфазного тиристорного моста с насыщающимся дросселем позволяет исключить возникновение обменных колебаний активной мощности при параллельной работе источников распределенной генерации с АГ между собой;
- В отличие от существующих разработанная модель АРН на основе трехфазного тиристорного моста с насыщающимся дросселем позволяет полностью демпфировать колебания напряжения АГ, вызванные неравномерной подачей топлива в цилиндры дизельного первичного двигателя;
Практическая ценность.
Математические модели, разработанные автором, позволяют исследовать источники распределенной генерации с АГ с различными первичными двигателями: ветротурбины, гидротурбины, двигатели внутреннего сгорания;
Разработанные математические модели АРН источников распределенной генерации с АГ позволяют выполнять комплексные исследования при различных режимах работы (автономный, параллельный, работа в составе ЭЭС, аварийные режимы);
Результаты исследований параллельной работы источников распределенной генерации с АГ между собой и с ЭЭС позволяют оценить целесообразность разработки систем автономного электроснабжения удаленных потребителей с помощью первичных двигателей внутреннего сгорания (стационарные дизельные установки, мобильные комплексы с устройствами отбора мощности от дизельного двигателя автомобиля).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно – практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири» (г. Иркутск, 2008, 2009, 2010, 2011), научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009).
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы используются для разработки физической модели источника распределенной генерации с АГ с целью проведения исследований параллельной и автономной работы, аварийных режимов.
Разработанные автором математические модели используется при проведении лабораторных работ по дисциплинам «Электропривод», «Переходные процессы в ЭЭС» на кафедре Электроснабжения и электротехники Национального Исследовательского Иркутского государственного технического университета.
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, опубликованных автором лично и в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы и 3 приложений, содержит 161 страницу основного текста, списка использованной литературы из 70 наименований.
