Исследование режимов работы судовой электроэнергетической системы двойного рода тока

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-97-104 УДК 621.311.26

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДВОЙНОГО РОДА ТОКА

О. А. Бурмакин, Ю. С. Малышев, С. В. Попов, В. В. Гуляев

Волжский государственный университет водного транспорта, Нижний Новгород, Российская Федерация

Рассмотрена целесообразность применения системы двойного рода тока в судовых электроэнергетических системах в условиях применения возобновляемых источников энергии. Приведены и проанализированы карты энергоресурсов по солнечной и ветровой энергии на территории России. Сделаны выводы о целесообразности использования в северных и восточных районах энергии ветра, а в южных - энергии солнца. На сухогрузах, танкерах и наливных баржах альтернативные источники вполне могут обеспечить энергией ходовой режим. Обеспечить совместную работу традиционных и альтернативных источников энергии в комбинированной судовой электроэнергетической системе позволяет система двойного рода тока со встроенной сетью постоянного тока. Приведены и описаны результаты испытаний опытной установки, которая позволяет выполнить параллельную работу различных генераторов в системе двойного рода тока. Выполнены опыты: включение на параллельную работу одного из генераторов; распределение нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами, асинхронными генераторами, между синхронным и асинхронным генераторами; перевод нагрузки и вывод из работы одного из генераторов. Параллельная работа осуществлялась по сети постоянного тока. Перевод нагрузки синхронного генератора осуществляется изменением тока возбуждения, а асинхронного - изменением частоты вращения приводного двигателя. Выявлено, что сеть постоянного тока позволяет подключать на параллельную работу различные источники по мощности, статизму и роду тока; регулировать загрузку за счёт изменения момента на валу приводного двигателя; осуществлять более простое подключение во «встроенную» сеть постоянного тока возобновляемых источников энергии.

Ключевые слова: судовая электроэнергетическая система, возобновляемые источники энергии, система двойного рода тока, параллельная работа генераторов, постоянный ток, напряжение.

Для цитирования: Бурмакин О. А., Малышев Ю. С., Попов С. В., Гуляев В. В. Исследование режимов работы судовой электроэнергетической системы двойного рода тока // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. 2019. № 1. С. 97-104. DOI: 10.24143/2073-1574-2019-1-97-104.

Введение

Актуальность применения гибридных судовых установок, работающих на территории Евразии, обусловливается ростом цен на энергоресурсы, достижениями в науке и технике, а также районом плавания.

На основе анализа карт энергоресурсов по солнечной и ветровой энергии, необходимой электрической мощности судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) в различных режимах работы судов, а также возможности установки альтернативных источников на судно сделаны следующие выводы:

1) на сухогрузах и танкерах альтернативные источники вполне могут обеспечить энергией ходовой режим;

2) на наливных баржах альтернативные источники способны сгенерировать энергию, которая обеспечит нормальную работу баржи и ходовой режим судна-толкача;

3) в северных и восточных районах выгоднее использовать энергию ветра, а в южных -энергию солнца;

4) в качестве ветродвигателя наиболее предпочтительны спиральные ветровые турбины (они производят до 50 % больше электроэнергии в год по сравнению с генераторами с горизонтальной осью вращения и вырабатывают электроэнергию при скорости ветра от 1 до 60 м/с, выдерживают мороз, лёд, песок и влажность) [1];

5) наиболее перспективными для применения на судах являются батареи конической формы, имеющие мощность 1-3,5 кВт. Коническая форма значительно снижает ветровую нагрузку, что позволяет их устанавливать не только на палубе, но и на надстройке [2].

Анализ и исследование различных типов источников на экспериментальной установке

Карты ресурсов солнечной и ветровой энергии представлены на рис. 1.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СУММАРНОЙ

СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ НА НАКЛОННУЮ ПОВЕРХНОСТЬ (УГОЛ РАВЕН ШИРОТЕ) ДЛЯ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

[ВЫПОЛНЕНО НИЛ ВИЗ МГУ И ОИВТ РАН)

Ш: .......

цШп

) Анадырь

('чшсион -

V- '(Л lftCpV Но кила

i .л Opcjflyrpi B-Wwwft»'

Лрсх Р*»««...

1 lupi-iii-Mup :

К Г'ТТ

Сшшшр

'Шяк,

Camiici. кулымкар

.. УлынюккЧ^'МТсрмь

1>оступ-на-До1гу CajMlo* Хрлс1к>дзр *' Сам*ра

МдЦкии уфл l.Kaicpirnfiypi

, '.л*' "i, 1'»мснь

xJ^I 7 \ \

СЛЛрд f

Cypiyi

Рис. 1. Карты энергоресурсов России

Обеспечить совместную работу традиционных и альтернативных источников в комбинированной СЭЭС [3] позволяет система двойного рода тока со встроенной сетью постоянного тока, функциональная схема которой приведена на рис. 2.

