ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
ELECTROMECHANICAL SYSTEM

Изобретение относится к области распределенной генерации, а именно касается повышения запаса динамической устойчивости автономных электроэнергетических систем.
Устойчивость энергосистемы - это способность ее возвращаться в исходное состояние при малых или значительных возмущениях. По аналогии с механической системой установившийся режим энергосистемы можно трактовать как равновесное ее положение.
Параллельная работа генераторов электрических станций, входящих в энергосистему, отличается от работы генераторов на одной станции наличием линий электропередачи, связывающих эти станции. Сопротивления линий электропередачи уменьшают синхронизирующую мощность генераторов и затрудняют их параллельную работу. Кроме того, отклонения от нормального режима работы системы, которые происходят при отключениях, коротких замыканиях, внезапном сбросе или набросе нагрузки, также могут привести к нарушению устойчивости, что является одной из наиболее тяжелых аварий, приводящих к перерыву электроснабжения потребителей. Поэтому изучение проблемы устойчивости очень важно, особенно применительно к линиям электропередачи переменным током. Различают два вида устойчивости: статическую и динамическую.
Статической устойчивостью называют способность системы самостоятельно восстановить исходный режим при малых и медленно происходящих возмущениях, например при постепенном незначительном увеличении или уменьшении нагрузки.
Динамическая устойчивость энергосистемы характеризует способность системы сохранять синхронизм после внезапных и резких изменений параметров режима или при авариях в системе (коротких замыканиях, отключениях части генераторов, линий или трансформаторов). После таких внезапных нарушений нормальной работы в системе возникает переходный процесс, по окончании которого вновь должен наступить установившийся послеаварийный режим работы.
На данный момент в России имеются серии работ, посвященных проблеме повышения запаса динамической устойчивости синхронных электрических генераторов при условиях работы в изолированных энергетических системах. Абрамович Б.Н. [Активная компенсация провалов и искажений напряжения в системах электроснабжения нефтедобывающих предприятий // Промышленная энергетика. 2012. №4. С. 23-25] предлагает метод поддержания запаса динамической устойчивости с использованием оценки допустимого уменьшения напряжения. К сожалению, данный подход не позволяет обеспечить развитие автономной энергосистемы в перспективе без внедрения дорогостоящих резервов активной мощности. Беляев А.Н. [Повышение динамической устойчивости автономных энергосистем нефтегазодобывающих комплексов на основе электрического торможения // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. - 2008. - №.63. - С. 163-169] рассматривает применение электромагнитного тормоза для увеличения запаса динамической устойчивости автономной энергосистемы. Однако высокая постоянная времени (от 1 до 5 сек) не позволяет обеспечить достаточного быстродействия турбины, так как время изменения угла нагрузки в случае внешних или внутренних возмущений между ЭДС генератора и энергетической системы может составлять десятые доли секунды. За этот период происходит рассогласование угла нагрузки между ЭДС системы и генератора.
Основным способом повышения устойчивости является увеличение предела передаваемой мощности. Этого можно достичь повышением ЭДС генераторов, напряжения на шинах нагрузки или уменьшением индуктивного сопротивления линии.
Известна электроэнергетическая система, состоящая из двигателя, выполненного с функцией преобразования тепловой энергии во вращение выходного элемента и кинематически связанного с по крайней мере одним генератором, который через блок измерения частоты сети, напряжения, фазы, угла нагрузки связан с потребителем (см. F. Blaabjerg, Z. Chen, R. Teodorescu, F. Iov «Power Electronics in Wind Turbine Systems», IEEE, 2006, fig. 8, Дания, копия прилагается).
В данном известном решении рассматриваются схемы электрической коммутации для нейтрализации аварийных режимов, сильно усложняющих систему в целом. Последнее обусловлено тем, что в кинематической цепи связи турбины с генератором устанавливают механический редуктор постоянного передаточного отношения.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в эксплуатационной надежности электроэнергетической системы за счет трансформации отношения между тихоходным и быстроходными валами для исключения режима аварийного перехода генераторов в асинхронный режим работы.
