Параллельная работа дизель-генераторных установок постоянной и переменной частоты вращения

СУДОВЫЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-1-93-99 УДК 621.313.3

О. С. Хватов, Е. М. Бурда, И. А. Тарпанов, А. Б. Дарьенков, Д. С. Кобяков

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК ПОСТОЯННОЙ И ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

В контексте разработки концепции новых пассажирских судов с колесно-движительным рулевым комплексом в качестве одного из вариантов энергетической установки рассмотрена судовая единая электростанция с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения. Отмечается, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения двигателя внутреннего сгорания, в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора, позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии. Одним из способов повышения энергетических показателей судовой единой электростанции может быть перевод одного из параллельно работающих дизель-генераторов в режим переменной частоты вращения. При этом нагрузка между параллельно работающими дизель-генераторами распределяется пропорционально их частотам вращения независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей. Для стабилизации напряжения дизель-генератора, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется силовой полупроводниковый преобразователь. Представлены функциональная схема и математическая имитационная модель судовой единой электростанции, графики переходных процессов при изменении нагрузки в канале электродвижения судна.

Ключевые слова: электростанция, электродвижение, звено постоянного тока, дизель-генератор переменной частоты вращения.

Состояние проблемы

В настоящее время в судостроении все больше внимания уделяется гребным электрическим установкам (ГЭУ), которые имеют ряд преимуществ перед установками с непосредственной передачей мощности от тепловых двигателей на винт: повышенные маневренные качества, надежность и живучесть судна, возможность отбора мощности от ГЭУ для вспомогательных нужд.

В Волжском государственном университете водного транспорта разрабатывается концепция новых пассажирских судов с использованием ГЭУ с колесно-движительным рулевым комплексом. Суда планируется использовать на реках, где в настоящее время судоходство ограничено небольшими глубинами, например на Оке.

Опираясь на опыт эксплуатации судов проекта ПКС-40, одним из вариантов энергетической установки судна выбрано использование единой электростанции, содержащей два дизель-генератора (ДГ1, ДГ2) и являющейся общей для питания как ГЭУ, так и общесудовых потребителей. В качестве движителей рассматриваются гребные колеса диаметром 4,5-6 м, электродвигатели которых питаются от преобразователей частоты (ПЧ).

Эксплуатация судов проекта ПКС-40 показала их высокую экономичность и маневренность, однако были выявлены и существенные недостатки:

- неравномерное и быстроизменяющееся распределение мощности между гребными электродвигателями при активном маневрировании;

- сложность включения генераторов на параллельную работу и распределения между ними активной мощности, связанная с наличием высших гармонических в сети при работе ПЧ.

Практика показывает, что один из ДГ может быть загружен на 150-170 % от номинальной мощности, а другой существенно недогружен. Для ПЧ и электрических двигателей данные перегрузки являются допустимыми. Однако перегрузка генераторов может составлять не более 110-115 % от их номинальной мощности.

Решение данной проблемы заключается в реализации так называемой псевдопараллельной работы генераторов, когда ПЧ каналов электродвижения соединены на стороне постоянного тока. Такое решение было предложено авторами статьи в [1].

Научно обосновано и подтверждено экспериментально, что работа дизель-генераторной установки при постоянной (номинальной) частоте вращения, но переменной нагрузке характеризуется неоптимальным (завышенным) удельным расходом топлива. В то же время принудительное регулирование частоты вращения ДВС в соответствии с величиной электрической нагрузки генератора позволяет обеспечивать энергоэффективный режим генерирования электроэнергии [2-5].

Задачи, методы и результаты исследования

С целью повышения энергетических показателей судовой единой электростанции (СЭС) нами предложен вариант ее структуры, когда один из параллельно работающих ДГ переводится в режим переменной частоты вращения (рис. 1).

Рис. 1. Функциональная схема судовой единой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения

Принцип работы схемы заключается в принудительном регулировании частоты вращения ДВС2 при снижении нагрузки в канале электродвижения судна. Цель данного регулирования обусловлена поддержанием высоких энергетических показателей процесса генерирования электроэнергии за счет сохранения оптимального (близкого к номинальному) удельного расхода топлива ДВС. При этом нагрузка между параллельно работающими генераторами СГ1 и СГ2 будет распределяться пропорционально их частотам вращения и независимо от индивидуальной загрузки гребных электродвигателей АД1 и АД2. Для стабилизации напряжения СГ2, работающего в режиме переменной частоты вращения, используется повышающий трансформатор ТУ и широтно-импульсный преобразователь, реализованный на транзисторе Т3.

