CC BY
8УДК 621.311.68
Бурмакин Олег Анатольевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта», ФГБОУВО «ВГУВТ»; e-mail: [email protected]
Малышев Юрий Сергеевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта», ФГБОУ ВО «ВГУВТ», e-mail: [email protected]
Попов Сергей Васильевич, доцент, к.т.н., доцент кафедры «Электротехника и электрооборудование объектов водного транспорта», ФГБОУ ВО «ВГУВТ»; e-mail: [email protected] Шилов Максим Петрович, аспирант, ФГБОУ ВО «ВГУВТ» e-mail: [email protected]
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Волжский государственный университет водного транспорта» (ФГБОУ ВО «ВГУВТ»)
603951, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ РЕАЛЬНОЙ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ И ЕЕ МОДЕЛИ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ
Ключевые слова: судовая электростанция, синхронизация, параллельная работа, переходные процессы.
Аннотация. В статье приведены результаты моделирования переходных процессов судовой электростанции и осциллограммы переходных процессов реальной судовой электростанции. Приведено сравнение переходных процессов для различных режимов работы электростанции: синхронизации, ступенчатом подключении нагрузки на параллельно работающие генераторы, распределение и перевод нагрузки на один из параллельно работающих генераторов. Сделаны выводы о соответствии качества переходных процессов и о величине погрешности результатов моделирования связанной с несовершенством модели. Предложены способы усовершенствования модели путем осуществления процесса синхронизации в автоматическом режиме, а также модернизации системы управления электростанцией путем внедрения блоков синхронизации и распределения нагрузок.
Введение
Исследование переходных процессов [1] судовой электростанции (СЭС) в режиме реального времени является достаточно сложной, а в некоторых случаях и невозможной задачей. Как правило, это связано с необходимостью использования высокоточной, а, следовательно, и дорогой аппаратуры.
В свою очередь, моделирование сложных систем [2], таких как СЭС, позволяет построить переходные процессы с их отображением с высоким качеством для детальной оценки [3-8].
Цель и задачи
Целью работы является оценка соответствия переходных процессов, отображаемых осциллографами, разработанной модели и реальной судовой электростанции.
Материалы и методы
Разработанная модель судовой электростанции позволяет выполнить синхронизацию как в ручном, так и в автоматическом режиме, распределение нагрузки между
225
параллельно работающими генераторами и перевод активной мощности при выводе одного генератора из работы [9].
Для оценки адекватности модели электростанции было выполнено сравнение результатов измерений электрических параметров реальной электростанции и результатов моделирования [10-15]. За объект исследования была принята электростанция теплохода проекта 588, состоящая из четырех дизель-генераторов мощностью по 100 кВт каждый и позволяющая выполнить синхронизацию, загрузку и разгрузку генераторов в ручном режиме. В качестве измерительного прибора был использован цифровой осциллограф Б80-2090.
Поскольку автоматическая синхронизация и распределение мощностей между параллельно работающими генераторами реальной электростанции не реализована, моделирование переходных процессов будет выполнено в режиме ручной синхронизации.
Переходные процессы напряжений при синхронизации показаны на диаграммах рис. 1 и рис. 2. На осциллограмме, полученной при процессе синхронизации реальной электростанции (рис. 1), показаны три напряжения: действующие значения фазных напряжений первого - и1 и второго - и2 генератора и их разности Ди. При сближении начальных фаз напряжений генераторов значение ДИ снижается до нуля, после чего включается автомат подключаемого генератора и вводит его на параллельную работу. Время процесса синхронизации реальной электростанции составляет 15 с и зависит от точности регулирования исполнительного механизма (асинхронного электродвигателя), воздействующего на топливную рейку дизельного двигателя.
з в ihsTOI ь я " " I ► H™ Iв га *
Рис. 1. Осциллограммы напряжений генераторов №1 и №2 при синхронизации
В процессе настройки модели системы регулирования скорости дизель-генератора реакция воздействия на дизель при выполнении синхронизации была подобрана путем введения в контур регулирования скорости инерционного звена. Процесс синхронизации модели электростанции выполняется за время около 2 с.
Малое время процесса синхронизации модели электростанции объясняется отсутствием возмущающих воздействий на электроэнергетическую систему, которые неизбежно проявляются при работе реальной электростанции.