Указанный технический результат достигается тем, что электромеханическая система, состоящая из двигателя, выполненного с функцией преобразования тепловой энергии во вращение выходного элемента и кинематически связанного по крайней мере с одним генератором, который через блок измерения частоты сети, напряжения, фазы, угла нагрузки связан с потребителем, снабжена электромагнитной трансмиссией с переменным передаточным отношением, размещенной в кинематической цепи связи двигателя с по крайней мере одним генератором и выполненной в виде кольцевого ротора синхронной машины с постоянными магнитами, внутри которой размещен ротор асинхронной машины с вращающимся магнитным полем, созданным постоянными магнитам. Переменное передаточное отношение осуществляется путем добавления многофазной обмотки управления, которая обеспечивает изменение передаточного отношения между тихоходным и быстроходным валами. При этом следует учесть, что обмотка управления имеет малую постоянную времени и, следовательно, высокое быстродействие.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема электромеханической системы;
фиг. 2 - пример исполнения электромеханической системы по схеме на фиг. 1;
фиг. 3 - пример исполнения электромагнитной трансмиссии с переменным передаточным отношением;
фиг. 4 - результаты расчета электромагнитного момента быстроходного вала при изменении числа пар полюсов тихоходного вала;
фиг. 5 - результаты расчета электромагнитного момента быстроходного вала при изменении числа пар полюсов быстроходного вала;
фиг. 6 - картина магнитного поля, созданного обмоткой управления при нормальном режиме;
фиг. 7 - картина магнитного поля, созданного обмоткой управления при перегрузке.
фиг. 8 - схема модели в MATLAB™ Simulink ветроэнергетической установки с электромагнитной трансмиссией с переменным передаточным отношением;
фиг. 9 - представлены результаты расчета тока при нормальном режиме и перегрузке (аварийном режиме) для схемы модели по фиг. 8;
фиг. 10 - представлены результаты расчета напряжения при нормальном режиме и перегрузке (аварийном режиме) для схемы модели по фиг. 8;
фиг. 11 - анализ электромагнитного момента быстроходного вала электромагнитной трансмиссии с переменным передаточным отношением
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция электромеханической системы, выполненной с функцией электромеханической трансформации с переменным передаточным отношением между тихоходным и быстроходным валами связи двигателя с генератором.
В децентрализованной распределительной электроэнергетической системе, состоящей из нескольких источников электрической энергии, однофазное замыкание наблюдается при 70% случаев от общего числа возмущений, которые являются аварийными с последующим отключением поврежденного генератора. При этом нарушается баланс выработки и потребления энергии, при котором остальные генераторы не позволяют обеспечить необходимую мощность. В связи с этим происходят снижение частоты и отключение части потребителей, которые приводят к нарушению электроснабжения. В условиях ограниченной мощности энергосистемы данный вид нарушений может привести к асинхронному режиму оставшихся в работе синхронных генераторов.
В общем случае электроэнергетическая система состоит из двигателя, выполненного с функцией преобразования тепловой энергии во вращение выходного элемента и кинематически связанного с по крайней мере одним генератором, который через блок измерения частоты сети, напряжения, фазы, угла нагрузки связан с потребителем (фиг. 1). Такая система снабжена электромагнитной трансмиссией с переменным передаточным отношением, размещенной в кинематической цепи связи двигателя с по крайней мере одним генератором и выполненной в виде кольцевого ротора синхронной машины с постоянными магнитами, внутри которой размещен ротор асинхронной машины с вращающимся магнитным полем, созданным постоянными магнитами. Переменное передаточное отношение осуществляется путем добавления многофазной обмотки управления, которая обеспечивает изменение передаточного отношения между тихоходным и быстроходным валами. При этом следует учесть, что обмотка управления имеет малую постоянную времени и, следовательно, высокое быстродействие.
