Введение к работе
Актуальность работы. Электротехнические комплексы электроснабжения потребителей первой категории особой группы используются в центрах хранения данных, многофункциональных высотных зданиях, нефтяной и газодобывающей промышленности, геологоразведке, других отраслях промышленности и народного хозяйства. Отличительной особенностью таких систем является наличие дополнительного питания от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания, в качестве которого применяют источник бесперебойного электропитания (ИБП) на основе аккумуляторных батарей и дизельные генераторы, объединённые в дизельную электростанцию. Для некоторых видов объектов такой способ электропитания является единственным.
Одной из основных задач проектирования комплексов электроснабжения потребителей первой категории особой группы является выбор количества и мощности дизель-генераторных установок (ДГУ) в составе дизельной электростанции (ДЭС), от правильного решения которой зависит эффективность электротехнического комплекса на этапах его реализации и эксплуатации. Поэтому исследования, направленные на решение задачи выбора параметров ДГУ в составе дизельной электростанции, на этапе проектирования, являются актуальными.
Степень научной разработанности проблемы. Вопросам проектирования и эксплуатации автономных электротехнических комплексов производства электроэнергии посвящены работы Артюхова И.И., Гринкруг Я. С., Ершова М.С., Завалишина В.В., Зюзёва А.М., Лукутина Б.В., Меньшова Б.Г., Меркулова М.В., Олешко А.С., Хватова О.С. и других авторов. Центрами исследований являются Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, Томский политехнический университет и ряд других организаций.
Несмотря на широкий спектр работ, в них не рассмотрены вопросы выбора оптимальных параметров ДГУ в составе дизельных электростанций с использованием теории оптимизации, бесспорно имеющие свою специфику.
Идея работы заключается в снижении капитальных затрат на создание дизельной электростанции путем выбора оптимальных режимов работы, количества и номинальных мощностей дизель-генераторных установок, входящих в ее состав, из ряда доступных номинальных мощностей в условиях заданного диапазона выходной мощности дизельной электростанции и коэффициентов загрузки ее ступеней.
Целью работы является разработка и исследование методики выбора оптимальных по критерию стоимости и максимальной загрузки параметров ДГУ, обладающей возможностью учитывать диапазон изменения нагрузки электростанции, дискретность ряда номинальной мощности ДГУ, и позволяющей на этапе проектирования минимизировать стоимость электростанции и повысить ее КПД, что приводит к экономии материальных и природных ресурсов государства.
Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:
-
Разработка параметрической модели дизельной электростанции для решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ.
-
Определение оценки нижней границы количества ДГУ в составе ДЭС для заданных коэффициентов максимальной и минимальной загрузки ДГУ и известных максимальной и минимальной мощности нагрузки.
-
Разработка алгоритма и программы решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в дискретной форме. Результатом решения должно быть минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, выбираемые из стандартного ряда номинальных мощностей.
-
Постановка задачи дискретной оптимизации количества и мощности ДГУ по критерию минимальной суммарной стоимости. Разработка алгоритма и программы решения задачи, решение которой определит минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, из стандартного ряда номинальных мощностей.
-
Разработка формальной процедуры поиска решения задачи оптимизации.
-
Получение математической модели дизельного двигателя на основе индикаторной развернутой диаграммы для учета всех основные особенности преобразования энергии газов в механическую энергию.
-
Разработка методики определения параметров схемы замещения явнополюсных синхронных генераторов средней мощности в составе ДГУ, основанную на использовании значения отношения короткого замыкания.
