Исследование системы с многофазным асинхронным генератором и многотактными активными преобразователями

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:

1. Разработать структуру многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

2. Разработать методику моделирования многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

3. Разработать комплекс упрощенных и уточненных математических моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

4. Разработать комплекс компьютерных моделей многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

5. Осуществить исследования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными полупроводниковыми преобразователями.

6. 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.

2. 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.

3. 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:

1. 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.

2. 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.

3. Комплекс уточненных математических и компьютерных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, отличающихся устойчивостью вычислительных процессов и быстродействием.

4. 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:

1. Разработана структура многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

2. Определены алгоритмы работы многоканальной АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными преобразователями.

3. Разработан комплекс моделей АЭЭС с асинхронным генератором и несколькими активными полупроводниковыми преобразователями.

4. На моделях выполнены исследования АЭЭС в установившихся, переходных и аварийных режимах работы.

5. По результатам исследований даны рекомендации по построению АЭЭС (по выбору схем, параметров, алгоритмов управления).

Реализация результатов работы:

1. Разработанная структура АЭЭС, методика моделирования, комплекс моделей и результаты исследований использованы в филиале ОАО «Силовые машины» «Электросила» в ряде проектных работ.

2. 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 IEEE, 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.

§ 3.7 Выводы по главе 3.

1. Решена задача построения системы управления многоканальной АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими активными многотактными преобразователями, распределены функций управления между несколькими активными преобразователями. В том числе, определено следующее:

— наиболее мощный активный преобразователь, наряду с решением задач электроснабжения своей нагрузки, должен обеспечивать регулирование напряжения генератора, обеспечивать его реактивной мощностью;

— менее мощные активные преобразователи должны работать в режиме синхронизации с сетью, созданной генератором и первым преобразователем, и иметь коэффициент мощности, близкий к 1 для минимизации массы и габаритов трансформаторов.

2. Разработано математическое описание систем автоматического регулирования многотактных активных выпрямителей для работы с асинхронным генератором, сетью и нагрузками, системы автоматического регулирования многотактным инвертором напряжения, системы автоматического регулирования многотактным широтно-импульсным преобразователем.

3. В разработанных системах регулирования предусмотрено:

— обеспечение максимального использования преобразовательного оборудования по напряжению и максимального КПД путем введения в напряжения управления составляющих нулевой последовательности и работе в режиме ШИМ с небольшой перемодуляцией;

— снижение искажений токов, напряжений и, соответственно, вибраций генератора при снабжении его реактивной мощностью от наиболее мощного и, соответственно, наиболее многотактного активного преобразователя.

Глава 4 Компьютерное моделирование и исследования АЭЭС.

§ 4.1 Разработка программного обеспечения.

Комплекс рассмотренных в предыдущих параграфах математических моделей элементов и АЭЭС в целом реализован в среде программирования С++ Builder [74] в виде комплекса компьютерных моделей. Все программные модули, относящиеся к модели конкретной системы, а также файлы с данными и результатами размещены в отдельной директории. Программные модули, используемые во многих моделях систем, выделены в отдельную директорию и из них образована библиотека. На рис. 4.1 изображен дисплей при работе с конкретной программой в среде С++ Builder.

I э" ЕЛ Swrti S#eI.

03-в JJ «lw>"< feu» ш"!'1″ «'Щ&—.

SU^fMdSoii Win321 ОМСМа КЮ | l""e>ul М.1МЧЧ"! ЫаяНМШ! ll"ii'l'|.

IS 3®* % АКЗам ^ s I шМШшШш.

ШШЯШШЯШш.

I up. I: ,.WA'l.