На фиг. 1 представлено настоящее решение централизованной электромеханической системы, которая в блочном исполнении состоит из турбины 1, кинематически связанной с генератором 2, который через блок 3 измерения частоты сети, напряжения, фазы, угла нагрузки связан с потребителем 4 (с последним также может быть связана автономная энергетическая система 5). Основная концепция состоит в сочетании синхронного генератора и электромагнитной трансмиссии с переменным передаточным отношением.
Основой компоновки электромеханической системы является электромагнитная трансмиссия 6 с переменным передаточным отношением (фиг. 2), размещенная в кинематической цепи связи турбины с генератором. Основная концепция состоит в сочетании синхронного генератора и электромагнитной трансмиссии с переменным передаточным отношением. Благодаря единовременному измерению частоты сети, напряжения, фазы, угла нагрузки (в блоке 3) осуществляется организация управляющего воздействия на преобразователь частоты 7, который подает переменную частоту на обмотку управления трансмиссии (фиг. 3).
Компоновочное решение такой электромеханической системы в одном из частных вариантов применительно к ветроэнергетической установке на базе электромагнитной трансмиссии и синхронного генератора представлено на фиг. 2, где лопастное колесо 8, получающее вращение от воздушного потока (ветровой напор), через электромагнитную трансмиссию 6 связано с генератором 2, который имеет связь с потребителем 4. При этом возможно подключение электромагнитной трансмиссии 6 и генератора 2 через инверторы 9 с аккумуляторным блоком 10 (аккумуляторной батареей). Происходит преобразование кинетической энергии природного явления в механическую энергию преобразования в электрическую энергию.
Данное решение состоит в технологии псевдопрямой трансмиссии с переменным передаточным отношением (фиг. 3). Суть разработки заключается в применении электромагнитной трансмиссии, где передача механической энергии от тихоходного вала 11 к быстроходному валу 12 осуществляется благодаря электромагнитному преобразованию, возникающему между быстроходным и тихоходным звеном с разным числом пар полюсов из постоянных магнитов 13. Переменное передаточное отношение осуществляется путем добавления обмотки управления 14 (фиг. 2), которая обеспечивает изменение скольжения тихоходного вала по отношению к быстроходному [Henk Polinder, J.F. Ferreira, B.B. Jensen, A.B. Abrahamsen, K. Atallah and R.A. McMahon «Trends in Wind Turbine Generator Systems», IEEE Journal of emerging and selected topics in power electronics, Vol. 1, NO. 3, September 2013]. Позиция 11 также показывает ярмо внешнего статора, а поз. 15 - короткозамкнутую обмотку тихоходного звена.
Такая псевдопрямая трансмиссия 6 с переменным передаточным отношением размещается, например, в электромеханической системе между турбиной 1 и генератором 2. Анализ электромагнитной трансмиссии показал, что данная машина состоит из двух компонентов: синхронной машины с постоянными магнитами, как звено изменения передаточного отношения, и звена электромеханической трансформации или асинхронной машины с вращающимся магнитным полем, созданным постоянными магнитами. Эта трансмиссия, по сути, представляет собой электромеханический трансформатор с переменным передаточным отношением.
Изобретение охватывает вопросы повышения запаса динамической устойчивости путем стабилизации угла нагрузки. Благодаря малой постоянной времени, обмотки управления и способности обеспечить двухсторонний обмен энергией, например, с аккумуляторной подстанцией возможно достичь высокое быстродействие и обеспечить стабилизацию скорости вращения генератора при воздействии какого-либо возмущения.
