Содержание к диссертации
Введение 4
ГЛАВА 1 АВТОНОМНЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ. МЕТОДЫ АНАЛИЗА И ВЫБОР ОБЪЕКТА
ИССЛЕДОВАНИЙ 11
1.1 Автономные электроэнергетические системы 11
1.2 Обзор работ по моделированию и исследованию
автономных электроэнергетических систем 21
1.3 Выводы по главе 1 28
ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ПОДСИСТЕМЫ АЭЭС 30
2.1 Постановка задачи моделирования энергетической
подсистемы АЭЭС 30
2.2 Методология и методика моделирования
энергетической подсистемы АЭЭС 32
2.3 Модель подсистемы с асинхронным генератором и
активным выпрямителем 34
2.4 Модель подсистемы с преобразователем частоты 44
2.5 Модель подсистемы с преобразователем переменно-
постоянного напряжения 48
2.6 Моделирование тепловых процессов в
полупроводниковых преобразователях 53
2.7 Модель энергетической подсистемы АЭЭС в целом 60
2.8 Выводы по главе 2 65
ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ АЭЭС 67
3.1 Решение стратегических задач управления АЭЭС 67
3.2 Формирование импульсов управления
транзисторами 68
3.3 Система регулирования активного выпрямителя АВ1 71
3.4 Система регулирования активных выпрямителей
АВ2ИАВЗ 75
3.5 Система регулирования инвертора напряжения 81
3.6 Система регулирования ШИП 83
3.7 Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4 КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И
ИССЛЕДОВАНИЯ АЭЭС 86
4.1 Разработка программного обеспечения 86
4.2 Выбор режимов работы АЭЭС для исследований 89
4.3 Исходные данные для расчета режимов работы АЭЭС 90
4.4 Номинальный режим работы АЭЭС 92
4.5 Режим холостого хода выпрямителя АВ1 и
номинальных нагрузок выпрямителей АВ2 и АВЗ 98
4.6 Зависимость характеристик оборудования АЭЭС от
ПОСТРОЕНИЯ СХЕМЫ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ 101
4.7 Пуск АЭЭС 102
4.8 Наброс и сброс нагрузки выпрямителя АВ1 103
4.9 Наброс и сброс нагрузки выпрямителя АВ2 и
инвертора ИН 104
4.10 Наброс и сброс нагрузки выпрямителя АВЗ иШИП 105
4.11 Короткое замыкание цепи выпрямленного
напряжения выпрямителя АВ1 106
4.12 Выводы по главе 4 108
ГЛАВА 5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 108
5.1 Описание ЭУ ПО
5.2 Результаты исследований режимов работы
асинхронного генератора 112
5.3 Результаты исследований потерь в системе с
асинхронной машиной и транзисторным
преобразователем 116
5.4 Результаты исследований потерь в системе с
многофазной асинхронной машиной и несколькими
транзисторными преобразователями 121
5.5 Выводы к главе 5 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 131
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 134
Введение к работе
Основные потребности России в электроэнергии обеспечиваются Единой электроэнергетической системой (ЕЭЭС) и подключенными к ней электростанциями. Вместе с тем, в России существует множество областей, электроснабжение которых от ЕЭЭС затруднено из-за высокой стоимости строительства электропередач. Для этих областей целесообразно использовать автономные электроэнергетические системы (АЭЭС). АЭЭС выполняются стационарными, используются на судах, на электровозах, на самосвалах большой грузоподъемности, на плавучих буровых платформах и на других объектах.
В АЭЭС используются различные первичные источники энергии. В одной из электростанций Крайнего Севера России используется энергия морских приливов. Во многих АЭЭС используется энергия малых рек. Большое значение придается также другому возобновляемому источнику энергии - ветру. В разрабатываемых плавучих энергоблоках предполагается использовать ядерное топливо. На самосвалах и электровозах используется дизельное топливо. Часто используются газ и уголь.
В большинстве случаев энергия первичных источников преобразуется в механическую энергию первичными двигателями - водяными, паровыми и газовыми турбинами, дизелями, ветроколесами. Для преобразования энергии первичных двигателей в электроэнергию применяются электромашинные генераторы и полупроводниковые преобразователи.