Рис. 2. Функциональная однолинейная схема системы двойного рода тока

Система (рис. 2) состоит из источников электроэнергии с различными значениями частоты выходного напряжения, подключенных на общую шину постоянного тока через полупроводниковые выпрямители. К шине постоянного тока также подключены солнечная батарея и аккумулятор для обеспечения питанием потребителей при кратковременном снижении напряжения основного источника ниже допустимого уровня. Потребители переменного тока получают питание через инвертор с регулируемой или стабильной выходной частотой. Для согласования величин напряжения на шинах главного распределительного щита и потребителя используется трансформатор.

Преимущества «встроенной» сети постоянного тока представлены в публикациях различных фирм - разработчиков судового электрооборудования, могут быть обобщены в основные [3]:

— более функциональная планировка и более гибкое размещение электрических компонентов;

— снижение затрат на обслуживание приводных двигателей и их более эффективная работа;

— улучшение динамических характеристик;

— возможность модернизировать СЭЭС и адаптироваться к будущему источнику энергии;

— экономия топлива до 20 %.

С целью проверки некоторых вышеуказанных утверждений были проведены испытания на опытной установке, которая позволяет выполнить параллельную работу различных генераторов в системе двойного рода тока.

Испытания работы электросистемы проводились для следующих режимов:

— включение на параллельную работу одного из генераторов;

— распределение нагрузки между параллельно работающими синхронными генераторами, асинхронными генераторами, между синхронным и асинхронным генераторами;

— перевод нагрузки и вывод из работы одного из генераторов.

Параллельная работа осуществлялась по сети постоянного тока. Перевод нагрузки синхронного генератора осуществляется изменением тока возбуждения, а асинхронного - изменением частоты вращения приводного двигателя.

Результаты испытаний на опытной установке проиллюстрированы на рис. 3-7.

На рис. 3 приведены регулировочные характеристики параллельно работающих синхронных генераторов.

При введении генераторов на параллельную работу на холостом ходу были согласованы их выходные напряжения. Ввиду различных характеристик генераторов ток возбуждения имеет различные значения. Для загрузки генераторов необходимо регулировать их токи возбуждения, при этом значение напряжения должно поддерживаться на номинальном уровне. При выполнении этого условия распределение нагрузки между генераторами происходит практически пропорционально.

Рис. 3. Регулировочные характеристики синхронных генераторов

На рис. 4 обозначены характеристики синхронных генераторов при переводе нагрузки с одного на другой. При этом, ввиду различия генераторов, характеристики имеют разный наклон.

Рис. 4. Характеристики синхронных генераторов Характеристики параллельно работающих асинхронных генераторов приведены на рис. 5.

Частота вращения п, об/мин

Рис. 5. Регулировочные характеристики асинхронных генераторов

Согласование напряжений асинхронных генераторов выполняется за счёт изменения оборотов вала, поэтому начала характеристик не совпадают. Загрузка генераторов выполняется увеличением оборотов с выполнением условия поддержания напряжения на установленном уровне.

При переводе нагрузки (рис. 6) с одного асинхронного генератора на параллельно работающий другой асинхронный генератор наблюдается незначительное изменение напряжения, а сам перевод нагрузки выполняется в узком диапазоне (около 10 %) изменения оборотов вала.

1 У

у

/

/

У \

1 000 1 050 1 100 1 150 1 200 1 250

Частота вращения п, об/мин

Рис. 6. Характеристики асинхронных генераторов

Эксперимент показывает, что в качестве приводного двигателя асинхронного генератора возможно применять двигатели внутреннего сгорания, имеющие малый диапазон регулирования скорости.

Перевод нагрузки с асинхронного генератора на синхронный (рис. 7) выполняется за счёт снижения частоты вращения, а для поддержания напряжения на номинальном уровне было увеличено значение тока возбуждения.

Частота вращения п, об/мин

0 1 2 3 4 5 6 7

Ток возбуждения 1В, А

Рис. 7. Характеристики асинхронного (АГ) и синхронного (СГ) генераторов

В процессе выполнения опыта нагрузка полностью перешла с асинхронного генератора на синхронный без изменения напряжения сети и возникновения потоков обратной мощности.

Заключение

Испытания показали, что, кроме перечисленных достоинств, сеть постоянного тока позволяет:

— подключать на параллельную работу различные источники по мощности, статизму и даже роду тока. При этом обеспечивается защита от обратной мощности за счёт выпрямителей и не требуется выполнение условий синхронизации;

— при использовании асинхронных генераторов регулировать загрузку за счёт изменения момента на валу приводного двигателя, т. к. перевод нагрузки влечёт за собой изменение частоты вращения менее 7 %. При этом приводной двигатель будет потреблять меньшую мощность из сети, а в случае с дизель-генератором - меньше топлива;

— реализация подобной системы проще системы переменного тока и даёт возможность подключения во «встроенную» сеть постоянного тока возобновляемых источников энергии.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Хватов О. С., Бурмакин О. А., Малышев Ю. С., Варечкин Ю. В. Современные тенденции использования энергии ветра на судах // Великие реки-2013: тр. XV Междунар. промышл. форума (Н. Новгород, 15-18 мая 2013 г.). Н. Новгород: Изд-во ВГАВТ, 2013. Т. 2. С. 386-390.

