Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ автономных дизельных электростанций
1.1. Основные сведения и классификация дизельных электростанций
1.2. Основные режимы работы электростанций малой мощности 12
1.3. Генераторы автономных дизельных электростанций 15
1.4. Преобразователи частоты автономных электростанций 21
1.5. Способы снижения расхода топлива в многоагрегатных автономных электростанциях 24
1.6. Постановка задачи исследования 33
Выводы по главе 1 35
2. Дизельная электростанция с преобразователем частоты при переменной частоте вращения дизельного двигателя 36
2.1. Способы стабилизации выходного напряжения и частоты в структурных схемах автономных дизельных электростанций 36
2.2. Работа дизельной электростанции с преобразователем частоты при переменной частоте работы дизеля 43
Выводы по главе 2 54
3. Математическое моделирование дизельной электростанции 55
3.1. Алгоритм расчета SimPowerSystems-модели 56
3.2. Выбор метода интегрирования 57
3.3. Особенности моделирования схем силовой электроники 58
3.4. Математические модели исследования системы электро снабжения с дизельной электростанцией 59
3.5. Исследование динамических режимов наброса и сброса нагрузки в автономных системах электроснабжения 80
Выводы по главе 3 89
4. Технико-экономическая эффективность 90
4.1. Технико-экономическая эффективность применения дизельной электростанции с переменной частотой вращения вала дизеля 90
4.2. Границы экономической целесообразности применения автономного электроснабжения 95
4.3. Экспериментальные исследования дизельной электростанции с преобразователем частоты 100
4.3.1. Объекты экспериментального исследования 100
4.3.2. Методика испытаний и анализ результатов эксперимента 106
Выводы по главе 4 109
Заключение
Список использованной литературы 111
Приложение 122
- Основные режимы работы электростанций малой мощности
- Работа дизельной электростанции с преобразователем частоты при переменной частоте работы дизеля
- Выбор метода интегрирования
- Границы экономической целесообразности применения автономного электроснабжения
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время электрообеспечение значительных территорий страны (60%) с населением более 20 миллионов человек осуществляется от автономных систем электроснабжения. Это связано со сложностью подключения данных территорий к централизованной системе электроснабжения страны по причине удаленности их от промышленно развитых регионов и разбросанности на значительной территории с тяжелыми климатическими условиями. Условия надежного функционирования автономных систем электроснабжения в этих регионах во многом определяют возможности ведения производственной деятельности и условия быта населения. Кроме того, следует констатировать, что в настоящее время автономные источники электроснабжения становятся все более востребованными и популярными при решении вопросов электроснабжения отдельных потребителей и в районах с централизованной системой электроснабжения.
Одним из основных элементов систем автономного электроснабжения, во многих случаях, является дизельная электростанция (ДЭС). Традиционно ДЭС использовались как резервные и аварийные, поэтому требования к качеству генерируемого напряжения, экономичности, надежности, ресурсу и т.д. были значительно ниже, чем того требует ГОСТ от электрогенерирующих агрегатов, работающих на сеть общего пользования.
Использование ДЭС как основного источника электропитания требует, чтобы генерируемое напряжение полностью соответствовало требованиям по качеству электроэнергии ГОСТ 13109-97. Следует отметить, что для ДЭС, работающих на переменную нагрузку, характерны низкие значения коэффициента загрузки дизеля и электрогенератора и, как следствие, пониженные значения общего КПД, увеличенный расход топлива, сниженный моторесурс, увеличенные эксплуатационные затраты. Разработка нового поколения электротехнических комплексов по генерированию электроэнергии на основе ДЭС потребовала решения ряда научно-технических задач: по улучшению стабильности частоты и напряжения, по улучшению динамических характеристик, по уменьшению расхода топлива, увеличению моторесурса, снижению вредных выбросов и теплового загрязнения атмосферы, а также снижению уровня шума, что и обусловило актуальность проводимой работы.
Целью работы является разработка новых схемно-технических решений автономных ДЭС, обладающих улучшенными технико-экономическими и эксплуатационными характеристиками при работе на изменяющуюся нагрузку.
Объект исследования – автономные электростанции на основе двигателей внутреннего сгорания и силовой преобразовательной техники.
