Применение в автономных электростанциях дизель-генераторного агрегата с изменяемой частотой вращения

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-4-42-48 УДК 621.314.629.12

Г. И. Коробко, И. Г. Коробко, М. П. Шилов

ПРИМЕНЕНИЕ В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНОГО АГРЕГАТА С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

В современной электроэнергетике разработка и внедрение автономных дизель-генераторных установок является относительно новым техническим направлением. Рассмотрена функциональная схема дизель-генераторной электростанции с изменяемой частотой вращения и системами управления, применение которой позволит уменьшить расход топлива. Основными управляющими блоками предложенного варианта автономной электростанции являются логическое устройство и синхронизатор. После включения на параллельную работу дизель-генератора базисные функции логического устройства заключаются в оценке нагрузки и выдачи задания на дизель-генераторы. На основе полученных данных выполняются задачи управления состоянием генераторного автомата для дизель-генератора, стоящего в приоритете по пуску/останове. Для оценки критериев эффективности представлен график изменения мощности нагрузки в зависимости от мощности дизель-генераторов, в котором определены оптимальные нагрузочные интервалы. Такое распределение позволяет достигнуть снижения расхода топлива и стоимости электроэнергии, при этом повышаются экономические показатели эксплуатации автономной электростанции. Несмотря на то, что автономная электростанция имеет ограниченную мощность, предложенный вариант обеспечивает нагрузочный резерв в диапазоне 15-110 % и перегрузочную способность в диапазоне 13-43 % от полной мощности дизель-генератора с постоянной частотой вращения. Представлен график изменения расхода топлива в зависимости от потребляемой активной мощности. Определён основной интервал работы с минимальным потреблением топлива. Для сравнения изображены кривые, которые отражают эффективность использования дизель-генератора с изменяемой частотой вращения по сравнению с агрегатом, работающим с постоянной скоростью.

Ключевые слова: дизель-генератор, параллельная работа, преобразователь частоты, логическое устройство, запас мощности, частота вращения.

Введение

Разработка и внедрение автономных дизель-генераторных установок является относительно новым техническим направлением в электроэнергетике. Такие дизель-генераторные электростанции предназначены для обеспечения энергией потребителей удалённых регионов, не присоединённых к общей электросети [1]. Суммарная мощность таких автономных электростанций достигает более 20 млн кВт. Дизель-генераторы находят широкое применение в железнодорожном транспорте, например дизель-электроходы, работающие на неэлектрифицированных участках железных дорог, оснащаются установками постоянного и переменного тока мощностью 2 000 кВт и выше. Дизель-генераторными установками оборудуют и современную тяжёлую автомобильную технику. Карьерные самосвалы «БЕЛАЗ» имеют в своём составе электростанцию, которая питает тяговые электродвигатели, элементы трансмиссии и управления. На таких автомобилях устанавливаются генераторы мощностью от 350 до 2 600 кВт [2]. Широко применяются передвижные электростанции на специальных автомобилях для подачи электроэнергии при строительстве, ремонте, геологической разведке и в других случаях.

Применение автономного дизель-генераторного агрегата с изменяемой частотой вращения в составе судовой электроэнергетической станции

На объектах водного транспорта широкое распространение имеют судовые электростанции, от которых питаются общесудовые потребители электроэнергии, гребные электродвигатели, мощное технологическое электрооборудование плавкранов, земснарядов, рыбопромысловых судов и др. Судовые электростанции делятся на три класса:

- автономные электроэнергетические системы (ЭЭС), которые не имеют непосредственной связи с силовой установкой судна, называемой энергетической;

- судовые ЭЭС, имеющие источники электрической энергии с отбором мощности от силовой установки (от валогенераторов или турбогенераторов);

- судовые единые электроэнергетические станции (ЕЭС), условно разделённые на электростанцию гребной электрической установки (ГЭУ) и электростанцию общесудовых потребителей (ОСП).

Электростанция ГЭУ имеет от 2 до 6 (и более) дизель-генераторов, суммарная мощность которых составляет до 80-90 % от полной мощности ЕЭС. В современных ГЭУ применяют переменный или переменно-постоянный ток для питания гребных электродвигателей от статических преобразователей.

В качестве первичных двигателей используются двигатели внутреннего сгорания (ДВС), среди которых широко применяют дизели [3].