В АЭЭС обычно применяются синхронные генераторы. Однако в последние два десятилетия в связи с бурным развитием силовой электроники наметилось широкое использование электрических машин более простой конструкции со статическими преобразователями. В ряде установок применяются асинхронные генераторы [41], [111], [112], [123], . Рассматриваются возможности применения электрических машин с постоянными
магнитами [136], [148], [150], [136] вентильно-индукторных генераторов [49], [79]. Асинхронные и индукторные машины имеют более простую конструкцию ротора и позволяют снизить расходы на обслуживание, что важно для АЭЭС. Активные полупроводниковые преобразователи в этих системах обеспечивают возбуждение электрических машин и выработку электроэнергии с требуемыми параметрами.
При использовании в АЭЭС асинхронного генератора в подавляющем большинстве случаев рассматривается трехфазное его исполнение [110]-[112]. Однако, если установка имеет сравнительно большую мощность, а первичным двигателем является высокооборотная турбина, то генератор имеет сравнительно малые габариты и потери энергии концентрируются в сравнительно малой массе. При этом существуют трудности конструктивного исполнения трехфазного генератора, его охлаждения.
Задачи разработки конструкции мощного высокооборотного асинхронного генератора существенно упрощаются при увеличении числа фаз или числа трехфазных обмоток статора. В многофазной машине потери энергии в роторе от пространственных гармонических составляющих магнитного поля снижаются в десятки раз [16], [115], [138]. Столь же эффективно снижаются потери энергии в роторе от высших временных гармонических составляющих токов фаз [87], [134]. При этом повышается КПД машины и облегчаются условия охлаждения.
Другая проблема создания мощных АЭЭС с асинхронными генераторами заключается в следующем. Выработка электроэнергии для потребителей осуществляется на высоком или повышенном напряжении и в некоторых случаях на постоянном напряжении. Вместе с тем, для систем собственных нужд требуется электроэнергия сравнительно низкого напряжения, например, 380 В, 50 Гц. В некоторых случаях система содержит аккумуляторную батарею, которая должна взаимодействовать с генератором (зарядка батареи, питание от батареи нагрузок).
Задачи построения АЭЭС усложняются при увеличении мощности установок. В этих случаях требуется последовательное или параллельное соединение полупроводниковых приборов или силовых преобразовательных блоков, применение многоуровневых [146], каскадных [161], [164], многотактных [47] схем преобразования.
Одним из вариантов построения мощной АЭЭС является система, содержащая многофазный асинхронный генератор и несколько активных полупроводниковых преобразователей, один из которых является активным выпрямителем и обеспечивает выработку основной части электроэнергии на постоянном напряжении, другой сравнительно маломощный активный преобразователь обеспечивает питание сети собственных нужд 380 В, 50 Гц, а третий активный преобразователь обеспечивает связь генератора с аккумуляторной батареей. Мощная АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями различного типа в технической литературе не описана и не исследована. В связи с необходимостью и перспективами создания таких систем, их исследования актуальны.
Цель работы заключается в разработке структуры, математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором, с многотактными активными выпрямителем, преобразователем частоты и выпрямителем с широтно-импульсным преобразованием напряжения, в исследованиях этой системы и выработке рекомендаций для ее создания.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
Разработать структуру многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.
Разработать методику моделирования многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.
Разработать комплекс упрощенных и уточненных математических моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.
Разработать комплекс компьютерных моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.
Осуществить исследования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями.
Разработать рекомендации для проектирования АЭЭС.
Методы исследований. Использованы методы расчета электрических цепей, теории электрических машин, полупроводниковых преобразователей, электропривода, автоматического регулирования, методы моделирования систем с ЭМ и ПП, решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений, сплайн-аппроксимации кривых, гармонического и частотного анализа, симметричных составляющих.