Предмет исследования – режимы работы и способы управления автономной электростанцией в условиях работы на переменную нагрузку.
Основные задачи
Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решить следующие задачи:
1. Провести анализ существующих схемных решений автономных электростанций и установить факторы, ограничивающие возможности улучшения технико-экономических и эксплуатационных характеристик автономной ДЭС при работе на изменяющуюся нагрузку.
2. Разработать схему автономной ДЭС, работающей в режиме: переменная частота вращения выходного вала дизеля – постоянная частота выходного напряжения.
3. Разработать математическую модель автономной системы электроснабжения на основе ДЭС для исследования статических и динамических режимов работы при набросе и сбросе нагрузки.
4. Провести численное моделирование статических и динамических режимов работы при набросе и сбросе нагрузки для стандартного и разработанного вариантов ДЭС. Выявить влияние изменяющейся электрической нагрузки на характер переходных процессов.
5. Провести эксперименты на реальной установке для проверки эффективности предложенных технических решений и адекватности математической модели.
Методы исследования
Поставленные задачи решались путем проведения теоретических и экспериментальных исследований. В диссертации использованы основные положения теоретических основ электротехники и электрических машин, методы современного компьютерного моделирования (программное обеспечение MATLAB 7.0. с пакетом расширения Simulink 6.0, ДИЗЕЛЬ-РК), математических вычислений и обработки результатов (Mathcad 2001, Microsoft Office Excel 2003). Для проведения экспериментальных исследований использовались современные контрольно-измерительные приборы.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Для каждой величины нагрузки ДЭС имеет место минимальный расход топлива при строго определенной частоте вращения вала дизеля, причем с уменьшением нагрузки оптимальные значения расхода топлива будут смещаться в сторону снижения оборотов приводного дизеля от номинальной до холостого хода.
2. В условиях переменной частоты работы дизеля стабилизация частоты и величины выходного напряжения осуществляется путем введения в структуру автономной электростанции преобразователя частоты.
3. Разработанная математическая модель позволяет выявить влияние параметров системы (инерционных постоянных дизеля, его системы управления, электрогенератора, а также параметров фильтров на входе и выходе преобразователя частоты) на статические и динамические характеристики автономной электростанции с преобразователем частоты.
4. Расчетным путем показано, что выбор варианта электроснабжения от автономного источника или от централизованной сети определяется сочетанием двух параметров: мощности нагрузки и расстояния до централизованной сети. При нагрузке 200 кВт зона эффективного применения автономной ДЭС располагается на расстоянии более 5 км от централизованной сети, а при нагрузке 500 кВт – уже на расстоянии более 4 км.
Достоверность научных результатов, полученных в работе, подтверждается совпадением результатов, полученных расчетно-аналитическими методами, с результатами экспериментов, проведенных на дизель-генераторе.
Научная новизна
1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность снижения удельного потребления топлива на 1 кВтч вырабатываемой электроэнергии в условиях работы ДЭС на переменную нагрузку.
2. Разработан способ управления ДЭС, обеспечивающий снижение значения удельного расхода топлива и увеличение ресурса установки при эксплуатации в режимах с изменяющейся нагрузкой.
3. Разработан автономный электротехнический комплекс, включающий дизель-генератор, преобразователь частоты, а также информационно-измерительный блок управления и стабилизации параметров генерируемого напряжения, который позволяет генерировать электрическую энергию заданного качества при переменной частоте вращения дизельного двигателя и влиянии возмущающих воздействий.
На предложенный электротехнический комплекс получен патент на полезную модель.
Практическая ценность работы
Предложены рекомендации по построению автономных систем электроснабжения на основе ДЭС с переменной частотой вращения вала дизеля, которые обеспечивают снижение расхода топлива, увеличение ресурса дизельного двигателя, качество генерируемой энергии, стабильность частоты и напряжения, уровень вредных выбросов в атмосферу и теплового загрязнения.