Большинство существующих дизель-генераторов работают с постоянной (номинальной) частотой вращения в широком диапазоне изменения нагрузки, при этом работа дизеля характеризуется неоптимальным расходом топлива и пониженным КПД. Перспективным направлением является развитие и создание автономных дизель-генераторов с изменяемой частотой вращения.

Исследования доказали, что уменьшение частоты вращения при снижении нагрузки на генератор позволяет сократить удельный расход топлива на 15-20 % [4]. Кроме того, при одновременном изменении частоты вращения и нагрузки обеспечивается оптимальный тепловой режим работы дизеля, снижение износа и повышение моторесурса.

Единая энергетическая система используется для питания гребной установки в двух режимах: при переменной частоте вращения дизель-генераторов с целью сокращения расхода топлива в различных режимах работы судна либо при постоянной частоте вращения дизель-генераторов.

На рис. 1 приведена блок-схема единой электроэнергетической системы.

ю2 = ю3 = ю4 = const = ю,

Рис. 1. Блок-схема единой электроэнергетической системы: Д - дизель; Г - синхронный генератор;

QF - генераторный автомат; П - потребитель; ПЧ - преобразователь частоты;

ГРЩ - главный распределительный щит; ю - угловая скорость, рад/с

В случае параллельной работы дизель-генераторов постоянной и изменяемой частоты вращения, при изменении нагрузки генераторы Г2-Г4 нагружаются приблизительно номинальной мощностью, а у генератора Г1 регулируют мощность за счёт изменения скорости и, следовательно, частоты и напряжения на зажимах.

Для обеспечения требуемой величины выходного напряжения необходимо выбирать генератор с соответствующими характеристиками. Поддержание частоты осуществляется с помощью преобразователя частоты (ПЧ), имеющего систему управления с предмодуляцией третьей гармоникой (ШИМ-контроллер). Применение метода предмодуляции управляющего сигнала ШИМ инвертора позволяет достичь увеличения амплитуды выходного напряжения.

Для реализации параллельной работы генератора Г с сетью необходима система управления, изменяющая напряжение и частоту на выходе ПЧ. С этой целью схему необходимо дополнить устройствами, которые имеют в своём составе каналы для регулирования частоты и напряжения при включении на параллельную работу.

Регулирование частотой вращения дизеля (Д) выполняет регулятор частоты вращения. На его вход приходит сигнал, полученный в результате сравнения номинальной частоты вращения (юн) и сигнала отклонения (Дю) с выходов соответствующих блоков: блока задания (БЗт ) и блока управления (БУ). На вход блока БУ поступает величина активной мощности нагрузки (Р^, которая вычисляется блоком измерения генераторного агрегата (БИГ). На выходе блока БУ будет сформирован оптимальный сигнал (Дю) для обеспечения оптимизации режима работы приводного двигателя. Таким образом, блок БУ осуществляет корректировку расхода топлива в оптимальном количестве.

При изменении частоты вращения дизеля на выходе генератора будет изменяться частота и амплитуда выходного напряжения. Величина амплитуды напряжения генератора поддерживается на номинальном уровне за счёт регулятора возбуждения (РВ). На его вход приходит сигнал, полученный после сравнения заданного напряжения (ин) с блока задания (БЗц) и напряжения обратной связи (иос), который снимается с выхода генератора датчиком напряжения (ДН).

Поддержание номинальных параметров переменного напряжения реализуется ПЧ и системой управления. К выходным зажимам генератора через сетевой дроссель подключен ПЧ. Сетевой дроссель уменьшает влияние высших гармоник ПЧ на синхронный генератор. К входам контроллера ПЧ подключены два канала регулирования: канал регулирования частоты - f и канал регулирования напряжения - U1. К выходу ПЧ подключен фильтр низких частот (ФНЧ), способствующий получению выходного напряжения синусоидальной формы, поступающего в нагрузку.