MwfVJSQс^)Ссг<�юКу"*аод>! DanDl. donl DACl.wl He (Rea7.5} R"fiaanftft| en2In] [ 1] - SD2->Ecna[n] [0) — Преобразование моста * трехфазной обмотки t keie (Ni"ost, Kvl, Ee"l, ttJ, Kel, Eepl, Xel) — цепь выпрямленного re Преобразование моста я трехфазной обмотки в цепь выпрямленного гс Kem (NTOSC, Kv2, Eem2, 7X2., Ке2, Еер2, Хе2);

Расчет произвояной выпрямленного тока 1 пускового устройства it (Kel[0] «» О || Kel[l]—0) Ppl[3][0] - 0;

11 |Kel[01″ l t" Kel Ш~1) Ppl[3][0] - (Eepl[0]+Eepl[l]-R"lr"lpl[3) t" - (XeX[0] +Xel[l.

Ppl[3] [1]-Ppl[3] [0];

Расчет прокзволяой выпрямленного то> 11 (Кв2[0]" 0 II Ке2[1]"0) Рр2[3][0] It (Re210]" 1 СС Ке2[1]"1) Рр2[Э][0].

Рр2 [3] [1] «Рр2 [3] [0] ;

I 2 пускового устройства ог м (Еер2 [О]+Еер2 [ 1]-Rdc*Ip2 [3] / (Хе2 [0] +Хег [ j.i.г Произвояные фазных токов моста 1 пускового устройства *pi"(Nmost, Kvl, Eeml, Xkl, Ppl]: tor (int n-0- n<3- n++) pln"l[n] [0] «Ppl[n][l) — Производные фазных токов моста 2 пускового устройства kpm (Nmost, Kv2, Eem2, «c2, Pp2) — tor (int n-0- n<3- n++) plnn>2[n][0] - Pp2[n][l]> Расчет производных токов фаз сети ple[0] - (Ppl[0] [0] -f (Рр2[0] [0]-Рр2[1] [0])/q3)/kt + pl?5[0] + pl?7[ dIsГ11 — (Polfll Г01 + (Po2fll fQI-Pd2Г21.Г011/o3l/lct + п1?5Г11+ в!?7Г: teart jlj0iC++fcAterJ glAoKywfrt-Wcro^W.}.

15KW.

Рис. 4.1 Дисплей при работе с моделью в среде С++ Builder.

Комплекс программ снабжен новой графической оболочкой. Она разработана в среде программирования С++ Builder для использования описанных выше математических моделей.

Новая оболочка позволяет осуществлять выбор программ и исходных данных, осуществлять запуск программ, выполнять визуальный анализ диаграмм мгновенных значений переменных в процессе расчета и после его окончания, выполнять гармонический и частотный анализ кривых, анализ трехфазных систем методом симметричных составляющих и др. На рис. 4.2 изображен дисплей в процессе выполнения расчета по одной из программ с использованием рассматриваемой оболочки.

Jfisiartj 'Ji 0 — | аПДжуигнт" • fbroxK W. jfe, Con"wnil3 15:01.

Рис. 4.2 Дисплей в процессе выполнения расчета.

В верхней части дисплея расположено меню. В нижней части красная полоса показывает долю затраченного времени относительно общего заданного времени расчета. В средней части экрана на нескольких осях размещены кривые мгновенных значений переменных. Справа указаны обозначения переменных и их текущие мгновенные значения.

Меню содержит кнопки: File, Edit, View, Tools, Calculation.

Кнопка File содержит подменю с кнопками: Open Result, Open Model, Save As, Save, Print, Close Model, Exit.

Кнопка Edit содержит подменю с кнопками: Исходные данные, Редактирование текста, Редактор свойств кривых.

Кнопка View содержит подменю с кнопками: Интервал времени, Параметры вывода, Показ значений (по курсору, по концу строки).

Кнопка Tools содержит подменю с кнопками: Нанесение надписей, Частотный анализ, Гармонический анализ, Преобразование в DXF формат (для преобразования файла с результатами в формат, воспринимаемый графической системой AutoCAD).

Кнопка Calculation содержит подменю с кнопками: Вывод на экран, Параметры расчета, Старт, Стоп, Очистка.