Для получения переходных процессов электростанции к генераторам была подключена нагрузка в виде поршневых компрессоров мощностью 11 кВт каждый. На рис. 3 приведены осциллограммы напряжений при одновременном подключении двух компрессоров на два параллельно работающих генератора. Коэффициент мощности асинхронных электродвигателей компрессоров равен 0,8. При подключении нагрузки наблюдается провал напряжения судовой сети на величину около 6% от номинального значения. Система автоматического регулирования возбуждения восстанавливает напряжение до установившегося значения в течение 1,2 сек.
Моделирование электростанции с параллельно работающими генераторами выполнялось при последовательном подключении асинхронных нагрузок по 11 кВт с интервалом времени равным 3 секунды. При этом наблюдаются провал напряжения в сети и броски тока на параллельно работающих генераторах (см. рис. 4). По мере разгона асинхронных двигателей значение тока снижается, одновременно с этим система автоматического регулирования путем увеличения тока возбуждения восстанавливает значение напряжения.
Оценка диаграмм показывает, что переходный процесс от момента подключения одной ступени нагрузки до восстановления напряжения происходит за время 0,8 с. При последующем подключении нагрузки поведение напряжения повторяется за время около 1 с. Значения провалов напряжения составляют 2% и 3% при подключении первой и второй нагрузки соответственно.
Рис. 3. Осциллограммы напряжений параллельно работающих генераторов №1 и №2 при подключении асинхронной нагрузки
Осциллограммы изменения токов параллельно работающих генераторов при последовательном подключении двух нагрузок мощностью по 11 кВт к параллельно работающим генераторам и переводе активной мощности на первый генератор приведены на рисунке 5. В качестве нагрузки использованы те же компрессоры. При запуске первого компрессора максимальное значение тока составляет 25% от номинального значения тока генератора, а ток второго генератора составляет 20%. При после-
дующем запуске второго компрессора распределение токов на генераторах установилось в следующих соотношениях: 22% на первом генераторе и 23% - на втором.
U.
U,
t, c
t, c
Рис. 4. Диаграммы напряжений и токов параллельно работающих генераторов №1 и №2 при подключении асинхронной нагрузки
Рис. 5. Осциллограммы токов параллельно работающих генераторов №1 и №2 при подключении асинхронной нагрузки
После завершения переходных процессов был выполнен перевод нагрузки на первый генератор и вывод второго из параллельной работы.
Результаты
Моделирование подобных процессов производилось при параллельной работе генераторов равномерно загруженных асинхронной нагрузкой (рис. 6). Подключение к шинам асинхронной нагрузки мощностью 11 кВт сопровождается бросками тока и провалом напряжения. Распределение тока и, следовательно, мощности между генераторами происходит равномерно, что определяется подобными параметрами генера-
торов, двигателей и регуляторов. При сравнении полученных результатов с осциллограммами реальной электростанции можно определить неравномерность распределения мощности между судовыми генераторами. Несимметрия при распределении нагрузки объясняется различными характеристиками генераторов и двигателей, настройками регуляторов, температурными режимами двигателей и т.д.
t, c
Рис. 6. Диаграммы напряжений и токов параллельно работающих генераторов №1 и №2 при подключении и распределении асинхронной нагрузки
При переводе нагрузки с одного генератора на другой (рис. 6) ток на втором генераторе снижается практически до нуля, после чего происходит отключение его от шин.
Заключение
Оценка результатов моделирования показывает, что в связи с несовершенством модели они имеют некоторую погрешность при сравнении с результатами натурных испытаний. Максимальная погрешность результатов, показанных на рис. 3-6, составляет около 6%.
Однако следует заметить, что качество переходных процессов при набросе, сбросе и распределении нагрузки между параллельно работающими генераторами модели соответствует переходным процессам реальной судовой электростанции.
Усовершенствование модели сводится к возможности осуществления процесса синхронизации в автоматическом режиме. Также в период отстоя судна планируется выполнить модернизацию системы управления электростанцией с внедрением в нее электронных блоков синхронизации и распределения нагрузок. Моделирование переходных процессов в автоматическом режиме синхронизации и распределения нагрузок является дальнейшей задачей исследования.
Список литературы:
[1] Исследование переходных процессов в линейных электрических цепях с помощью системы компьютерной математики matlab / Ф.А.Васильева, О.В.Свеженцева / Иркутск, Энергетика Вестник ИрГТУ - 2011 - №6 (53). - с. 119-124.
