Параллельная работа водородного источника электроэнергии с инвертором тока и синхронного генератора в автономных электроэнергетических системах переменного тока

УДК 621.3.031:629.3.06

A. Т. Бурков, А. Н. Марикин,

B. В. Никитин, А. В. Третьяков

ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ВОДОРОДНОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С ИНВЕРТОРОМ ТОКА И СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В АВТОНОМНЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дата поступления: 02.10.2017 Решение о публикации: 13.11.2017

Аннотация

В статье приведены материалы синтеза комбинированного источника электрической энергии для автономной энергетической системы с дизель-генератором (турбогенератором) и водородным источником энергии. Цель: Обосновать структуру и параметры энергетического канала автономной электроэнергетической установки, основанной на принципе форсирования мощности при параллельной работе на общую нагрузку двух источников электрической энергии - синхронного генератора и водородного источника энергии. Методы: Использовано математическое моделирование основных энергетических процессов, включая процессы управления распределением активных и реактивных мощностей в автономной электроэнергетической системе при параллельной работе синхронного генератора и водородного источника электроэнергии. Результаты: Поставлены и решены задачи структурного синтеза комбинированной энергетической установки с использованием электронного преобразователя на основе инвертора тока, обоснования критериев энергоэффективной работы и алгоритмов управления автономной электроэнергетической системой с минимизированием энергообмена между синхронным генератором и инвертором тока. Практическая значимость: Новые результаты рекомендуется использовать при проектировании энергетических систем с улучшенными технико-экономическими и экологическими показателями для применения в автономных энергетических установках на транспорте.

Ключевые слова: Водородный источник электроэнергии, синхронный генератор, инвертор тока, автономная электроэнергетическая система.

Anatoliy T. Burkov, D. Sci. Eng., professor; Alexander N. Marykyn, D. Sci. Eng., professor, head of a chair; *Victor V. Nikityn, D. Sci. Eng., associate professor; Alexander V. Tretyakov, D. Sci. Eng., professor, avtretiakov51@yandex.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) PARALLEL OPERATION OF HYDROGEN POWER SOURCE WITH CURRENT INVERTER AND SYNCHRONOUS GENERATOR IN SELF-CONTAINED ELECTRIC-POWER SYSTEMS OF ALTRENATING CURRENT

Summary

The data on the synthesis of a combined electric power source for a self-contained electric-power system with a diesel generator (turbo-generator) and hydrogen power source was presented in the article. Objective: To justify the structure and parameters of a power channel of a self-contained electric power plant based on power augmentation with parallel operation on the total load of two electric power sources - synchronous generator and hydrogen power source. Methods: Mathematical modeling of the main power processes was applied, including the processes of active and reactive power distribution control in a self-contained electric power system with parallel operation of synchronous generator and hydrogen power source. Results: The tasks of structural synthesis of a combined power plant with current-based electronic inverter application, as well as justifications of power-efficient operation criteria and control algorithms of a self-contained electric power system with minimized power interchange between synchronous generator and current inverter were set and solved. Practical importance: New results are recommended to use in the design of power systems with improved technical and economic as well

Keywords: Hydrogen power source, synchronous generator, current inverter, self-contained electric-power system.

Водородные источники электроэнергии (ВИЭ) позволяют создавать воздухонезависимые энергоустановки, обеспечивать форсирование мощности источников энергии в особо тяжелых условиях, повышать экономичность и экологические показатели первичных тепловых двигателей дизель(турбо)-генераторов в режимах частичных нагрузок [1-6]. Одним из возможных вариантов компоновки автономной электроэнергетической системы (АЭЭС) с ВИЭ является система, когда последний работает на сеть переменного тока через инвертор тока. Достоинствами такого варианта являются: возможность регулирования активной мощности ВИЭ в широком диапазоне, отсутствие надобности в системе синхронизации инвертора тока с синхронными генераторами, возможность исполнения силовой части инвертора на низкочастотных и недорогих однооперационных тиристорах, относительная простота системы и алгоритмов управления.

Структура, система управления и алгоритмы регулирования энергетического канала с ВИЭ

Установлено [7, 8], что наилучшими эксплуатационными характеристиками обладает энергетический канал с ВИЭ и инвертором тока (ИТ), в состав которого входит промежуточный импульсный преобразователь повышающего типа (ИППТ). В таком варианте ИППТ выполняет роль регулятора тока инвертора, что позволяет существенно сократить генерируемую инвертором емкостную мощность. Кроме этого, ИППТ обеспечивает повышение входного напряжения инвертора и снижение тока, коммутируемого инвертором, т. е. значительно снижает интервалы коммутации тиристоров инвертора, за счет

чего снижается степень искажения формы напряжения и тока нагрузки. Эффективное регулирование выходной мощности вспомогательного энергетического канала (ВИЭ-ИППТ-ИТ) может быть обеспечено за счет изменения относительного времени открытого состояния параллельного транзисторного ключа ИППТ X.