На рис. 4.3 изображен дисплей при задании параметров гармонического анализа кривых и анализа методом симметричных составляющих (ни в MATLAB, ни в других известных средах моделирования анализ кривых методом симметричных составляющих не предусмотрен).

Г U21 $~U31.

С111.

Г!(5.

Г 117 rim.

Г 1.13.

Г 1(18.

Г «24 f A*aV1 }Г A*aV2 |F7ld1.

Fld2 IT AMI H" Alal2 «» lufl.

Г|"С jTUwfl p U"d? P 111.

Ffe Ш View Took CikUstfcm ЯйОовпЗм-Д — F5.

Свойства |Г"рмони"схий*м/"а| 4*crowert"имв} {Напряжение 1 фазы сети 6 кВ. В Обозначение кривой Масштаб по вертикали Толщина пера Горизонтальная ось Размерность Цвет кривой.

0.005 jj si.

I" У Приманить в.

Г Вывести яействцющее значение кривой ^ Г Вывести среднее значение кривой.

Г — - .

•Состояние: Расчет окончи |Конеи расчете — 10с.

5tart|iJ СЗ 0 jj ffC-t-HMdarSI Bj Документ! -frtaotoft W.||feCmnriml3.

Рис. 4.3 Дисплей при задании параметров гармонического анализа.

Комплекс программ и графическая оболочка в среде программирования С++ Builder разработаны Прониным М. В. и Воронцовым А.Г.

§ 4.2 Выбор режимов работы АЭЭС для исследований.

Основные задачи исследований АЭЭС на компьютерных моделях:

— подтверждение работоспособности предложенной многоканальной АЭЭС с многофазным генератором и несколькими активными преобразователями в установившихся, переходных и аварийных режимах работы;

— подтверждение эффективности предложенных алгоритмов управления АЭЭС в установившихся, переходных и аварийных режимах работы;

— оптимизация параметров и настроек АЭЭС для минимизации массы и габаритов оборудования, повышения КПД, минимизации искажений токов генератора, повышения быстродействия и др.

Для решения указанных задач выполнены исследования и расчеты ряда режимов работы АЭЭС:

— номинальный режим работы АЭЭС — АВ1 работает с мощностью Р|Н, АВ2 и ИН — с мощностью Р2и, АВЗ и ШИП — с мощностью Р3н;

— активная мощность АВ1 равна 0 и он обеспечивает поддержание номинального напряжения генератора, АВ2 и ИН работают с мощностью />2ш АВЗ и ШИП — с мощностью Р3н;

— пуск АЭЭС от маломощного источника электроэнергии;

— наброс и сброс нагрузки АВ1 при постоянной нагрузке АВ2 и АВЗ;

— наброс и сброс нагрузки АВ2 при постоянной нагрузке АВ1 и АВЗ;

— наброс и сброс нагрузки АВЗ при постоянной нагрузке АВ1 и АВ2;

— короткое замыкание цепи выпрямленного напряжения АВ 1.

§ 4.3 Исходные данные для расчета режимов работы АЭЭС.

При расчетах АЭЭС использованы параметры шестифазного асинхронного генератора, приведенные в табл.4.1. Исходные данные по трансформаторам приведены в табл.4.2. Все параметры генератора постоянны, кроме индуктивности намагничивания. В индуктивности намагничивания учитывается насыщение генератора по основному магнитному потоку.

Каждый трансформатор имеет две первичные обмотки и одну вторичную обмотку. Первичные обмотки — одна соединена в звезду, другаяв треугольник. Указанным соединением обмоток обеспечивается возможность питания трансформатора от двух трехфазных систем напряжений генератора, взаимно сдвинутых по фазе на угол 30 эл. град.

Заключение

.