Реализация и внедрение результатов работы
Материалы диссертационной работы приняты для использования в технических проектах, связанных с модернизацией автономных систем электроснабжения, проводимых ООО МПП «Энерготехника» в различных регионах страны. Кроме того, результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры ЭПП СГТУ при чтении дисциплины «Электроэнергетика» и организации дипломного проектирования.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на Международных научно-технических конференциях «Энергоэффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (г. Мариуполь, 2008г.), «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.), «Актуальные проблемы энергетики АПК» (г. Саратов, 2010 г.), Всероссийских научно-практических конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве» (г. Камышин, 2008 г., 2009 г.), «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (г. Саратов, 2009 г.), конференциях «Разработки молодых ученых в области повышения эффективности использования топливно-энергетических ресурсов», приуроченных к 10-й, 11-й, 12-й специализированным выставкам «Энергетика. Энергоэффективность» (г. Саратов, 2008 г., 2009 г., 2010 г.).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Работа изложена на 123 страницах, содержит 48 рисунков, 3 таблицы. Список использованной литературы включает 107 наименований.
Основные режимы работы электростанций малой мощности
В условиях частичного отхода от идеологии централизованного электроснабжения страны в пользу определенной децентрализации автономное электроснабжение потребителя от собственной электростанции становится одним из конкурентоспособных вариантов нормального электроснабжения. При этом важнейшей задачей является обеспечение надежности электроснабжения потребителя.
Однако, как показывает анализ различных схемных решений, обеспечение надежного электроснабжения от электростанции небольшой мощности связано со многими трудностями: практически все показатели качества электроэнергии ухудшаются с уменьшением мощности используемых генераторов. В ряде случаев эти показатели будут выходить за пределы, установленные ГОСТ 13109-97. При этом требуются специальные расчёты и в ряде случаев специальные мероприятия по обеспечению требуемого качества электроэнергии.
Наиболее важны два обстоятельства, имеющие непосредственное отношение к небольшой мощности [25]: уменьшенное по сравнению с агрегатами тепловых и гидроэлектростанций значение параметра «время ускорения» 7}, характеризующего механическую инерцию электрогенерирующего агрегата; необходимость учитывать режим автономного электроснабжения потребителя в числе основных режимов работы. Малое значение 7} определяет высокую скорость протекания электромеханических переходных процессов при авариях и всякого рода нарушениях нормального режима работы агрегата. Появление на электростанциях агрегатов с малой механической инерцией требует пересмотра ряда технических решений в области мер, обеспечивающих устойчивость и надежность электроснабжения потребителей [13].
Существующие генераторы небольшой мощности нередко снабжаются упрощенными системами возбуждения. Упрощения (по сравнению с генераторами большой мощности) касаются источника питания системы возбуждения и закона регулирования возбуждения. При работе автономных электростанций в зоне централизованного электроснабжения приходится иметь в виду три режима работы собственной электростанции: - работа в энергосистеме, когда собственная электростанция связана с другими электростанциями короткими линиями электропередачи, имеющими пропускную способность, достаточную для выдачи полной мощности собственной электростанции, в том числе в ремонтных режимах, и достаточные запасы устойчивости («сильная» связь); - работа в энергосистеме со «слабой» связью с другими электростанциями, т. е. по маломощным или протяженным линиям электропередачи; - автономная работа.
Эти режимы могут быть взаимно обусловленными. Даже если собственная электростанция полностью покрывает нагрузку предприятия, то наличие связи с энергосистемой остается целесообразным — для резервирования и возможности выдачи в сеть энергосистемы избыточной мощности собственной электростанции. Если собственная электростанция спроектирована для работы в энергосистеме, то автономные режимы могут возникать вынужденно, в основном аварийно. Линии и трансформаторы связи собственной электростанции с энергосистемой могут выбираться с различной пропускной способностью. Всё это варианты режимов, которые должны быть проработаны при проектировании собственной электростанции вместе с той автоматикой, которая необходима для: - противоаварийного управления самой собственной электростанцией и соответствующей части энергосистемы по условиям устойчивости параллельной работы генераторов, предотвращения развития аварий и их локализации, надежности электроснабжения потребителей; - обеспечения заданного качества электроэнергии (напряжения, а при автономной работе и частоты).
Режимы работы собственной электростанции с малоинерционными агрегатами обычно значительно сильнее, чем у крупных электростанций, зависят от особенностей потребителей. В наибольшей мере это относится к случаям, когда собственная электростанция имеет бестрансформаторную связь с шинами электроприемников. Поэтому выбор противоаварийного управления собственной электростанции в сильной степени «привязан» к особенностям потребителя и, в частности, к такому параметру потребителя, как значение допустимой длительности перерывов электроснабжения.