[2] Woud H.K., Stapersma D. Design of propulsion and electric power generation systems. IMarEST Publications, London, 2003. 494 p.
[3] Кривелев А.В. Основы компьютерной математики с использованием MATLAB: учебное пособие для вузов. М.: Лекс-Книга, 2005. 496 с.
[4] Мэтьюз Д.Т., Финк К.Д. Численные методы. Использование MATLAB. М.: Вильямс, 2001. 720 с.
[5] Zhiliang Wu. Design and Study of Real-time Online Assessing System for Marine Power Station Reliability / Zhiliang Wu, Yubin Yao and Dan Wang // Advances in Engineering, volume 87 2nd International Conference on Automation, Mechanical and Electrical Engineering (AMEE 2017). Atlantis Press, 2017 - P. 180-182.
[6] Zhiliang Wu. Reliability engineering and application of ship and port electrical system. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2006.
[7] Wang Chao, Wang Huifang, Zhang Chi. Study of reliability modeling for relay protection system in digital substations. Power System Protection and Control, 2013,41(3): 8-13.
[8] Zhiliang Wu, Yubin Yao and Dan Wang. The Reliability Modeling of Marine Power Station, Mechanical engineering industrial electronics and information (MEIEI2013), 2013, (Part B): 404-407.
[9] Имитационная модель судовой электростанции / О.А. Бурмакин, М.П. Шилов, Ю.С. Малышев, С.В. Попов/ Нижний Новгород, Вестник ВГАВТ. - 2016. - №48. - С. 272-279 2016.
[10] Бурмакин О.А., Малышев Ю.С., Попов С.В., Шилов М.П. Оценка адекватности модели СЭЭС в переходных режимах работы. Труды 19-го международного научно-методического форума «Великие реки 2017». Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек». Изд-во ФГБОУ ВО «ВГУВТ», 2017. - Вып.6. - Режим доступа: httpV/вф-река-море.рф.
[11] Коробко Г.И., Попов С.В., Бишлетов А.В., Матвеев О.А. Алгоритм автоматического выбора ведущего генератора автономной электростанции при параллельной работе трех и более генераторных агрегатов. Труды 14-го международного научно-методического форума «Великие реки 2012». Материалы научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов, специалистов и студентов «Проблемы использования и инновационного развития внутренних водных путей в бассейнах великих рек». Т. 2. - Н.Новгород: Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ», 2012. - с. 282-284.
[12] Головко С.В. Диагностика технического состояния судового электрооборудования на основе интеллектуального анализа данных / С.В. Головко // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2009. № 2. С. 90-95.
[13] Zhiliang Wu. Marine power station. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2012.
[14] Y.C. Liu and C. Wang, «Modeling and Simulation on Ship Power Station under Large Disturbance», Advanced Materials Research, Vols. 121-122, pp. 74-79, 2010
[15] Yushkov E.A. Modeling of operation modes of ship power plant of combined propulsion complex with control system based on electronic controllers. Electrical engineering & electromechanics, 2016, no.6, pp. 39-44.
COMPARATIVE ANALYSIS OF RESULTS OF RESEARCH OF THE REAL SHIP POWER STATION AND ITS MODELS IN TRANSITION OPERATING MODES
Burmakin Oleg A., Candidat of Engineering Science, Associate Professor
of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport
facilities, Volga State University of Water Transport
Malyshev Yuriy S., Candidat of Engineering Science, Associate Professor
of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport
facilities, Volga State University of Water Transport
Popov Sergey V., Candidat of Engineering Science, Associate Professor of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport facilities Volga State University of Water Transport
Shilov Maxim P., graduate student of the Department of Electrical engineering and electrical equipment of water transport facilities Volga State University of Water Transport 5, Nesterov st, Nizhniy Novgorod, 603951
Keywords: ship power station, synchronization, parallel work, transition processes.
The article presents the results of simulation of transients of the ship power station and oscillograms of transients of a real ship power station. The comparison of transients for different operating modes of the power plant is given: synchronization, step switching of load on parallel generators, distribution and transfer of load to one of the parallel generators. The conclusions about the conformity of the quality of transients and the magnitude of the error of the simulation results associated with the imperfection of the model are made. Ways to improve the model by introducing the synchronization process in automatic mode, as well as upgrading the power plant control system by introducing synchronization modules and load balancing, are proposed.