До момента включения генераторного агрегата на параллельную работу с сетью нагрузка получает питание от сети. Включение на параллельную работу осуществляется синхронизатором S. В момент синхронизации синхронизатор начинает принимать значения переменного напряжения с блоков измерения генераторного агрегата (БИГ) и сети (БИС). Синхронизатор вырабатывает три сигнала управления: сигналы управления преобразователем частоты f и U1 выполняют корректировку угла разности фаз между напряжениями с выхода ПЧ и сети, а также поддержание номинальной амплитуды выходного напряжения. При выполнении условий включения генераторного агрегата на параллельную работу синхронизатор формирует третий сигнал на включение генераторного автомата - QF1 с помощью электропривода - ЭП. После завершения процесса синхронизации осуществляется переключение контактов реле - Креж на режим распределения активной и реактивной мощности соответствующими блоками управления: регулятор активной мощности (РАМ) и регулятор реактивной мощности (РРМ). Задающими значениями регуляторов являются полученные после сравнения величины активной и реактивной мощности генераторного агрегата и сети. Сигналы задания формируются в логическом устройстве.

Логическое устройство представляет собой систему управления, выполняющую функции:

- по приёму активной P1-4 и реактивной Q1-4 мощности от всех генераторных агрегатов, включенных в единую энергетическую систему;

- формированию задания по активной Рзад2_4 = 90 % и реактивной Q^^ = 90 % мощности для дизель-генераторов ДГ2-ДГ4, в результате чего обеспечивается минимальная себестоимость электроэнергии;

- формированию задания по активной Рзад1 и реактивной мощности для дизель-генератора с изменяемой частотой вращения ДГ1 на интервале от 25 до 115 %. Логическое устройство осуществляет сравнение данных, поступающих с блоков измерений генераторных агрегатов, производит расчёт и выбор режима работы дизель-генератора с изменяемой частотой вращения, которая позволяет уменьшить абсолютный расход топлива в зависимости от изменения мощности нагрузки;

- управлению состоянием генераторных автоматов, что обеспечивает подключение и отключение генераторных агрегатов от сети, в зависимости от общей мощности включенных потребителей.

Блок-схема дизель-генератора с изменяемой частотой вращения и системами управления приведена на рис. 2.

QF1_4

£зад 2-4

Рзад 2-4

Рзад ^^^

—НРАМ~

Логическое устройтсво

Ql  Q2 -с Qз -о

Q4 -

2зад

-3-Р1

Р2 <" Рз

Р4

Г—. А. > --,ю " таг /'-Ч^г = const ; I

ир1 |н., лт

__ин I иос

ЕУ-Н»*—

1

ПЧ

с

и,

^Срсж

--£

Сеть

Нагрузка]

Рис. 2. Блок-схема дизель-генератора с изменяемой частотой вращения и системами управления

По мере изменения нагрузки сети дизель-генератор с изменяемой частотой вращения имеет роль ведущего, т. е. его загрузка является задающей по отношению к другим дизель-генераторам, включенным на параллельную работу. Это позволяет обеспечить его работу в диапазоне минимального расхода топлива.

На рис. 3 изображён график изменения мощности нагрузки в зависимости от мощности дизель-генераторов.

Рис. 3. График изменения мощности нагрузки в зависимости от мощности дизель-генераторов

На оси ординат отложены значения активной мощности - РдГ, отдаваемой в нагрузку дизель-генераторами С1-С4, где G2-G4 - это дизель-генераторы постоянной частоты вращения, а G1 - дизель-генератор с изменяемой частотой вращения. Мощность G1 превышает мощность каждого дизель-генератора на 30 % из-за специфики его использования в целях экономии топлива, характеризующейся определённым диапазоном отдаваемой в нагрузку мощности. На оси абсцисс отложена активная мощность включенной нагрузки - Рнагр, изменяющаяся от нуля до 430 %. Диапазон мощности от 0 до 400 - это режим, при котором дизель-генераторы G2-G4 работают при номинальной нагрузке, равной 90 % (Рн). Диапазон от 400 до 430 - это режим загрузки дизель-генераторов до 100 % (Рн). Когда нагрузка дизель-генератора G1 превышает установленный (номинальный) порог мощности 115 % (Рн), на параллельную работу включается дизель-генератор G2, который берёт на себя нагрузку до 90 % (Рн), а дизель-генератор G1 разгружается вновь до минимально допустимой мощности, соответствующей 25 % (Рн). Данный характер работы электроэнергетической системы сохраняется до того момента, пока в работе не будут задействованы все четыре дизель-генератора, нагруженные на 90 % (Рн). В дальнейшем при включении нагрузки дизель-генератор G1 загружается до максимального предела, равного 130 % (Рн), а дизель-генераторы G2-G4 до 100 % (Рн). Зачастую на судах временно запускаются механизмы, контролирующие параметры по давлению и, чтобы исключить непреднамеренные пуски и остановы ДГ, необходим запас по мощности. Изменение запаса мощности Gl-G4 позволяет оценить максимальное включение дополнительной нагрузки при работе ограниченного количества дизель-генераторов. Как видно из графика (рис. 3), запас мощности варьируется в диапазоне от 15 до 110 % в режиме номинальной работы G1-G4.