Особую роль на работу автономной электростанции оказывает резкопе-ременная нагрузка, которая характеризуется изменением потребляемой мощности во время нормальной работы. При наличии резкопеременной нагрузки возникают сложные задачи обеспечения допустимых режимов работы собственной электростанции по токам и моментам.
На автономно работающую электростанцию небольшой мощности ложатся все задачи регулирования напряжения и частоты. При этом регулирование частоты с помощью штатного регулирования скорости вращения может оказаться слишком грубым. Для автономной электростанции, состоящей из нескольких генераторов, особенно важно равномерное распределение нагрузки между генераторами. Это не только позволяет более эффективно использовать располагаемую мощность собственной электростанции, но и существенно уменьшает риск нарушения устойчивости при различных возмущениях (КЗ, толчках нагрузки и пр.)- Воздействие резкопеременной нагрузки, мощность которой соизмерима с мощностью собственной электростанции, создает колебания частоты и скорости вращения генераторов. Если генераторы собственной электростанции включаются непосредственно на шины электроприемников, то возникает ещё одна специфическая проблема. Потребитель часто стремится полностью секционировать свою схему электроснабжения, т.е. работать со всеми отключенными секционными выключателями. Такая схема предпочтительнее, так как КЗ в одной половине сети никак не влияют на работу электроприемников другой половины. Но тогда генераторы собственной электростанции, которые подключаются к разным секциям, будут работать между собой несинхронно (в отсутствие связи с энергосистемой). Это означает, что станут категорически недопустимыми многие коммутационные операции, которые обычно выполняет оперативный персонал на трансформаторных и распределительных подстанциях. Необходимы специальные блокировки таких операций, инструкции для персонала и пр.
Работа дизельной электростанции с преобразователем частоты при переменной частоте работы дизеля
Вновь разрабатываемые автономные электростанции создаются на основе новых материалов, улучшенных электротехнических и электронных компонентов, новых алгоритмов управления, увеличения количества контролируемых параметров. При этом предпочтение отдают таким техническим решениям, которые позволяют улучшить не отдельный параметр автономной электростанции, а определенную совокупность параметров.
Основными параметрами, которым уделяется пристальное внимание при разработке автономных электростанций, являются следующие: повышение экономичности и увеличение ресурса работы, снижение массы и габаритов при одновременном увеличении установленной мощности, увеличение КПД и повышение надежности, повышение стабильности и точности поддержания параметров электроэнергии, обеспечение простоты и безопасности эксплуатации, обеспечение более простой формы организации параллельной работы нескольких ДЭС и совместной работы ДЭС с централизованной сетью.
Одним из основных показателей эффективной работы автономной дизель-генераторной электростанции является удельный расход топлива на выработку одного кВт-ч электрической энергии. Минимальный расход топлива дизельных электростанций обеспечивается только при номинальной нагрузке. Автономные электростанции, питающие распределенную нагрузку, как правило, работают при умеренных и низких коэффициентах использования установленной мощности, то есть при недостаточной загрузке оборудования и графиках сезонного и суточного электропотребления, типичных для нашей страны и обострившихся из-за резкого падения промышленного производства. На режимы работы автономной электростанции влияют следующие причины. Во-первых, необходимость изменять мощность, вырабатываемую автономной электростанцией, если изменилась потребляемая мощность. Во-вторых, изменение атмосферных условий: давления и особенно температуры атмосферного воздуха, поступающего в дизель.
Для дизеля, как и для любого первичного двигателя, основной задачей является обеспечение необходимой мощности (заданной потребителем), при этом должно быть обеспечено поддержание постоянной частоты вращения электрического генератора для получения стабильной частоты (50 Гц) генерируемого напряжения. Это требование должно быть выполнено при произвольных атмосферных условиях и параметрах нагрузки.
Необходимо отметить, что одновременно с существенным увеличением удельного расхода топлива при малых загрузках ухудшаются условия эксплуатации первичного двигателя, и сокращается его моторесурс, поэтому для каждого типа первичного двигателя устанавливается величина минимально допустимой нагрузки.