Преобразователи обоих ДГ соединены на стороне постоянного тока. Регулятор нагрузки Рнаг воздействует на систему возбуждения СГ1, изменяя величину напряжения на его статоре.

Согласно структурной схеме (рис. 1) нами разработана математическая имитационная модель (рис. 2).

о

Рис. 2. Структурная схема математической модели единой судовой электростанции с общим звеном постоянного тока и дизель-генератором переменной частоты вращения

Результаты имитационного моделирования динамических режимов при снижении нагрузки в канале электродвижения судна на 20 % представлены на рис. 3-6.

Рис. 3. Зависимость частоты вращения ГЭУ при снижении нагрузки

Графики зависимости частоты вращения ГЭУ и частот вращения ДГ1 и ДГ2 представлены на рис. 3 и рис. 4 соответственно.

п, об/мин

Рис. 4. Зависимости частоты вращения ДГ1 (1) и ДГ2 (2) при снижении нагрузки в канале электродвижения

При снижении на 20-й секунде нагрузки на гребные электродвигатели система регулирования снижает частоту вращения ДГ2 до 80 % от номинальной, при этом регулятор нагрузки Рнаг увеличивает напряжение на выходе СГ1, а распределение нагрузки между ДГ1 и ДГ2 происходит пропорционально их частотам вращения и независимо от величин нагрузок на гребные электродвигатели.

На рис. 5 представлены графики зависимости напряжений на выходе выпрямителя НВ1 (иНш) и ШИП-преобразователя (Цщд).

и*

t, c

Рис. 5. Зависимости иНВ1 и ишип при снижении нагрузки в канале электродвижения Графики зависимости изменения токовой загрузки генераторов СГ1 и СГ2 приведены на рис. 6.

I*

09

м

о; ос

0е, 0«

с

Рис. 6. Зависимости !СпИ !СГ2 при снижении нагрузки в канале электродвижения

Таким образом, разработанная математическая имитационная модель единой судовой электростанции позволяет проводить анализ переходных процессов при параллельной работе двух дизель-генераторов, один из которых имеет переменную частоту вращения.

Заключение

Предложена структура системы параллельной работы дизель-генераторных агрегатов в составе электростанции судна с электродвижением. С целью повышения энергетических показателей СЭС обоснована целесообразность перевода одного из ДГ агрегатов в режим переменной частоты вращения. Разработана математическая имитационная модель динамических режимов параллельной работы ДГ агрегатов постоянной и переменной частоты вращения.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Бурда Е. М., Хватов О. С., Тарпанов И. А., Кшталтный Н. И. Вариант единой электростанции колесного судна с электродвижением // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2016. № 2. С. 102-108.

2. Хватов О. С., Дарьенков А. Б. Дизель-генераторная электростанция переменной скорости вращения // Электротехника. 2014. № 3. С. 28-32.

3. Хватов О. С., Дарьенков А. Б. Единая электростанция транспортного объекта с электродвижением на базе дизель-генераторной установки переменной частоты вращения // Электротехника. 2016. № 3. С. 35-40.

4. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С., Поляков И. С. Автономные генераторные установки на основе двигателей внутреннего сгорания переменной частоты вращения: моногр. Н. Новгород: Нижегор. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. 2016. 172 с.

5. Хватов О. С., Дарьенков А. Б., Самоявчев И. С. Топливная экономичность единой электростанции автономного объекта на базе двигателя внутреннего сгорания переменной скорости вращения // Эксплуатация морского транспорта. 2012. № 1 (71). С. 47-50.

Статья поступила в редакцию 26.12.2017

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Хватов Олег Станиславович — Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; khvatov_oleg@mail.ru.

Бурда Евгений Мордкович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; Burda1951@mail.ru.

Тарпанов Илья Александрович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; канд. техн. наук, доцент; старший преподаватель кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; Fillin2003@mail.ru.

Дарьенков Андрей Борисович - Россия, 603950, Нижний Новгород; Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой электрооборудования, электропривода и автоматики; epa@nntu.ru.