В момент когда все четыре дизель-генератора запущены, а нагрузка продолжает расти, запас по мощности уменьшается сначала до 45 %, затем Gl загружается до 130 %, и запас равен 30 %. Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к тому, что G2-G4 будут загружены до 100 % и запас мощности будет равен нулю. При работе в режиме перегрузки, когда запущен только один дизель-генератор G1 и загружен до 130 %, максимальная перегрузка соответствует 13 %, что составляет 10 % от мощности дизеля. При работе и полной загрузке двух ДГ Gl и G2 максимальная перегрузка равна 23 %, где G2 имеет возможность кратковременной работы при увеличении мощности на 10 % и т. д. Все четыре ДГ дают возможность кратковременной работы с временным запасом мощности 43 %.

На рис. 4. приведены графики изменения расхода топлива в зависимости от потребляемой активной мощности [5].

AG*

04

ÜJ

од

1,0 0.8 0,6 0.4 0,2 L О

G* G* ю* G , G , ю опт Аю* опт

AG* /У г# *

G* г ' i

ч / \

( t I G *

*

Аю* опт

0J 0,4 0,6 0,8 1,0

Рг*

Рис. 4. График изменения расхода топлива в зависимости от потребляемой активной мощности

Он позволяет оценить топливную эффективность ДГ с изменяемой частотой вращения. Удельный расход топлива ДГ будет варьироваться в соответствии с величиной активной мощности, вырабатываемой генератором. На графике кривые расхода топлива с индексом G* соответствуют ДГ без регулирования частоты вращения, и G*, - это ДГ с системой управления, позволяющей регулировать частоту вращения. Применение характеристики ю*опт для изменения частоты вращения позволяет снизить удельный расход топлива, что подтверждается расположением кривых G*, и G* (характеристика G*, располагается ниже G*). Снижение потребления топлива ЛG* достигается на интервале 25-50 % от мощности ДГ и обеспечивает абсолютную экономию топлива 15-20 %.

Разработанное логическое устройство, управляющее автономной электростанцией, обеспечивает включение и распределение нагрузки между генераторными агрегатами при условии, что дизель-генератор с изменяемой частотой вращения используется как ведущий.

Выводы

Применение в судовой ЕЭС дизель-генератора с изменяемой частотой вращения позволяет снизить расход топлива на 15-20 % при меньших частотах вращения вала.

Режим работы для дизель-генераторов с постоянной частотой вращения и нагрузкой, близкой к номинальной мощности (90 %), способствует повышению технических характеристик дизеля и снижению себестоимости вырабатываемой электроэнергии, предоставляет оптимальный тепловой режим работы дизеля, снижение износа и повышение моторесурса, обеспечивая снижение эксплуатационных расходов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Соснина Е. Н., Кечкин А. Ю., Филатов Д. А. Вопросы электроснабжения потребителей, удалённых от сетевой инфраструктуры // Тр. НГТУ им. Р. Е. Алексеева. 2014. № 5 (107). С. 100-105.

2. Плютов Ю. А., Карепов В. А., Щелконогов П. В. Расчёты транспортных машин открытых горных разработок: учеб. пособие. Красноярск: ИПК СФУ, 2007. 116 с.

3. Суржикова О. А. Проблемы и основные направления развития электроснабжения удалённых и малонаселённых потребителей России // Вестн. науки Сибири. 2012. № 3 (4). С. 103-108.

4. Двигатели внутреннего сгорания: теория поршневых и комбинированных двигателей / под ред. А. С. Орлина, М. Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1993. 372 с.

5. Коробко Г. И., Хватов О. С., Коробко И. Г. Разработка и моделирование дизель-генератора с изменяемой частотой вращения в судовой единой электроэнергетической системе // Вестн. Иван. гос. энергет. ун-та. 2017. Вып. 1. С. 55-61.