Решена проблема построения АЭЭС нового типа на основе быстроходного многофазного асинхронного генератора и нескольких многотакт-ных активных полупроводниковых преобразователей. Осуществлен переход от использования математических моделей составляющих частей АЭЭС к общей математической модели всей АЭЭС. Это позволило анализировать установившиеся, переходные и аварийные режимы работы всей системы. При этом решены следующие задачи.

1. Разработана структура АЭЭС с асинхронным генератором и активными полупроводниковыми преобразователями, отличающаяся использованием шестифазного генератора, наличием нескольких гальванически развязанных каналов электроснабжения, применением нескольких активных преобразователей, использованием трансформаторов для гальванической развязки только в маломощных каналах, а также таким распределением функций управления между активными преобразователями, при котором возбуждение генератора осуществляется преобразователем в основном канале электроснабжения, обеспечивается высокий КПД и минимальные габариты.

2. Разработана методика моделирования и создан комплекс уточненных моделей АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями различного типа, построенные по методологии моделирования сложных систем по взаимосвязанным подсистемам. В модели асинхронной машины учтено вытеснение токов в контурах ротора и статора, учтены потери энергии в стали ротора и статора, а также добавочные потери. В полупроводниковых преобразователях учтены статические и динамические потери энергии в полупроводниковых элементах, их зависимость от напряжения, от температуры. Методами преобразования электрических схем и уравнений обеспечена устойчивость вычислительных процессов при использовании моделей.

3. Разработана структура системы регулирования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями. Определены задачи регуляторов различных устройств, между регуляторами распределены функции управления. Разработанные алгоритмы управления внесены в математические и компьютерные модели системы.

4. При использовании компьютерных моделей выполнены исследования АЭЭС с многофазным асинхронным генератором и несколькими многотактными активными преобразователями. В результате анализа установившихся, переходных и аварийных режимов работы подтверждена работоспособность системы в целом в части взаимодействия силовых устройств и устройств управления, выбраны основные параметры элементов, определены нагрузки элементов (АГ, трансформаторов, дросселей, конденсаторов, модулей IGBT).

5. Выполнены экспериментальные исследования макета системы с трехфазным асинхронным генератором и активным выпрямителем, а также системы с шестифазной асинхронной машиной и несколькими транзисторными преобразователями. Экспериментами и тестовыми расчетами подтверждена адекватность разработанных математических и компьютерных моделей и их точность, достаточная для принятия технических решений в практике проектирования систем. Подтверждена необходимость учета вытеснения токов в контурах мощных электрических машин, работающих с полупроводниковыми преобразователями с ШИМ. Подтверждена необходимость учета в моделях потерь энергии в стали и добавочных.

6. Разработаны рекомендации для проектирования многоканальной АЭЭС с быстроходным генератором и несколькими активными преобразователями. Предложено:

— использовать асинхронный шестифазный турбогенератор;

— в цепях питания нагрузок по различным каналам использовать активные преобразователи на модулях IGBT;

— гальваническую развязку каналов электроснабжения осуществить трансформаторами в маломощных каналах при отсутствии трансформаторов в наиболее мощном канале;

— для улучшения качества электроэнергии на входе и выходе активных полупроводниковых преобразователей и для улучшения массогабаритных характеристик конденсаторов выполнять преобразователи много-тактными;

— осуществлять возбуждение асинхронного генератора активным преобразователем наиболее мощного канала электроснабжения, не содержащим трансформаторы;

— в менее мощных каналах электроснабжения, содержащих трансформаторы, обеспечивать регулирование потребляемых от генератора токов с коэффициентом мощности, равным 1;

— в канале электроснабжения без трансформаторов, обеспечивать работу активного преобразователя в режиме ШИМ с введением составляющих нулевой последовательности тройной частоты в напряжения управления и при перемодуляции порядка 3−6% для уменьшения динамических потерь энергии в модулях IGBT активного преобразователя и повышения КПД системы;

— при проектировании систем следует широко использовать компьютерные модели для сокращения экспериментов и снижения вследствие этого стоимости работ.