Наряду с требованиями регулирования выходной мощности канала в широком диапазоне и удовлетворительного качества электропитания нагрузок к структуре ВИЭ-ИППТ-ИТ должно предъявляться требование обеспечения удовлетворительного качества переходных процессов. Исследование на математической модели показало, что наиболее благоприятные переходные процессы обеспечиваются при управлении структурой ВИЭ-ИППТ-ИТ по алгоритму «токового коридора», когда задаваемой величиной является ток ВИЭ. Достоинством такого способа управления является то, что ток ВИЭ в переходном режиме будет колебаться вблизи заданного значения. Отклонение мгновенного значения тока ВИЭ от заданного среднего, а значит, и частота коммутации транзисторного ключа ИППТ будут определяться шириной петли релейного элемента и/или частотой импульсов тактового генератора, входящих в систему управления.

Характерной особенностью работы ВИЭ через полупроводниковые преобразователи является пульсирующий характер тока ВИЭ. В структуре ВИЭ-ИППТ-ИТ частота и диапазон пульсаций тока ВИЭ определяются указанными настройками системы управления ИППТ. Пульсации тока ВИЭ нежелательны, поэтому частота коммутации транзисторного ключа ИППТ должна быть максимальной для транзистора конкретного типа.

Энергетические соотношения и вопросы регулирования мощности при параллельной работе ВИЭ с инвертором тока и синхронного генератора

Рассмотрим режим перевода части активной мощности статической нагрузки с генератора на инвертор тока, т. е. на ВИЭ, при условии, что мощность статической нагрузки сохраняется неизменной. Такой режим возможен, например, в энергосистеме с несколькими дизель(турбо)-генераторами, когда один из генераторов выводится из работы для технического обслуживания, а его нагрузку принимает на себя ВИЭ. В этом случае комплексная мощность, генерируемая инвертором тока с учетом опережающего характера его тока, будет иметь вид

^инв _ ^инв 3 О-инв'

где Ринв, 0инв - активная и реактивная (емкостная) мощность фазы инвертора тока, соответственно.

Если мощность статической нагрузки сохраняется при этом неизменной, то новое значение мощности генератора будет определяться балансом мощности:

= ^Ф.Н - ^инв = (Рт - Ринв ) + 3 (От + Оинв ) •

Таким образом, в рассматриваемом режиме включение инвертора тока на параллельную работу с синхронным генератором приводит к необходимости снижать активную и увеличивать реактивную мощность генератора. К аналогичному выводу относительно реактивной мощности генератора можно прийти, рассматривая режим форсирования мощности, когда возросшая мощность нагрузки превышает мощность генератора и обеспечивается подключением водородного источника параллельно генератору.

Зависимости угловой скорости первичных двигателей генераторов от активной мощности генераторов Р,, как известно, обладают статизмом, т. е. частота генерируемого напряжения юг с ростом активной мощности генератора несколько снижается. Частота выходного напряжения инвертора юинв, напротив, не связана функциональной зависимостью с его активной мощностью Ринв. При параллельной работе генератора и инвертора необходимо так регулировать частоту инвертора, чтобы она находилась в равенстве с частотой генератора (юинв = юг) при любой активной мощности последнего. Для этого система управления инвертором должна получать информацию о текущем значении частоты напряжения генератора.

Реактивная мощность генератора регулируется путем воздействия на его ток возбуждения. Рассмотрим режим перевода части активной мощности неизменной нагрузки с генератора на ВИЭ (инвертор тока). В этом случае при условии стабилизации напряжения и на нагрузке реактивная мощность генератора Qг должна увеличиваться за счет уменьшения его угла нагрузки 9 и увеличения ЭДС Е0 и тока возбуждения генератора согласно выражению (для неявнополюсного генератора):

От = — (ЕоСС8 е-и),

где хс - синхронное индуктивное сопротивление генератора.

Аналогичным образом необходимо регулировать ток возбуждения генератора при подключении параллельно ему водородного источника через инвертор тока и в режиме форсирования мощности нагрузки, когда требуется увеличивать как угол нагрузки 9 генератора, так и его ток возбуждения.

