Моделирование параллельной работы бортовой системы электроснабжения переменного тока в пакете Matlab

УДК 629.735

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПАКЕТЕ MATLAB

Ю.П. АРТЁМЕНКО, А.Г. ДЕМЧЕНКО

Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузнецовым С.В.

Данная статья посвящена моделированию в среде MATLAB электроэнергетических систем. Рассматривается моделирование параллельной работы бортовой системы электроснабжения (СЭС) переменного тока.

Ключевые слова: система электроснабжения, переменный ток, моделирование.

Вопросам моделирования электроэнергетических систем и их элементов посвящены многочисленные работы [1; 2; 3; 4]. В данной работе модели элементов СЭС реализованы в системе MATLAB. Пакет Simulink, поставляемый вместе с MATLAB, предназначен для интерактивного моделирования нелинейных динамических систем. Ранее созданные в этой среде модели одноканальной бортовой СЭС [5] позволили перейти к моделированию параллельной работы генераторов, исследование которой продолжает оставаться актуальной задачей, имея в виду известные преимущества и проблемы, связанные с ее применением, а также возможностью возникновения параллельного включения при некоторых аварийных ситуациях.

Моделирование параллельной работы бортовой СЭС переменного тока

При моделировании параллельной работы СЭС за основу была взята типовая структурная схема параллельной работы СЭС среднемагистрального самолета (рис. 1).

Рис. 1. Структурная схема параллельной работы генераторов:

АД - авиадвигатель; ППО - привод постоянных оборотов; СГ - трехфазный синхронный генератор; БРН - блок регулирования напряжения; БЗУ - блок защиты и управления; БТТ - блок трансформаторов тока; БКР - блок коррекции частоты

Ниже приводятся модели элементов СЭС, выполненные в среде МЛТЬЛБ.

Моделирование авиационного синхронного генератора

При моделировании синхронного генератора использовалась модель, реализованная в библиотеке SimPowerSystems - Synchronous Machine, модель классической синхронной машины с демпферной обмоткой. Параметры этой машины задаются в системе относительных единиц.

Моделирование регулятора напряжения

Регулятор напряжения может быть представлен, как показано в [3], упрощенным уравнением, учитывающим наличие в реальных регуляторах цепи параллельной коррекции, образованной путем охвата усилителя регулятора гибкой обратной связью по току возбуждения возбудителя

U„ = DU - K2 • piee,

где Uв - напряжение возбуждения возбудителя; ie - ток обмотки возбуждения возбудителя;

U0 - установка регулятора напряжения; U - напряжение генератора; DU = U - U0 - приращение напряжения генератора; K1 - коэффициент усиления регулятора по приращению напряжения; К2 - коэффициент обратной связи по производной тока ів; p - оператор Лапласа. Уравнение цепи возбуждения возбудителя генератора

Uee = Ree • iee + Lee- Piee ,

где Ree - активное сопротивление обмотки возбуждения возбудителя; Lee - индуктивность обмотки возбуждения возбудителя.

В результате совместного решения уравнений (1) и (2) получим

Рів =^~Ь~ Ki DU - R,e i,e ].

K 2 + Lee

Выполняя далее необходимые преобразования, получаем математическую модель регулятора напряжения

R

pU f = K

K2 + L

2 e

Кв '

где иf = Кв  іее - напряжение возбудителя; Кв - коэффициент пропорциональности между напряжением возбудителя и током возбуждения возбудителя.

Для равномерного распределения реактивных нагрузок между параллельно работающими генераторами в модели данного регулятора предусмотрен датчик распределения реактивных токов. Датчик распределения реактивных токов формирует напряжение, пропорциональное отклонению реактивного тока генератора от среднего значения реактивных токов параллельно работающих генераторов.

На основе уравнения (4) реализуется следующая модель регулятора напряжения (рис. 2), содержащая датчик распределения реактивных токов. На вход “1” подается требуемое напряжение (уставка регулятора напряжения), на вход 2 подается выходной вектор параметров, содержащий продольную и поперечную составляющие напряжения статора генератора. На входы “3” и “4” подаются выходные векторы параметров каждого из генераторов, содержащие продольные и поперечные составляющие токов статора каждого из параллельно работающих генераторов. На вход “5” подается логический сигнал о включении параллельной работы генераторов. На выходе получается напряжение возбуждения основного генератора.

Моделирование привода постоянной частоты вращения

Для стабилизации частоты тока вал синхронного генератора приводится во вращение от привода постоянной частоты вращения (ППЧВ), который обеспечивает постоянство угловой скорости ротора генератора. Для равномерного распределения активных нагрузок между парал-

лельно работающими генераторами в модели данного ППЧВ предусмотрен датчик распределения активных токов. Датчик распределения активных токов формирует напряжение, пропорциональное отклонению активной мощности генератора от среднего значения активных мощностей параллельно работающих генераторов.

рг И.; I

Рис. 2. Модель регулятора напряжения

В данной работе используется смоделированная в среде МЛТЬЛБ математическая модель ППЧВ, в состав которой входит ПИ-регулятор и датчик распределения активных токов (рис. 3). На вход “1” подается требуемое значение угловой скорости вращения ротора генератора, на вход “2” - текущее значение угловой скорости вращения ротора генератора. На вход “3” - текущее значение угловой скорости вращения авиадвигателя, на вход “4” - сигнал с синхронизатора, необходимый для обеспечения включения генераторов на параллельную работу. На входы “5” и “6” подаются выходные векторы генераторов, содержащие активные мощности каждого из генераторов. На вход “7” подается логический сигнал о включении параллельной работы генераторов. На выходе получается значение механического момента.