Научная новизна представляемой диссертационной работы заключается в следующем:
1. Разработано оригинальное предложение по структуре АЭЭС с асинхронным генератором (АГ) и активными полупроводниковыми преобразователями, отличающейся использованием мнофазным АГ, наличием нескольких гальванически развязанных каналов электроснабжения, применением нескольких активных преобразователей, использованием трансформаторов для гальванической развязки в маломощных каналах, а также характером распределения функций управления между активными преобразователями, при котором возбуждение генератора осуществляется преобразователем в основном канале электроснабжения. В результате обеспечиваются высокий КПД и минимальные габариты.
Разработана новая методика моделирования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, основанная на использовании методов расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам, обеспечивающая разработку быстродействующих устойчивых моделей.
Разработан комплекс моделей АЭЭС с многофазным АГ и несколькими многотактными активными преобразователями, отличающийся новизной объекта моделирования, уточнениями моделей асинхронной машины, подробным описанием полупроводниковых преобразователей, новизной алгоритмов управления.
Научные положения, выносимые на защиту:
Структура многоканальной АЭЭС с высокооборотным асинхронным многофазным турбогенератором и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, в которой обеспечивается гальваническая развязка каналов, а также алгоритмы управления, которые, позволяют минимизировать искажения напряжений и токов АГ и преобразователей, габариты оборудования и повысить КПД.
Методика моделирования АЭЭС с многофазным АГ и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, основанная на методах расчета сложных систем по взаимосвязанным подсистемам и уточнении моделей АГ и ПП.
Комплекс уточненных математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, отличающихся устойчивостью вычислительных процессов и быстродействием.
Результаты исследований АЭЭС с многофазным АГ и несколькими активными многотактными преобразователями различного типа, в том числе, зависимости нагрузки элементов от структуры системы, зависимости потерь энергии в элементах АЭЭС от алгоритмов управления.
Практическая ценность работы:
Разработана структура многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.
Определены алгоритмы работы многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.
Разработан комплекс моделей АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.
На моделях выполнены исследования АЭЭС в установившихся, переходных и аварийных режимах работы.
По результатам исследований даны рекомендации по построению АЭЭС (по выбору схем, параметров, алгоритмов управления).
Реализация результатов работы:
Разработанная структура АЭЭС, методика моделирования, комплекс моделей и результаты исследований использованы в филиале ОАО "Силовые машины" "Электросила" в ряде проектных работ.
Комплекс моделей электрических машин, полупроводниковых преобразователей и систем используется в учебном процессе кафедры "Информационные технологии в электромеханике и робототехнике" ГУАП.
Достоверность комплекса математических моделей подтверждена многолетней практикой использования разработанного комплекса моделей в практике проектирования электроустановок в филиале ОАО "Силовые машины" "Электросила", а также рядом экспериментальных исследований на макетах и действующих установках.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались:
- 33 ежегодной конференции общества ШЕЕ, Тайвань, г. Тайпей, 2007 г.[159];
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ 2006, Словения, г. Порторож, 2006 г. [158];
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ 2005, Германия, г. Дрезден, 2005 г. [147];
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ-РЕМС 2004, Латвия, г. Рига, 2004 г. [157];
на конференции Европейской ассоциации электропривода и силовой электроники ЕРЕ 2003, Франция, г. Тулуза, 2003 г. [128];
на научно-практической конференции "ЭЛЕКТРОЭНЕРГО-2003", проведенной ОАО "Электросила" в 2002 г. [19];
на VII международной научно-технической конференции "Проблемы повышения технического уровня электроэнергетических систем и электрооборудования кораблей, плавучих сооружений и транспортных средств". Санкт-Петербург, 2000 г. [18].
На V международной научно-технической конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2007 2007г., г. Санкт-Петербург [21].
Личный вклад автора состоит в разработке структуры, математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и многотактными активными преобразователями, в исследованиях этой системы и в разработке рекомендаций для ее проектирования.
Публикации. По теме диссертации имеется 15 публикаций, в том числе 2 монографии, 13 статей, из которых 2 статьи опубликованы в сборниках, рекомендованных ВАК РФ.
Похожие диссертации на Исследование системы с многофазным асинхронным генератором и многотактными активными преобразователями