References:
[1] Issledovanie perexodny'x processov v linejny'x e'lektricheskix cepyax s po-moshh'yu sistemy' komp'yuternoj matematiki matlab / F.A.Vasil'eva, O.V.Svezhenceva / Irkutsk, E'nergetika Vestnik IrGTU - 2011 - №6 (53). - s. 119-124.
[2] Woud H.K., Stapersma D. Design of propulsion and electric power generation systems. IMarEST Publications, London, 2003. 494 p.
[3] Krivelev A.V. Osnovy' komp'yuternoj matematiki s ispol'zovaniem MATLAB: uchebnoe posobie dlya vuzov. M.: Leks-Kniga, 2005. 496 s.
[4] Me't'yuzD.T.,Fink K.D. Chislenny'e metody'. Ispol'zovanie MATLAB. M.: Vil'yams, 2001. 720 s.
[5] Zhiliang Wu. Design and Study of Real-time Online Assessing System for Marine Power Station Reliability / Zhiliang Wu, Yubin Yao and Dan Wang // Advances in Engineering, volume 87 2nd International Conference on Automation, Mechanical and Electrical Engineering (AMEE 2017). Atlantis Press, 2017 - P. 180-182.
[6] Zhiliang Wu. Reliability engineering and application of ship and port electrical system. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2006.
[7] Wang Chao, Wang Huifang, Zhang Chi. Study of reliability modeling for relay protection system in digital substations. Power System Protection and Control, 2013,41(3):8-13.
[8] Zhiliang Wu, Yubin Yao and Dan Wang. The Reliability Modeling of Marine Power Station, Mechanical engineering industrial electronics and information (MEIEI2013), 2013, (Part B): 404-407.
[9] Imitacionnaya model' sudovoj e'lektrostancii / O.A. Burmakin, M.P. Shilov, Yu.S. Maly'shev, S.V. Popov/ Nizhnij Novgorod, Vestnik VGAVT.- 2016.- №48.- S.272-279 2016.- №48.- S.272-279.
[10] Burmakin O.A., Maly'shev Yu.S., Popov S.V., Shilov M.P. Ocenka adekvatno-sti modeli SE'E'S v perexodny'x rezhimax raboty'. Trudy' 19-go mezhdunarodnogo nauchno-metodicheskogo foruma «Velikie reki 2017». Materialy' nauchno-metodicheskoj konferen-cii professorsko-prepodavatel'skogo sostava, aspirantov, specialistov i studentov «Problemy' ispol'zovaniya i innovacionnogo razvitiya vnutrennix vodny'x putej v bas-sejnax velikix rek». Izd-vo FGBOU VO «VGUVT», 2017. - Vy'p.6. -Rezhim dostupa: http://vf-reka-more.rf.
[11] Korobko G.I., Popov S.V., Bishletov A.V., Matveev O.A. Algoritm avtomati-cheskogo vy'bora vedushhego generatora avtonomnoj e'lektrostancii pri parallel'noj rabote trex i bolee generatorny'x agregatov. Trudy' 14-go mezhdunarodnogo nauchno-metodicheskogo foruma «Velikie reki 2012». Materialy' nauchno-metodicheskoj konferen-cii professorsko-prepodavatel'skogo sostava, aspirantov, specialistov i studentov «Problemy' ispol'zovaniya i innovacionnogo razvitiya vnutrennix vodny'x putej v bas-sejnax velikix rek». T. 2. - N.Novgorod: Izd-vo FBOU VPO «VGAVT», 2012. - s. 282-284.
[12] Golovko S.V. Diagnostika texnicheskogo sostoyaniya sudovogo e'lektrooboru-dovaniya na osnove intellektual'nogo analiza danny'x / S.V. Golovko // Vestn. Astraxan. gos. texn. un-ta. Ser.: Upravlenie, vy'chislitel'naya texnika i informatika. 2009. № 2. S. 90-95.
[13] Zhiliang Wu. Marine power station. Dalian: Dalian Maritime University Press, 2012.
[14] Y.C. Liu and C. Wang, «Modeling and Simulation on Ship Power Station under Large Disturbance», Advanced Materials Research, Vols. 121-122, pp. 74-79, 2010
[15] Yushkov E.A. Modeling of operation modes of ship power plant of combined propulsion complex with control system based on electronic controllers. Electrical engineering & electromechanics, 2016, no.6, pp.39-44.
Статья поступила в редакцию 11.04.2019 г.
