МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЭЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЭТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК (ВЭУ)

The article discusses the issues and problems that are associated with the transition of ships on heavy grades of the fuel. A method for improving the quality of the fuel by sonication as additional means is proposed. The description of the essence of the process of ultrasonic treatment of liquids including the fuel is given. An experiment to assess the effect of this kind of treatment is given. Describes the results of the effect of ultrasound on diesel fuel and heavy fuel is considered.

УДК 621.321

В.И. Самулеев, к.т.н., доцент ФГБОУ ВО «ВГУВТ» Ю.П. Мухин соискатель, электромеханик СахМП, ФГБОУ ВО «ВГУВТ»

603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВНЕЗАПНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЭЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ ВЭТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Ключевые слова: возобновляемые источники энергии, эксплуатационный риск электроснабжения, переходные процессы, короткое замыкание, расчёт токов короткого замыкания.

Данная работа содержит научно и аналитически обоснованный очерк о применении ветроэнергетических установок на стоечных судах ВВТ, являющийся продолжением научных изысканий по данной теме. В данной работе содержатся сравнительные расчёты и данные имитационного моделирования выработки, надёжности и качества электроэнергии ветроэнергетической установки. Приведены результаты двухгодичного исследования имитационных моделей, подбора их параметров, особенностей использования синхронных генераторов в составе с ветроэнергетической установкой (далее ВЭУ). Детально рассмотрен вопрос внезапного короткого замыкания и анализ данного переходного процесса.

Введение

При детальном рассмотрении вопросов широкого применения ВЭУ на стоечных судах ВВТ решались сразу две встречные, по направлению исследований, задачи. Первая заключалась в разработке наиболее приближённой к реальным физическим условиям, модели ВЭУ, а именно той модели, которая удовлетворяла бы условиям, предъявляемым российским речным регистром и, если потребуется, российским морским регистром судоходства [1].

Вторая задача состояла в проверке и в сопоставлении полученных результатов математического исследования, с полученными опытным путём, расчетными данными.

Учитывая вышеизложенный факт, задачи выполнялись одновременно, что усложняло процедуру расчёта и моделирования. Сначала составляется система дифференциальных уравнений для ВЭУ, синхронного генератора, активно-индуктивной нагрузки в нормальной форме Коши и Парка-Горева, которая может быть рассчитана в любом прикладном математическом программном пакете. Хотя наибольшую возможность визуализации моделирования дает представление агрегатов ВЭУ в виде динамических звеньев, например, как это предусмотрено в программе 81шиИпк. составной части пакета МаНаЪ.

Регулирование и настройка частоты вращения имитационной модели ВЭУ

Учитывая условия работы ВЭУ регулирование необходимо производить как по ветру, который имеет неоднородную физическую природу, так и по нагрузке, которая также имеет случайный характер [3,4].

Ниже приведена формула модели ветротурбины, представляющая собой уравнение её механической мощности (Pmech):

Pmech=Cp

где

Ср - коэффициент использования энергии ветра, р - плотность воздуха (кг/м3),

А - условное сечение рабочей поверхности ветроколеса (м2), v - скорость ветра,

Л - соотношение скорости ветра к скорости ротора, в - угол поворота лопасти.

При сборе блоков этого уравнения также были учтены регулировки скорости ротора генератора, что обеспечило дополнительную стабилизацию по частоте. На вход блока ветротурбины поступает 3 входных сигнала: скорость генератора в относительных единицах (далее о.е.), угол поворота лопастей (в градусах), скорость ветра в м/с.

Контроль скорости и мощности ВЭУ имеет три области:

- область оптимального и постоянного коэффициента мощности Ср;

- область ограничения скорости;

- область ограничения мощности.

Обычно ВЭУ начинают работать при скоростях ветра 4-5 м/с и останавливаются при 25-30 м/с. При скоростях между этими значениями ветроустановка работает в одной из вышеупомянутых областей. На типичном интервале ВЭУ работает в течение 70-80% времени, остальное время скорость ветра либо слишком низка, либо слишком высока.

Область максимального коэффициента мощности - это зона нормальной работы, в которой контроллер скорости управляет системой таким образом, чтобы поддерживать постоянное оптимальное значение Ср, сохраняемое в ПК оператора ВЭС в качестве уставки.

В области постоянного значения Ср система управления увеличивает скорость ветроколеса с ростом скорости ветра, но лишь до определённого предела. Когда этот предел достигнут, ВЭУ попадает в область ограничения скорости. Коэффициент мощности Ср становится меньше оптимального значения и эффективность преобразования мощности ротора снижается.