Кобяков Дмитрий Сергеевич - Россия, 603950, Нижний Новгород; Волжский государственный университет водного транспорта; аспирант кафедры электротехники и электрооборудования объектов водного транспорта; dima-hunter@mail.ru.

O. S. Khvatov, E. M. Burda, I. A. Tarpanov, A. B. Dar'enkov, D. S. Kobyakov

PARALLEL OPERATION OF DIESEL GENERATOR SETS OF CONSTANT AND VARIABLE SPEED

Abstract. The paper focuses on the operation of the ship's single power station with a common link of direct current and a diesel generator of variable speed are considered. It is shown that the operation of a diesel generator set at a constant (nominal) rotational speed, but variable load is characterized by a nonoptimal (overrated) specific fuel consumption. At the same time, forced regulation of the internal combustion engine rotation speed in accordance with the electric load of the generator make it possible to provide energy-efficient mode of generating electricity. One way to improve the energy performance of the ship single power station is to convert one of the parallel operating diesel generators into a variable speed mode. In this case, the load between the parallel operating diesel generators is distributed in proportion to their rotation frequencies, regardless of the individual loading of the propulsion motors. To stabilize voltage of the diesel generators operating in the variable speed mode, a power semiconductor converter is used. Functional scheme and mathematical simulation model of the ship single power station, graphs of transient processes with load changes in the channel of electric propulsion system of the vessel are presented.

Key words: power plant, electric propulsion system, DC link, variable speed diesel generator.

REFERENCES

1. Burda E. M., Khvatov O. S., Tarpanov I. A., Kshtaltnyi N. I. Variant edinoi elektrostantsii kolesnogo sud-na s elektrodvizheniem [Variant of the integral power plant of wheeled vessel with electric propulsion system].

Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2016, no. 2, pp. 102-108.

2. Khvatov O. S., Dar'enkov A. B. Dizel'-generatornaia elektrostantsiia peremennoi skorosti vrashcheniia [Diesel-generator power plant of variable speed]. Elektrotekhnika, 2014, no. 3, pp. 28-32.

3. Khvatov O. S., Dar'enkov A. B. Edinaia elektrostantsiia transportnogo ob"ekta s elektrodvizheniem na ba-ze dizel'-generatornoi ustanovki peremennoi chastoty vrashcheniia [Integral power plant of a cargo ship with electric propulsion based on variable speed diesel generator]. Elektrotekhnika, 2016, no. 3, pp. 35-40.

4. Khvatov O. S., Dar'enkov A. B., Samoiavchev I. S., Poliakov I. S. Avtonomnye generatornye ustanovki na osnove dvigatelei vnutrennego sgoraniia peremennoi chastoty vrashcheniia: monografiia [Autonomous generator units based on variable speed internal combustion engines: monograpg]. Nizhniy Novgorod, Nizhegorodskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet im. R. E. Alekseeva, 2016. 172 p.

5. Khvatov O. S., Dar'enkov A. B., Samoiavchev I. S. Toplivnaia ekonomichnost' edinoi elektrostantsii avtonomnogo ob"ekta na baze dvigatelia vnutrennego sgoraniia peremennoi skorosti vrashcheniia [Fuel efficiency of the integral power plant on autonomous facility based on variable speed internal combustion engine]. Ek-spluatatsiia morskogo transporta, 2012, no. 1 (71), pp. 47-50.

The article submitted to the editors 26.12.2017

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Khvatov Oleg Stanislavovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport; khvatov_oleg@mail.ru.

Burda Evgeny Mordcovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Assistant Professor of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport; Burda1951@mail.ru.

Tarpanov Ilya Aleksandrovich - Russia, 603950, Nizhniy Novgorod; Volga State University of Water Transport; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Senior Lecturer of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport; Fillin2003@mail.ru.

Dar'enkov Andrey Borisovich — Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R. E. Alekseev; Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer; Head of the Department of Electrical Equipment, Electric Drive and Automation; epa@nntu.ru.

Kobyakov Dmitry Sergeevich - Russia, 603950, Nizhny Novgorod; Volga State University of Water Transport; Postgraduate Student of the Department of Electric Engineering and Electric Equipment of Water Transport; dima-hunter@mail.ru.