Оптимизация режимов работы дизель-генератора, с точки зрения уменьшения расхода топлива, заключается в том, что при изменении нагрузки изменяют частоту вращения дизеля таким образом, чтобы он работал в режиме минимального расхода топлива.
Задачу создания автоматической системы управления частотой вращения дизеля по минимуму расхода топлива во всех режимах работы возможно решить на основе существующих микропроцессорных систем управления работой дизеля.
К электронным системам управления впрыском топлива программного типа относятся системы, осуществляющие управление электромагнитными форсунками по заранее заданному закону управления или программе. Необходимым элементом таких систем является постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), где хранится информация о необходимом количестве впрыскиваемого топлива в виде кодовых комбинаций, представленных в двоичной системе исчисления (программа включения-выключения форсунок в зависимости от режимов работы двигателя).
Топливная система дизеля состоит из составляющих элементов, узловыми из которых являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунки. ТНВД предназначен для нагнетания топлива в форсунки в строго дозированном количестве и обеспечения необходимого момента начала впрыскивания. Форсунки служат для подачи топлива в камеры сгорания.
Микропроцессорная система управления подачей топлива дизельного двигателя включает в себя микропроцессор, постоянно запоминающее устройство, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), совокупность датчиков и органы управления [79]. Для эффективного управления системы определяются характеристики режимов работы двигателя, которые изменяются с изменением мощности электропотребления. МПБУД отслеживает данные о состоянии дизеля, рассчитывает необходимую потребность топлива и определяет длительность импульсов для подачи топлива форсунками.
Для сбора информации о работе дизельного двигателя предусмотрены три типа датчиков. К первому типу относятся: датчик частоты вращения вала дизеля, датчик мощности нагрузки и датчик положения рейки ТНВД. Ко второму типу относятся датчики, осуществляющие коррекцию подачи топлива в зависимости от условий работы дизельного двигателя. Они определяют температуру топлива в топливном баке, температуру всасываемого воздуха ТНВД, атмосферное давление. К третьему типу относятся блок датчиков предупреждения аварийных режимов дизеля (БАД): датчики температуры и давления масла дизельного двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя.
Дизель-генераторная установка работает следующим образом. При изменении нагрузки электропотребления происходит изменение частоты вращения вала дизельного двигателя и, как следствие, напряжения на выходе генератора. Установленный за генератором преобразователь частоты стабилизирует параметры генерируемой электроэнергии.
Сигналы с датчика мощности (ДМ), датчика частоты вращения вала дизельного двигателя и генератора (ДЧВ), датчика положения рейки топливного насоса высокого давления (ДП), датчика температуры масла дизельного двигателя (ДТМ), датчика давления масла дизельного двигателя (ДДМ), датчика температуры охлаждающей жидкости дизельного двигателя (ДТО), датчика температуры топлива в топливном баке (ДТТ), датчика температуры всасываемого воздуха в топливный насос высокого давления (ДТВ) и датчика атмосферного давления (ДАД) поступают в аналого-цифровой преобразователь, который переводит их в цифровую форму и передает на микропроцессор (МП). По данным с блока датчиков коррекции (БДК) осуществляется корректировка необходимого количества впрыскиваемого топлива и воздуха в дизельный двигатель. По сигналам с датчика мощности, датчика частоты вращения вала дизельного двигателя и генератора, датчика положения рейки топливного насоса высокого давления вычисляется необходимое воздействие на шаговый двигатель топливного насоса высокого давления (ШД).
Выбор метода интегрирования
При расчете модели имеется возможность выбора метода интегрирования -непрерывного или дискретного, с переменным или фиксированным шагом. Для систем небольшого размера расчет непрерывным методом с переменным шагом, как правило, более точен. Алгоритм с переменным шагом также быстрее, поскольку число шагов оказывается меньшим, чем при расчете с фиксированным шагом и сопоставимой точностью. При расчетах устройств силовой электроники методы с переменным шагом дают большую точность, поскольку определяют прохождение через нуль токов полупроводниковых приборов с высокой точностью так, что не наблюдается разрывов сигналов. Однако для больших систем (систем, имеющих большое число переменных состояния или нелинейных блоков) высокая точность непрерывных методов приводит к замедлению расчета. При этом под большой системой понимается (условно) система, имеющая более 30 переменных состояния и более 6 ключей. В таких случаях выгодно провести дискретизацию модели.