2. Бурмакин О. А., Варечкин Ю. В., Малышев Ю. С. Возобновляемые источники энергии в судовой электроэнергетической системе // Вестн. Волж. гос. акад. водн. трансп. 2015. № 42. С. 263-268.

3. Hansen J. F., Lindtjorn J. O., Myklebust T. A., Vanska K. Onboard DC Grid. URL: https://library.e.abb.c0m/public/b4f3f099e9d21360c1257a8a003beac2/ABB%20Generati0ns_20%200nb0ard%2 0DC%20grid.pdf (дата обращения: 12.10.2018).

Статья поступила в редакцию 20.11.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Бурмакин Олег Анатольевич — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; electrotech @aqua.sci-nnov.ru.

Малышев Юрий Сергеевич — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; elektrikasp@mail.ru.

Попов Сергей Васильевич — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; electrotech@aqua.sci-nnov.ru.

Гуляев Владимир Викторович — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; electrotech@aqua.sci-nnov.ru.

ANALYSIS OF THE OPERATION MODES OF THE SHIP DUAL CURRENT SYSTEM

O. A. Burmakin, Yu. S. Malyshev, S. V. Popov, V. V. Gulyaev

Volga State University of Water Transport, Nizhny Novgorod, Russian Federation

Abstract. The article highlights the feasibility of using dual-current systems in ship electrical power systems in conditions of using renewable energy sources. The charts of energy resources of solar and wind energy in Russia have been presented and analyzed. The feasibility of using wind energy in the northern and eastern regions and solar energy in the southern regions has been discussed. Alternative sources on dry-cargo ships, tankers and bulk barges may well provide propulsion energy. Operation of traditional energy sources together with the alternative ones in a combined ship electric power system is provided by the system of dual current type with built-in DC network. The test results of the pilot plant which allows parallel operation of different generators in a dual current system have been described. The experiments included the parallel operation of one generator; load distribution between parallel-running synchronous generators, asynchronous generators, between synchronous and asynchronous generators; load transfer and decommissioning of one of the generators. Parallel operation was carried out on DC network. The load transfer of the synchronous generator can be carried out by changing excitation current, and asynchronous generator - by changing frequency of rotation of the drive motor. It has been found out that the DC network allows: to connect various sources for parallel operation in terms of power, statism, and type of current; to regulate loading by changing the moment on a shaft of the driving engine; to fulfil easier switching to the "built-in" DC network of renewable energy sources.

Key words: ship power system, renewable energy sources, dual current system, parallel operation of generators, direct current, voltage.

For citation: Burmakin O. A., Malyshev Yu. S., Popov S. V., Gulyaev V. V. Analysis of the operation modes of the ship dual current system. Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies. 2019;1:97-104. (In Russ.) DOI: 10.24143/20731574-2019-1-97-104.

REFERENCES

1. Khvatov O. S., Burmakin O. A., Malyshev Iu. S., Varechkin Iu. V. Sovremennye tendentsii ispol'zovaniia energii vetra na sudakh. Velikie reki-2013 [Current tendencies of using wind power on ships. Great rivers-2013]. Trudy XV Mezhdunarodnogo promyshlennogo foruma (N. Novgorod, 15-18 maia 2013 g.). N. Novgorod, Izd-vo VGAVT, 2013, vol. 2, pp. 386-390.

2. Burmakin O. A., Varechkin Iu. V., Malyshev Iu. S. Vozobnovliaemye istochniki energii v sudovoi el-ektroenergeticheskoi sisteme [Renewable power sources in a ship power system]. Vestnik Volzhskoi gosudar-stvennoi akademii vodnogo transporta, 2015, no. 42, pp. 263-268.

3. Hansen J. F., Lindtjorn J. O., Myklebust T. A., Vanska K. Onboard DC Grid. Available at: https://library.e.abb.com/public/b4f3f099e9d21360c1257a8a003beac2/ABB%20Generations_20%20Onboard%2 0DC%20grid.pdf (accessed: 12.10.2018).

The article submitted to the editors 20.11.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Burmakin Oleg Anatolevich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport; electrotech@aqua.sci-nnov.ru.

Malyshev Yuriy Sergeevich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport; elektrikasp@mail.ru.

Popov Sergey Vasilevich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport; electrotech@aqua.sci-nnov.ru.

Gulyaev Vladimir Viktorovich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport; electrotech@aqua.sci-nnov.ru.