Sd
Sq
Rd
Rq
Sq
Rd
T
T
Математическая модель звена электромеханической трансформации основана на принятии в качестве переменных состояния магнитных потоков вместо токов. Таким образом, считая Ψ=[ΨΨΨΨ]=[ΨΨ] вектором состояния и определяя вектор входных переменных напряжения U, получаем уравнение динамики потоков [Удалов С.Н. Моделирование ветроэнергетических установок и управление ими на основе нечеткой логики: монография / С.Н. Удалов, В.З. Манусов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 200 с.]:
s
s
s
h
h
S
S
R
S
R
Sd
Rd
Rd
Rq
2
<mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msubsup><mi>L</mi><mi>m</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>L</mi><mi>s</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>L</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mi>R</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>i</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>d</mi></msub></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>Ф</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>q</mi></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mi>R</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>i</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mi>q</mi></msub></mrow></msub></mrow>
где α=1/(1+(σ·ω·L/R)),
, ω=p·Ω - скорость ротора в электрических радианах в секунду, рад/с (где Ω - скорость вращения ротора генератора); ω=dθ/dt - частота вращающегося поля статора, рад/с; R, R - сопротивления статора и ротора, L, L - индуктивности статора и ротора; V, V, V=V=0 - d-q - составляющие напряжений статора и ротора соответственно;
,
- d-q составляющие магнитного потока ротора.
На фиг. 4 и 5 представлены результаты расчета электромагнитного момента при изменении числа полюсов как тихоходного звена (фиг. 4), так и быстроходного (фиг. 5).
0
Модель обмотки управления может быть получена в d-q-координатах ротора; переход от фазных координат (a, b, c) к координатам (d-q) может быть осуществлен при помощи преобразований Парка-Горева [Henk Polinder, J.F. Ferreira, B.B. Jensen, A.B. Abrahamsen, K. Atallah and R.A. McMahon "Trends in Wind Turbine Generator Systems», IEEE Journal of emerging and selected topics in power electronics, Vol. 1, NO. 3, September 2013]. Затем, пренебрегая напряжением смещения нулевой точки - U, благодаря свойству симметрии, модель СГПМ в координатах d-q приобретает вид:
d
q
d
q
S
где R - сопротивление статора; u, u - соответственно d и q составляющие напряжений статора; L и L - индуктивности по осям d и q; ω - скорость вращения электромагнитного поля статора,
d
q
m
где Ф и Ф - магнитные потоки по осям d и q; Ф - поток, имеющий постоянную величину из-за наличия постоянных магнитов на роторе. Таким образом, модель, описываемая системой уравнений 2, приобретает вид:
Электромагнитный момент определяется по формуле:
d
q
где p - количество пар полюсов. Если постоянные магниты установлены на поверхности ротора, то L=L и электромагнитный момент равен:
При работе машины в режиме двигателя формула приобретает вид:
Для анализа магнитного поля сектора управления электромагнитной трансмиссии использовался метод конечных элементов.
На фиг. 6 и 7 представлен анализ полевых расчетов магнитных полей в двух режимах: нормальном (фиг. 6) и в режиме перегрузки (фиг. 7). В качестве материала постоянных магнитов применяются постоянные магниты с высокой коэрцитивной силой [Удалов С.Н. Моделирование ветроэнергетических установок и управление ими на основе нечеткой логики: Монография / С.Н. Удалов, В.З. Манусов. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - 200 с.]. Из анализа магнитной цепи управления машины следует, что при двух режимах основные компоненты машины не выходят в область насыщения.
На фиг. 8 представлена модель электромагнитной трансмиссии в составе ветроэнергетической установки в программе MATLAB™ Simulink. Для реализации управления передаточным отношением была использована синхронная машина с постоянными магнитами с учетом параметров схемы замещения звена управления передаточным отношением. Регулирование скоростью вращения синхронной машины осуществляется с помощью частотного преобразователя со вставкой постоянного тока. Через шины фаз А, В, и С производится подключение к системе электроснабжения небольшой мощности, состоящей из подобных систем, связанных между собой сопротивлениями связи.
На фиг. 9 и 10 представлены результаты расчета тока и напряжения при нормальном режиме и перегрузке.
На фиг. 11 представлены результаты исполнения алгоритма, поддерживающего запас устойчивости автономной энергетической системы. Представлены исследования механического момента во время возмущений при изменении механического момента трансмиссии. В рамках развития исследования электромеханической трансформации предполагается использовать различные варианты векторного управления трансмиссией, которые позволят исключить значительные перерегулирования момента или скорости.