Большинство из имеющихся в Simulink методов расчета с переменным шагом дают хорошие результаты при расчете линейных систем. Однако схемы, содержащие нелинейные элементы, требуют методов решения для жестких систем. Самая высокая скорость расчета нелинейных систем достигается методами ode23t или odel5s с параметрами, заданными по умолчанию: Solver (метод): ode23t или odel5s; Relative tolerance (относительная погрешность) = 1е" ; Absolute tolerance (абсолютная погрешность) -= auto; Maximum step size (максимальный шаг) = auto; Initial step size (минимальный шаг) = auto; Initial step size (начальный шаг) = auto; Maximum order (максимальный порядок для ode 15 s) = 5. Обычно для абсолютной погрешности и максимального размера шага можно выбирать значение auto. В некоторых случаях приходится ограничивать макси 58 мальный размер шага и абсолютную погрешность. Обычными рекомендациями при выборе максимального размера шага являются: - шаг не должен превышать величины 0,1 минимальной постоянной времени системы; - при наличии в схеме источников переменного напряжения или тока шаг расчета не должен превышать 0,01-0,02 периода источника с максимальной частотой. Выбор абсолютной погрешности зависит от ожидаемых максимальных значений сигналов в схеме. Рекомендуемое соотношение здесь: 0,01-0,001 максимального значения сигнала. Например, если значения токов и напряжений схемы составляют тысячи ампер или вольт, то абсолютная погрешность может быть выбрана 0,1 или даже 1,0. Если же в схеме максимальные значения токов и напряжений лежат в пределах 10-100 А или В, то абсолютная погрешность должна быть выбрана на уровне 0,001-0,01.
Для моделирования устройств силовой электроники используются два метода. Если внутреннее сопротивление ключа имеет только активный характер (Ron 0), а внутренняя индуктивность отсутствует (Lon = 0), то модель ключа рассматривается как часть линейной схемы. В процессе расчета при изменении состояния ключей производятся пересмотр топологии схемы и переопределение ее модели пространства-состояния. Этот метод всегда используется при наличии в схеме блоков Breaker и Ideal Switch, поскольку они не имеют внутренней индуктивности. Данный метод применяется также для блоков Diode и Thyristor, если для них задано Ron 0 и Lon = 0, а также для блока Universal Bridge в том случае, если в качестве приборов моста выбраны GTO, MOSFET, IGBT или Ideal Switches (для этих устройств в составе моста -Lon=0).
Если ключ содержит индуктивность (Diode и Thyristor с Lon 0, IGBT, MOSFET или ОТО), то он моделируется как нелинейный элемент на базе источника тока в цепи обратной связи линейной схемы. Имитационная модель автономной системы электроснабжения со стандартной ДЭС, работающая на потребителей с активной и двигательной нагрузкой, представлена на рис. 18. Модель состоит из блоков: дизельного двигателя и системы управления возбуждением генератора (Diesel Engine Speed & Voltage Control), синхронного генератора (Synchronous Machine) мощностью 250 кВА, трехфазных выключателей (Three-Phase Breaker), симметричных трехфазных нагрузок (Three-Phase Parallel RLC Load) различной мощности (50 кВт, 50 кВА, 50 кВт), асинхронного двигателя (Asynchronous Machine), блоков измерения сигналов: вольтметров (Voltage Measurement), виртуальных осциллографов (Scope), амперметров (Current Measurement), блока измерения действующего значения периодического напряжения (блок RMS), блока измерения коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения (блок Total Harmonic Distorsion).
Синхронный генератор представлен блоком Synchronous Machine, использующий уравнения в системе Парка - Горева. При математическом описании модели синхронного генератора приняты следующие общепринятые допущения: - магнитная проницаемость стали постоянна и не зависит от режимных параметров машины, что позволяет применить принцип наложения при определении потоков и потокосцеплений при действии токов во всех обмотках машины; - распределение полей самоиндукции обмоток статора и взаимоиндукции этих обмоток между собой и с обмотками ротора вдоль окружности статора является синусоидальным (т.е. высшие гармоники не учитываются); - фазовые обмотки обладают симметрией; - стержни демпферных обмоток и магнитопровод ротора симметричны относительно осей ротора d и q; - все демпферные контуры ротора представлены двумя эквивалентными обмотками. Блок имеет два входа и четыре выхода. Первый вход (Рт ) служит для задания механической мощности на валу электрической машины. На второй вход (Vf ) подается напряжение на обмотке возбуждения. Первые три выхода (А, В, С) являются клеммами для соединения с электрической сетью. Четвертый выход (т) предназначен для передачи вектора переменных состояния машины на блоки Bus Selector 1 и Bus Selector, в которых активизированы функции контроля составляющих по осям d и q напряжения статора и частоты вращения ротора.