8. Разработка имитационной модели дизель-генераторной установки с учетом контуров регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения синхронного генератора.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались принципы системного подхода, положения теории электротехники, электрических машин, автоматического управления, методы решения задач непрерывной и дискретной оптимизации. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, реализованных на ПЭВМ в виде программных средств в системе MatLab. Исследование алгоритмов выполнено на примере исходных данных серийно выпускаемых дизель-генераторных установок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
-
Предложена параметрическая модель дизельной электростанции, с использованием которой поставлены задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в непрерывной и дискретной формах. Целевая функция определяет суммарную мощность ДЭС, ограничения описывают условия работы ДГУ в терминах введенных понятий максимальной и минимальной загрузки ДГУ. Для модели в непрерывной форме получено аналитическое выражение для оценки нижней границы количества ДГУ в составе ДЭС для заданных коэффициентов максимальной и минимальной загрузки ДГУ и известных максимальной и минимальной мощности нагрузки. На основе результатов решения задачи оптимизации в непрерывной форме разработан алгоритм решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в дискретной форме. Результатом решения является минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, выбираемая из стандартного ряда номинальных мощностей.
-
Поставлена и решена задача дискретной оптимизации количества и мощности ДГУ по критерию минимальной суммарной стоимости. Решение определяет минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, принадлежащую стандартному ряду номинальных мощностей, доставляющие минимум функции стоимости ДЭС. Выполнена редукция задачи дискретной оптимизации к задаче поиска в алфавите. Разработана формальная процедура поиска, представленная в виде коммуникационной диаграммы.
-
Предложена динамическая модель работы дизельного двигателя на основе индикаторной развернутой диаграммы. Модель учитывает все основные особенности преобразования энергии газов в механическую энергию и может быть использована для оценки влияния пульсаций механического момента на работу генератора, а также в других приложениях, связанных с исследованиями динамических явлений в электротехнических комплексах.
4. Предложена имитационная модель дизель-генераторной установки. Система управления имеет контуры регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения синхронного генератора. Выполнено моделирование режимов нагружения генератора от 10% мощности до 100 и 115%. Показано, что ДГУ обеспечивает выполнение требований к качеству генерируемого напряжения при превышении мощности нагрузки на 15% выше номинальной.
Практическая ценность.
-
-
-
Результатом выполненных исследований является комплексная методика, которая лежит в основе выбора оптимальных параметров ДГУ в составе ДЭС, основанная на параметрической модели дизельной электростанции. Разработанная методика позволяет определять рациональные параметры дизель-генераторных установок по критерию номинальной загрузки во всех режимах работы и минимальной стоимости, основными из которых являются количество и мощность каждой ступени ДЭС, что ведет к экономии финансовых средств на этапах реализации и эксплуатации комплекса. Защищаемые научные положения позволяют проводить достаточно точный расчет рациональных параметров ДЭС, пересмотреть установленные подходы к проектированию, производить уточнение результатов решения оптимизационных задач на динамических моделях электротехнического комплекса ДГУ. Разработанные принципы проектирования, а также предложенные модели могут использоваться для условий различных объектов, установок и комплексов.
-
Получены результаты расчета параметров схемы замещения явнополюсных синхронных генераторов средней мощности в составе ДГУ, основанные на использовании значения отношения короткого замыкания. Результаты могут быть использованы на этапе проектирования, до выбора конкретного типа ДГУ. Погрешность расчета параметров схемы замещения по продольной и поперечной осям не превышает 16,% и 12% соответственно.
Обоснованность и достоверность научных положений подтверждена корректным применением классических методов математической статистики, апробированных математических моделей элементов электротехнического комплекса, использованием обучающих множеств, объединяющих фактические данные измерений, контроля и наблюдений за три года, численными экспериментами на ЭВМ с использованием контрольного и тестового множеств.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при создании системы электроснабжения первой категории особой группы центра хранения данных ФГУП «Восход», г. Москва.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Уральского государственного горного университета в 2008-2012 гг., V Всероссийской научно-технической конференции «Инновационная энергетика», г. Пермь, 2011 г., VII Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, г. Иваново
Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, библиографического списка из 94 наименований и четырех приложений. Объем работы составляет 113 страниц, включая 23 рисунка и 9 таблиц.
Похожие диссертации на Режимы работы и выбор параметров систем бесперебойного электроснабжения потребителей первой категории особой группы
-
-
-