Если скорость ветра продолжает повышаться, то режим ВЭУ будет перемещаться в область ограничения мощности, выдаваемой генератором.

Когда это произойдёт, скорость ветроколеса снизится и коэффициент мощности ещё больше уменьшится. Выходная мощность генератора останется постоянной и будет равна оптимальному значению. Когда ограничения по скорости и мощности не могут обеспечить нормальной работы при сильных порывах ветра, ВЭУ останавливается.

Данную информацию подтверждают исследования регулирования системы управления углом поворота лопасти. Так , например угол поворота лопастейфйсИ angle) при включении АДКЗ на первой секунде должен в начале дать некоторую ошибку по быстродействию а затем отработать угол стабилизирующего воздействия регулируемой величины [5,6]. Это и происходит согласно Рис. 1 на котором изображен график его изменения на протяжении всего времени моделирования. На третьей же секунде наблюдается большой скачок задающего воздействия связанный с провалом частоты

вращения ротора генератора(такое воздействие в качестве отрицательной обратной связи также используется в блоке Wind Turbine настоящей версии продукта).

Рис. 1

Далее показан график, позволивший оценить качество регулирования и характеризующий работу объекта моделирования с достаточной точностью для всех выбранных критериев. Он представляет собой скорость вращения ротора генератора, представленную в о.е. (в блоке Bus selector настоящей версии имеется такая функция измеряемого параметра). Масштаб представленных графиков, в данном случае, взят реальным и не уменьшался.

Рис. 2

Описание модели

В результате подбора наиболее приемлемой для визуализации требуемых процессов модели в программе МаНаЪ 81шиИпк 7.12 была выбрана модель представленная на рис. 3.

Рис. 3

Модель состоит из блоков:

1) Ветротурбины и регулятора поворота лопастей

2) Синхронной машины и системы возбуждения

3) Трехфазного автомата с системой управления временем включения

4) Блока короткого замыкания

5) Асинхронной машины работающей на номинальной нагрузке

6) Блока Powergui

7) Измерительных блоков, шин и необходимых соединений.

Процесс моделирования производится по методу Эйлера с фиксированным шагом 1е" .Время моделирования для детального изучения процессов составляет для данной конкретной модели 6 секунд.

Для работы блоков синхронной машины и асинхронной специально установлен блок Powergui, который переведён в режим дискретизации модели, с согласованным с параметрами конфигурации, шагом. В таком режиме существенно увеличивается скорость расчёта всей модели в целом. Точность расчета определяется величиной шага дискретизации. Дискретизация производится методом Тастина.

Моделирование внезапного короткого замыкания производилось параллельно с расчётом токов короткого замыкания в случае работы ВЭУ на активно-индуктивную нагрузку. Расчёт производился аналитическим методом. Расчетным видом КЗ при проверке оборудования является трехфазное металлическое КЗ. Точки короткого замыкания выбираются таким образом, чтобы проверить на динамическую и термическую стойкость выбранное оборудование (автоматические выключатели, шины и т.д.).

В данной работе рассчитывался ток при КЗ на шинах ГЭРЩ (К1), с использованием аналитического метода.

Для сравнения с моделируемыми, использовались следующие рассчитанные данные: Действительное значение ударного тока. А:

/уд = 7уДЕ • /Б = 19.23 • 379.83 = 7304.13

Сверхпереходное и установившееся значения токов короткого замыкания в исследуемой системе (в о.е.):

/кз = / ^р = 1.035 / 0.191 = 5.41

1кзуст = (X/• 1кзсгуст = (4.10 / 1.36) • 5.5 = 16.58

где I]

КЗСГуст

= 5.5

При исследовании и анализе также учитывалась общепринятая формула ударного тока короткого замыкания для расчёта на ЦВМ:

Она является наиболее упрощённой, для моделирования и расчёта токов короткого замыкания. Яу и Ху являются условными сопротивлениями генератора и двигателя соответственно. Для определения расчётных и моделируемых параметров вполне необходимо и достаточно перейти от реальной трёх лучевой схемы электроэнергетической системы, заменив её двулучевой условной схемой расчёта. Такая схема позволит определить также и полный ток короткого замыкания в точке короткого замыкания, по сути равный току короткого замыкания в трёхлучевой схеме [6].