Частота вращения вала генератора и его выходное напряжение задаются сигналами на входах wref и Vref блоков Governor & Diesel Engine и Excitation соответственно. На вход w блока Governor & Diesel Engine поступает информация о частоте вращения ротора синхронного генератора. Входы vd и vq блока Excitation служат для приема сигналов о величине составляющих генерируемого напряжения в координатах d,q. Для передачи этих сигналов в модели предусмотрен блок Demux. Графики переходных процессов (Pm, Vf, Vt, w ) можно увидеть на виртуальном осциллографе SM.
Границы экономической целесообразности применения автономного электроснабжения
При выборе источника электроснабжения (автономного или централизованного) наиболее выгодным является вариант с наименьшими приведенными затратами [53]. Поэтому применение автономного источника электроэнергии (АИ) целесообразно при условии: Ен +Ктр) + И1 +Итр +ЦЭ +ЦП ЕНК2 +И2, (16) где Ен - нормативный коэффициент эффективности; К - капиталовложения в ЛЭП; Ктр - то же в трансформаторную подстанцию (ТП); И - годовые эксплуатационные затраты на ЛЭП при централизованном электроснабжении; Итр - годовые эксплуатационные затраты на трансформаторную подстанцию; Цэ - стоимость приобретенной энергии от энергосистемы; Цп - стоимость годовых потерь электроэнергии при передаче; К2 - капиталовложения на автономную электростанцию; И2 — годовые эксплуатационные затраты на автономную электростанцию.
Годовые затраты на эксплуатацию ЛЭП и ТП можно выразить через соответствующие коэффициенты от капитальных вложений: Иі=Р„Кь (17) Итр=РтрКтр (18) где рл, рТр- коэффициенты годовых эксплуатационных затрат на ЛЭП (исключая потери электроэнергии при передаче) и трансформаторную подстанцию соответственно. При подсчете затрат на энергоснабжение от энергосистемы затраты на электростанции не учитываются, а в состав эксплуатационных расходов включается стоимость приобретенной от системы электроэнергии, рассчитанной по действующим тарифам.
Расчетная стоимость электроэнергии определяется по электрогенери-рующим установкам, в качестве которых принимается наиболее прогрессивная электростанция, намечаемая к сооружению в данной энергосистеме.
Стоимость приобретенной электроэнергии составит: тт _р Jjnax_T Г1 э — rmax Qjf-(\ в э где Ртах - максимальная нагрузка; Ттах - время использования максимальной мощности; Тв — продолжительность работы станции; Сэ — средняя удельная стоимость 1 кВт-ч в энергосистеме. Годовые затраты на эксплуатацию АИ состоят из: - отчислений на амортизацию и капитальный ремонт оборудования, зданий и сооружений Иа = ра К2; - стоимости израсходованного топлива Цт; - зарплаты обслуживающего персонала и отчисления на соцстрах; - затрат на текущий ремонт; - затрат на вспомогательные материалы; - общих станционных расходов.
Отчисления на амортизацию Иа для дизельных электростанций можно принять равными 0,035-0,05 К2. Первая цифра — норма отчисления на капитальный ремонт, вторая - на полное восстановление.
Прочие годовые затраты на эксплуатацию АИ (зарплата обслуживающего персонала, текущий ремонт, вспомогательные материалы, общие станционные расходы) можно принять постоянными, обозначив их через А Капитальные вложения в ЛЭП можно определить по удельным капиталовложениям на 1 км: Ki =К ДЬ, где L - длина линии в км; К д - удельные капиталовложения в ЛЭП на 1 км.