Основные расчетные соотношения в энергетическом канале ВИЭ-ИППТ-ИТ

Соотношения между входными и выходными токами и напряжениями инвертора тока получим для трехфазной мостовой схемы (см. рисунок). Выходной ток инвертора ¿инв представляет собой двуполярные импульсы, длительность каждого из которых составляет одну треть периода. Пренебрегая изменением мгновенного значения тока в импульсе, а также коммутацией тока в вентилях, амплитуду k-й гармоники выходного тока инвертора можно записать в виде соотношения, подынтегральная часть которого содержит входной ток инвертора Id, являющийся одновременно выходным током ИППТ [9]:

4 5T/12 41 п п

lUHB m =— í sin k&tdt = —- sin k—sin k—,

инв.т rrf j d i ^

T T/12 kn 2 3

откуда действующее значение основной гармоники выходного тока инвертора получим в виде

1инв = Id ~ °'78Id •

П

Начальная фаза основной гармоники выходного тока инвертора зависит от угла в опережения отпирания тиристоров инвертора и угла их коммутации у:

Уйшв =Р- 2 •

Угол коммутации у может быть найден из уравнения коммутации, которое для трехфазного мостового инвертора имеет вид [10, 11]

21 X

cos(B - y) - cos В = —Л—-,

V6 Цф

где Х - индуктивное сопротивление на выходе инвертора, которое учитывает индуктивное сопротивление выходных дросселей инвертора тока и эквивалентное сопротивление параллельно включенных фазы нагрузки и индуктивного сопротивления Х коммутации фазы обмотки статора синхронного генератора; U - фазное напряжение.

Индуктивное сопротивление коммутации синхронного генератора Хг определяется как среднее арифметическое сверхпереходного сопротивления по продольной оси и сопротивления обратной последовательности [12, 13]:

Х", + Х0 3Х", + Х'1

2 4

Из уравнения коммутации угол коммутации у

у = в - arccos

2 Iи Ха а а+cosв

л/6 и

ф

У

Входное напряжение трехфазного мостового инвертора иа связано с фазным напряжением иф сети соотношением

иа = в+1аХа

п/3

где ксх - коэффициент, зависящий от схемы инвертора; для трехфазной мостовой схемы к = 2,34.

сх '

Для алгоритма управления ИППТ по принципу «токового коридора» связь между входными значениями напряжения и и тока инвертора и выходными значениями напряжения ивиэ и тока I водородного источника может быть с достаточной точностью записана через баланс мощности в ИППТ:

= ивиэ1 виэ - 1виэ(гв + ГУГ ),

где Г+Гут - сопротивление входного дросселя ИППТ и сопротивление цепи параллельного транзисторного ключа ИППТ.

Принципиальная схема автономной энергосистемы при параллельной работе ВИЭ через инвертор тока и синхронного генератора на общую нагрузку

Зависимость напряжения на зажимах ВИЭ от его тока в данном выражении целесообразно аппроксимировать линейной функцией, исходя из известной внешней характеристики ВИЭ принятого типа:

ивиэ = Е0 IвиэRвиэ,

где Е - условная ЭДС ВИЭ при нулевом токе нагрузки; Явиэ - динамическое сопротивление ВИЭ на интервале аппроксимации его внешней характеристики.

Оценка степени искажения формы напряжения сети инвертором тока

Наиболее важным недостатком энергетических каналов с ВИЭ, работающим на сеть переменного тока через инвертор тока, является существенное искажение формы напряжения сети. По этой причине важно оценить степень искажения напряжения сети, чтобы в дальнейшем рассчитать параметры выходного фильтра инвертора тока.

Если принять допущение, что форма выходного тока инвертора представляет собой прямоугольные импульсы чередующейся полярности, разделенные бестоковой паузой продолжительностью в одну шестую часть периода, т. е. пренебречь длительностью процесса коммутации вентилей инвертора, считая у = 0, то для амплитуды k-й гармоники тока справедливо выражение [9]

4 Id . kn . kn Im(k) =-- sin — sin-.

m(k) kn 2 3

Если угол коммутации тиристоров инвертора достаточно велик, и пренебречь им нельзя, то форму токовых импульсов инвертора можно считать трапецеидальной, а амплитуда k-й гармоники выходного тока инвертора должна рассчитываться по формуле

т = 8 Id

Im( k) = , 2 sin

kпу

k y

v~2 y

í

cos

6

k п

V ~6 y

Зная амплитуды гармонических составляющих выходного тока инвертора и параметры цепей генератора и нагрузки, можно рассчитать соответствующие им гармоники напряжения на нагрузке и оценить коэффициент его несинусоидальности.