Исследование переходных процессов при коротком замыкании на шинах ГРЩ имитационной модели

Данное исследование также проводилось совместно с расчётом, после чего данные сравнивались и согласно их делался сравнительный анализ этих данных.

Результаты изображены на рисунках 4, 5.

Необходимо учитывать:

- включение АДКЗ на 1 секунде, а его отключение на 4.5 секунде;

- до включения АДКЗ ВЭУ работала на активную нагрузку;

- сопротивление кабеля в модели учтено в параллельной активной нагрузке.

На приведённой ниже Рис. 5 показаны скачок ударного тока

Из численной оценки данного графика можно сказать, что провал напряжения не превышает расчётный а значит:

а) имитационная модель соответствует расчётной по качеству регулирования выходного напряжения;

б) регулировка системы возбуждения модели выполнена правильно за исключением некоторой не влияющей на процесс ошибки, связанной с колебаниями решения.

Рис. 4. Изменения тока по всем трём фазам на шинах ГРЩ за время короткого замыкания

Рис. 5. Изменение частоты вращения ротора генератора за время короткого замыкания

Рис. 6. Изменение тока по фазе А (о.е.) за время короткого замыкания

1 1

1

Л11 т=0,44 о.е.

Носгтэдоилгмиг после КЗ /

,\ит=0,95 о.е.

<0

Рис. 7. Напряжение на статоре по оси (1 (о.е.) за время короткого замыкания

Выводы

1) Таким образом, в ходе исследования изучены режимы работы ветрогенератора, задачи системы управления. Работа системы управления поворотом лопастей рассмотрена в динамической модели, в котором заложены как характеристики ветра, конструкции ветрогенератора, так и системы управления.

2) Можно заключить, что система управления поворотом лопастей позволяет стабилизировать выходную мощность и существенно снизить динамические нагрузки на конструкцию ветрогенератора.

3) Алгоритмы системы управления поворотом лопастей могут быть усовершенствованы с использованием методов оптимизации, линеаризации и нечеткой логики.

4) При расчётном значении ударного тока короткого замыкания 7304,13 А, экспериментальное составило 5560А; при расчётном действующем значении периодической составляющей в начальный момент КЗ 5,41 о.е. экспериментальное значение составило 5,1 о.е., а значит надёжность системы не ухудшилась а наоборот качественно улучшилась а следовательно удовлетворяет требованиям Российского речного регистра.

Список литературы:

[1] Храмов М.Ю., Мухин Ю.П. Перспективы внедрения и применения ВЭУ на речном и морском транспорте. - Н.Новгород: Вестник ВГАВТ 2011 г.

[2] Самулеев В.И., Александров В.В., Мухин Ю.П. Повышение надежности судовой автоматизированной электроэнергетической установки теплохода проекта «92-016»: «Сборник статей ВГАВТ» Изд-во ФБОУ ВПО «ВГАВТ» 2012 г.

[3] Самулеев В.И., Мухин Ю.П. Плавучая ветродизельная электроэнегетическая станция для питания береговых объектов и зарядки аккумуляторных батарей: «Возобновляемые источники энергии». Материалы восьмой всероссийской научной молодежной школы с международным участием. Изд-во МГУ имени Ломоносова г.Москва г.2012.- 492 с.

[4] Самулеев В.П., Мухин Ю.П. Плавучая ветродизельная электроэнегетическая станция для питания береговых объектов и зарядки аккумуляторных батарей: «Вестник ВГАВТ» №33 изд-во ФБОУ ВПО ВГАВТ Г.Н.Новгород 2012г.-220 с.

[5] Самулеев В. И. Определение мощности судовой электростанции. Н. Новгород ФГОУ ВПО « ВГАВТ», 2013г. -92 с.

[6] Раимов М.М., Баранов А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации. Санкт-Петербург:Элмор, 1997год -232 с.

MODELING PROCESS SUDDEN SHORT IN THE SHIP POWER SYSTEM WITH USING WIND TURBINES

V.I. Samuleyev, Y.P. Mukhin

Keywords: renewable energy, operational risk power supply, transient processes, short, calculation of short-circuit currents.

This work contains scientifically and analytically reasoned essay on the use of wind turbines on the rack ships IWT, which is a continuation of scientific research on the topic. In this paper provides comparative calculations and simulation data generation, reliability and quality of electricity wind turbines. The results of the two-year study of simulation models, selection of their parameters, especially the use of synchronous generators as part of a Wind Turbine . Considered in detail the question of a sudden short-circuit and analysis of the transition process.