В состав капиталовложений в варианте с использованием централизованного электроснабжения необходимо включить затраты на приобретение «разрешенной» используемой мощности, которые равны (плата за максимум нагрузки): где Кисп - коэффициент использования; Cw - стоимость 1 кВт электроэнергии при покупке разрешенной мощности для данного региона. Из неравенства (22) с учетом (23) определяем длину ЛЭП, при которой расчетные затраты на местное и централизованное электроснабжение будут одинаковы
Для проверки расчетно-теоретических результатов и выводов, изложенных в диссертации, были проведены эксперименты на действующей автономной дизельной электростанции с преобразователем частоты, работающей с переменной частотой вращения дизельного двигателя.
Экспериментальные исследования дизельной электростанции с преобразователем частоты проводились на базе предприятия ООО Ml ill «Энерготехника», где применяется установка для резервного электроснабжения.
Объектом экспериментальной части исследования является электроустановка, в состав которой входят дизельный двигатель Д145Т-25, синхронный генератор серии 2С200-30/4 У2, преобразователь частоты КЕВ COMBIVERT F5, шкаф управления дизель-генератором с контрольно-измерительными приборами, нагрузка, электронные весы, секундомер.
Первичным двигателем электроустановки является дизель Д145Т-25, эксплуатационная мощность по ГОСТ 18509 после 60±5 часов наработки составляет 41,9 кВт, удельный расход топлива при эксплуатационной мощности равен 232+7 г/кВт-ч. Дизельный двигатель оснащен всережимным регулятором частоты вращения. Частота вращения коленчатого вала при эксплуатационной мощности составляет 1500±22 об/мин.
На дизель-генераторе установлена панель контрольно-измерительных приборов. На панели расположены измерительные приборы работы дизельного двигателя, контролирующие: уровень топлива, ток зарядки АКБ, температуру и давление масла. Для включения/отключения ТЭНов подогрева масла в дизельном двигателе на панели расположен тумблер. Стартерный пуск и остановка дизель-генераторного агрегата осуществляются кнопками «ПУСК» и «СТОП», а для экстренного останова используется «ЭКСТРЕННЫЙ СТОП». При дистанционном управлении агрегатом на панели горит индикатор «ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ». При, аварийных режимах на панели включается индикатор «АВАРИЯ». Величина напряжений, токов, активной и реактивной мощности генератора показаны на табло универсального измерительного прибора параметров трехфазной сети DMK-25, который смонтирован на панели контрольно-измерительных приборов.
Шкаф управления дизель-генератором содержит силовое оборудование и контрольно-измерительные приборы параметров трехфазной сети DMK 25 фирмы LOVATO. На лицевой панели установлены кнопки дистанционного управления пуска/остановки дизельного агрегата, индикаторы световой сигнализации о готовности агрегата к работе «ГОТОВ», готовности к работе под нагрузкой «ГОТОВ К ПРИЕМУ НАГРУЗКИ», работы «РАБОТА». Автоматический контроль рабочих параметров напряжения, токов, частоты сети, коэффициента мощности, частоты вращения генератора, величины и характера мощности нагрузки осуществляется с табло универсального измерительного прибора параметров трехфазной сети DMK-25. Кроме того, на табло прибора DMK-25 отображается расшифровка неисправности при неполадках и аварийных режимах.
Структурная схема управления дизель-генераторным агрегатом представлена на рис. 45. Расшифровка обозначений представлена в табл. 2. Для получения необходимых требований по качеству электроэнергии использовался преобразователь частоты КЕВ COMBIVERT F5. Силовая часть преобразователя частоты состоит из сетевого выпрямителя, звена постоянного тока и инвертора на выходе. Сетевой выпрямитель построен по трехфазной мостовой схеме. Основной функцией преобразователя частоты является получение переменного по частоте и амплитуде выходного напряжения. И эта функция возлагается на инвертор, подключенный на выходе. Он формирует трехфазное выходное напряжение, используя принцип широтно-импульсной модуляции, благодаря чему достигается синусоидальная форма тока в трехфазной сети. В качестве датчика обратной связи использовался Sin/Cos фотодатчик. В качестве нагрузки использовалось два электронагревателя с регулированием нагрузки через 7, 14 и 21 кВт.
Похожие диссертации на Улучшение эксплуатационных характеристик дизельной электростанции при работе на изменяющуюся нагрузку