Моделирование активного синхронизатора

Рассмотрим модель активного синхронизатора.

Модель предусматривает три основных условия, обеспечивающих включение генераторов на параллельную работу:

• максимальное рассогласование частот, включаемых на параллельную работу генераторов, должно быть не более 8 Гц;

• максимальный сдвиг между фазами включаемых на параллельную работу генераторов не должен превышать 20 °;

• разность напряжений включаемых на параллельную работу генераторов не должна превышать 20 В.

На основании вышеуказанных условий в среде МЛТЬЛБ реализуется следующая модель активного синхронизатора (рис. 4).

Рис. 4. Модель активного синхронизатора в среде МЛТЬЛВ

На входы “1” и “2” подаются значения угловых скоростей вращения роторов каждого из генераторов. На входы “3” и “4” подаются значения угловых положений роторов каждого из генераторов. На входы “5” и “6” подаются значения напряжений каждого из генераторов. На выходе “1” формируется логический сигнал, обеспечивающий включение параллельной работы генераторов. Наличие логической “единицы” на выходе “1” дает разрешение на включение параллельной работы генераторов. На выходе “2” формируется сигнал, пропорциональный разности угловых положений роторов генераторов, который затем подается в ППЧВ. Это необходимо для выравнивания частот и синхронизации угловых положений роторов генераторов перед их включением на параллельную работу.

Проведем исследования нормальных и аварийных режимов при параллельной работе СЭС переменного тока. При этом во всех случаях используем модели генератора ГТ30НЖЧ12 и регулятора напряжения БРН120Т5А.

Эксперимент № 1. Включение генераторов на параллельную работу при угле рассогласования положений их роторов в 20 градусов. На рис. 5, 6 представлены переходные процессы эксперимента.

Из рис. 5, 6 видно, что при включении генераторов на параллельную работу при угле между положениями роторов генераторов в 20 градусов наблюдаются броски токов генераторов, вызванные колебаниями активной и реактивной мощностей в системе. Процесс вхождения генераторов в синхронизм носит колебательный характер.

Эксперимент № 2. Включение генераторов на параллельную работу при угле рассогласования положений их роторов в 180 градусов. На рис. 7 представлены переходные процессы эксперимента.

При включении генераторов на параллельную работу при угле рассогласования их роторов в 180 градусов возникает максимальный уравнительный ток, этот процесс равносилен трехфазному короткому замыканию. Из рис. 7 видно, что ударный ток короткого замыкания равен 630 А, установившийся ток короткого замыкания равен 540 А.

Рис. 5. Переходный процесс по углу рассогласования положений роторов генераторов

Рис. 6. Переходные процессы по действующим значениям токов генераторов

<Э1а1ог сиггеп* 11 (ри)>

700 600 500 400 300 200 100 <51а1ог сиггеп* 12 (ри]>

0.48 0.49 0.5 0.51 0.52 0.53 0.54 0.55

Рис. 7. Переходные процессы по действующим значениям токов генераторов

В ходе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В данной работе разработана модель параллельной работы бортовой СЭС переменного тока, разработаны модели регулятора напряжения, привода постоянной частоты вращения, активного синхронизатора.

2. Результаты исследования нормальных, ненормальных и аварийных режимов показывают достаточно точное соответствие процессам, происходящим при параллельной работе в реальных системах.

3. Моделирование параллельной работы системы электроснабжения и ее исследование как модели позволяет более детально изучить параллельную работу СЭС при различных режимах как нормальных, так и ненормальных и аварийных. В связи с этим, появляется возможность контролировать поведение СЭС при любом ненормальном режиме, тем самым значительно снижая вероятность возникновения аварийных ситуаций в полете. Как следствие, это приводит к значительному повышению уровня безопасности полетов. Помимо этого, благодаря моделированию можно контролировать весовые характеристики элементов СЭС и, тем самым, управлять весовой отдачей всей СЭС, что является очень важным требованием, предъявляемым к самолетному оборудованию вообще и к СЭС в частности, в условиях рыночной экономики.

4. Разработанную модель можно использовать при проектировании и испытании новых элементов СЭС: синхронных генераторов, регуляторов напряжения, приводов постоянной частоты вращения.

5. Данная модель может также быть эффективно использована в учебном процессе при подготовке и переподготовке авиационных специалистов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - М.: Энергия, 1980.

2. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Логос, 2000.

3. Синдеев И.М., Савёлов А.А. Системы электроснабжения воздушных судов. - М.: Транспорт, 1990.

4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystem и Simulink. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008.

5. Артеменко Ю.П., Шарапов С.С. Применение MATLAB в моделировании бортовой СЭС переменного тока // статья в данном Вестнике.

SIMULATION OF PARALLEL WORKING OF ALTERNATE CURRENT AIRBORNE POWER-SUPPLY SYSTEM IN MATLAB

Artemenko Yu.P., Demchenko A.G.

This article is devoted to modeling in MATLAB of electrical power systems. Considered to modeling of parallel working of alternate current airborne power-supply system.

Key words: power supply system, AC, modeling.

Сведения об авторах

Артёменко Юрий Петрович, 1954 г.р., окончил МИИГА (1977), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой электротехники и авиационного электрооборудования МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - цифровое моделирование.

Демченко Алексей Геннадьевич, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов МГТУ ГА, старший преподаватель МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - эксплуатация воздушного транспорта, моделирование электроэнергетических систем.