Для действующего значения к-й гармоники напряжения на нагрузке имеем

т'т _ 1

где 1(к) - к-я гармоника тока инвертора; Ег - ЭДС генератора; Уг(к),УН(к) -комплексы проводимостей цепей генератора и нагрузки, соответственно, для к-й гармоники тока.

Уменьшить степень искажающего влияния инвертора тока на форму напряжения на нагрузке можно с помощью выходного ХС-фильтра инвертора тока. Параметры такого фильтра можно найти из следующих соображений.

Падение напряжения на индуктивном элементе фильтра Ли.^ от основной гармоники тока не должно оказывать существенного влияния на работу энергосистемы, поэтому это значение целесообразно ограничить неравенством

где ин - напряжение нагрузки (напряжение ГРЩ); е - относительное (в долях ин) допустимое значение падения напряжения на индуктивном элементе фильтра.

Тогда индуктивность фильтра можно связать с напряжением нагрузки и током инвертора I соотношением

1 1 инв

^ < и

ф ^ Т ш(1)1 инв

Старшей подавляемой в нагрузке гармоникой тока для трехфазной мостовой схемы инвертора является пятая гармоника. Эквивалентное сопротивление параллельно включенных фазы нагрузки и фазы генератора для пятой гармоники тока

7 _ ^н

Чтобы ослабить пятую гармонику тока в нагрузке, например в 10 раз, емкость выходного фильтра инвертора необходимо найти из выражения

с - 10

сф - •

Ю

Заметим, что существенного снижения вредного влияния инвертора тока на качество питания потребителей можно добиться в рассмотренной структуре, если инвертор тока выполнен на запираемых ключевых элемен-

тах (полностью управляемых тиристорах или транзисторах) с широтно-импульсной модуляцией [14, 15]. В этом случае можно обеспечить допустимый коэффициент несинусоидальности по напряжению и току нагрузки при менее громоздких реактивных элементах на выходе инвертора тока.

Заключение

Наиболее целесообразной структурой исполнения энергетического канала с водородным источником электроэнергии, работающим на сеть переменного тока через инвертор тока, является структура, содержащая импульсный преобразователь повышающего типа в качестве промежуточного регулятора входного тока инвертора. Такая структура обеспечивает минимальный реактивный энергообмен между инвертором тока и синхронным генератором и наименьшее вредное влияние инвертора тока на форму напряжения и тока нагрузки.

При включении водородного источника электроэнергии через инвертор тока на параллельную работу с синхронным генератором реактивная мощность последнего должна увеличиваться, чтобы скомпенсировать избыточную емкостную мощность, генерируемую инвертором тока в автономную электрическую сеть.

Приведены расчетные соотношения для определения основных параметров энергетического канала с водородным источником электроэнергии, импульсным преобразователем повышающего типа и инвертором тока, а также оценки степени искажающего влияния инвертора тока на форму напряжения сети.

Библиографический список

1. Hammerschmidt A. E. Fuel Cells Propulsion of Submarines / E. Albert // Advanced Naval Propulsion Symp. 2006, Oct. 30-31. - Arlington (VA, USA), 2006.

2. Аваков В. Б. Современный этап развития электрохимических энергоустановок и перспективы их использования на морских технических средствах / В. Б. Аваков, И. К. Ландграф, Г. В. Кулаков, Н. П. Шаманов, А. Н. Калмыков // Морской вестн. - 2008. -№ 3. - С. 33-38.

3. Хожаинов А. И. Экологически чистый источник энергии для автономного локомотива / А. И. Хожаинов, Б. В. Рудаков, Г. Е. Середа, В. В. Никитин // Железнодорожный транспорт. - 1999. - № 7.

4. Nikitin V. V. Generator Cars with Hybrid Power Plants / V. V. Nikitin, A. N. Marikin, A. V. Tret'akov // Rus. Electric Eng. - 2016. - Vol. 87, no 5. - Р. 260-265.

5. Miller A. R. System Design of Large Fuel-cell Hybrid Locomotive / A. R. Miller, K. S. Hess, D. L. Barnes, T. L. Erickson // J. Power Sources. - 2007. - 173. - P. 935-942.

6. Miller A. R. Analysis of Fuell-cell Hybrid Locomotives / A. R. Miller, J. Peters, B. E. Smith, O. A. Velev // J. Power Sources. - 2006. - 157. - P. 855-861.

7. Байко А. В. Автономные электроэнергетические системы с синхронными генераторами и водородными источниками электроэнергии / А. В. Байко, В. В. Никитин, Е. Г. Середа // Электротехника. - 2015. - № 8. - С. 47-53.