Статья поступила в редакцию 28.06.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Коробко Григорий Иванович — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; Tv-out@narod.ru.

Коробко Иван Григорьевич — Россия, 603152, Нижний Новгород; Нижегородский инжиниринговый центр ООО «Электро Лэнд»; инженер; Tv-out@narod.ru.

Шилов Максим Петрович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; аспирант кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; MaksimShilov1@yandex.ru.

G. I. Korobko, I. G. Korobko, M. P. Shilov

APPLICATION IN AUTONOMOUS POWER PLANTS OF A DIESEL GENERATOR SET WITH A VARIABLE FREQUENCY OF ROTATION

Abstract. In modern electric engineering development and implementing autonomous diesel generator sets is considered as a new technological trend. The article focuses on the functional scheme of a diesel generator power station with variable frequency of rotation and control systems, the application of which will allow reducing fuel consumption. The main control units of the proposed variant of the autonomous power plant are a logic device and a synchronizer. After switching the diesel generator on the parallel operation, basic functions of the logic device are to estimate loading and issuing a task for diesel generators. On the basis of the obtained data, the tasks of controlling the state of the generator automaton for the diesel generator, which is in priority over the start/stop, are performed. To evaluate the efficiency criteria, a graph of load power variation is given depending on the power of diesel generators, in which the optimal load intervals are determined. Such a distribution allows achieving reduction in fuel consumption and cost of electricity, providing an increase in the economic performance of an autonomous power plant. Despite the fact that the autonomous power plant has limited power, the proposed variant provides a load reserve in the range 15-110% and overload capacity in the range 13-43% of the total power of the diesel generator with constant speed. A graph of fuel consumption change depending on the active power consumed is presented. The basic interval of work with the minimum consumption of fuel is defined. For comparison, curves are shown that reflect the efficiency of using a diesel generator with variable speed as compared to a unit operating at a constant speed.

Key words: diesel generator, parallel operation, frequency converter, logic device, power reserve, rotation frequency.

REFERENCES

1. Sosnina E. N., Kechkin A. Iu., Filatov D. A. Voprosy elektrosnabzheniia potrebitelei, udalennykh ot setevoi infrastruktury [Problems of power supply of consumers detached from the grid infrastructure]. Trudy Nizhe-gorodskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta imeni R. E. Alekseeva, 2014, no. 5 (107). P. 100-105.

2. Pliutov Iu. A., Karepov V. A., Shchelkonogov P. V. Raschety transportnykh mashin otkrytykh gornykh razrabotok: uchebnoe posobie [Analysis of transport machines in open mining: teaching guide]. Krasnoiarsk, IPK Sibirskogo federal'nogo universiteta, 2007. 116 p.

3. Surzhikova O.A. Problemy i osnovnye napravleniia razvitiia elektrosnabzheniia udalennykh i malo-naselennykh potrebitelei Rossii [Problems and main directions of developing power supply system for detached and scarcely populated consumers of Russia]. Vestniknauki Sibiri, 2012, no. 3 (4). P. 103-108.

4. Dvigateli vnutrennego sgoraniia: teoriia porshnevykh i kombinirovannykh dvigatelei [Internal combustion engines: theory of piston and combined engines]. Pod redaktsiei A. S. Orlina, M. G. Kruglova. Moscow, Mashi-nostroenie Publ., 1993. 372 p.

5. Korobko G. I., Khvatov O. S., Korobko I. G. Razrabotka i modelirovanie dizel'-generatora s izmeniaemoi chastotoi vrashcheniia v sudovoi edinoi elektroenergeticheskoi sisteme [Developing and modeling dieselgenerator with changing rotation frequency in the marine unified electric power system]. Vestnik Ivanovskogo gosudarstvennogo energeticheskogo universiteta, 2017, iss. 1, pp. 55-61.

The article submitted to the editors 28.06.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Korobko Qrigory Ivanovich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of the Water Transport; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport Facilities; Tv-out@narod.ru.

Korobko Ivan Grigorievich - Russia, 603152, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod Engineering Center "Electro Land", LLC; Engineer; Tv-out@narod.ru.

Shilov Maksim Petrovich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of the Water Transport; Postgraduate Student of the Department of Electrical Engineering and Electrical Equipment of Water Transport Facilities; MaksimShilov1@yandex.ru.