8. Байко А. В. Водородные источники электроэнергии с инверторами тока в судовых электростанциях переменного тока / А. В. Байко, В. В. Никитин, Е. Г. Середа // Электротехника. - 2017. - № 6. - С. 36-42.

9. Толстов Ю. П. Автономные инверторы тока / Ю. П. Толстов. - М. : Энергия, 1978. -

208 с.

10. Бурков А. Т. Электроника и преобразовательная техника / А. Т. Бурков. - М. : УМЦ ЖДТ, 2015. - 480 с.

11. Розанов Ю. К. Силовая электроника / Ю. К. Розанов, М. В. Рябчицкий, А. А. Квас-нюк. - М. : МЭИ, 2007. - 632 с.

12. Анисимов Я. Ф. Электромагнитная совместимость полупроводниковых преобразователей и судовых электроустановок / Я. Ф. Анисимов, Е. П. Васильев. - Л. : Судостроение, 1990. - 263 с.

13. Колесник И. К. Электропередачи тепловозов на переменно-постоянном токе / И. К. Колесник. - М. : Академкнига, 2005. - 156 с.

14. Лазарев Г. Б. Электромагнитная совместимость высоковольтных преобразователей частоты с системами электроснабжения и электродвигателями собственных нужд тепловых электростанций / Г. Б. Лазарев // Электротехника. - 2004. - № 10. - С. 33-42.

15. Zheng Wang. Hybrid PWM for High-Power Current-Source-Inverter-Fed Drives With Low Switching Frequency / Zheng Wang, Bin Wu, Dewei Xu, Zargari N. // Power Electronics, IEEE Transactions on. - 2011. - Vol. 26. - P. 1754-1764.

References

1. Hammerschmidt A. E. Fuel Cells Propulsion of Submarines. Advanced Naval Propulsion Symp. Arlington, VA, USA, 2006, Oct. 30-31.

2. Avakov V. B., Landgraf I. K., Kulakov G. V., Shamanov N. P. & Kalmykov A. N. Current stage of electrochemical power installations development and application on maritime facilities [Sovremenniy etap razvitiya elektromekhanicheskykh energoustanovok i perspektyvy ikh ispol-zovaniya na morskykh tekhnicheskykh sredstvakh]. Maritime Bull. [Morskoy Vestnyk], 2008, no. 3, pp. 33-38.

3. Khozhainov A. I., Rudakov B. V., Sereda G. Y. & Nikityn V. V. Ekologichesky chis-tiy istochnik energii dlya avtonomnogo lokomotiva [Ecologically-sage energy source for a self-powered locomotive]. Railway transp. [Zheleznodorozhnyi transport], 1999, no. 7.

4. Nikitin V. V., Marikin A. N. & Tretyakov A. V. Generator Cars with Hybrid Power Plants. Rus. Electric Eng., 2016, vol. 87, no. 5, pp. 260-265.

5. Miller A. R., Hess K. S., Barnes D. L. & Erickson T. L. System Design of Large Fuel-cell Hybrid Locomotive. J. Power Sources, 2007, 173, pp. 935-942.

6. Miller A. R., Peters J., Smith B. E. & Velev O. A. Analysis of Fuel-cell Hybrid Locomotives. J. Power Sources, 2006, 157, pp. 855-861.

7. Baiko A. V., Nikityn V. V. & Sereda E. G. Avtonomniye elektroenergetycheskiye syste-my s synkhronnymy generatoramy i vodorodnymy istochnykamy elektroenergii [Self-contained electric power systems with synchronous generators and hydrogen power sources], Electric eng. [Elektrotechnika], 2015, no. 8, pp. 47-53.

8. Baiko A. V., Nikityn V. V. & Sereda E. G. Vodorodniye istochniky elektroenergii s in-vertoramy toka v sudovykh elektrostantsiyakh peremennogo toka [Hydrogen power sources with current inverters in maritime electric plants of alternating current]. Electric eng. [Elektrotechnika], 2017, no. 6, pp. 36-42.

9. Tolstov Y. P. Self-contained current inverters [Avtonomniye invertory toka]. Moscow, Energiya, 1978, 208 p.

10. Burkov A. T. Elektronika i preobrazovatelnaya tekhnika [Electronic engineering and converter equipment]. Moscow, Uchebno-metodychesky tsentr po obrazovanyju na zheleznodor-ozhnom transporte, 2015, 480 p.

11. Rozanov Yu. K., Ryabchytskiy M. V. & Kvasnyuk A. A. Power electronics [Sylovaya elektronika]. Moscow, Moscow Power Eng. Inst., 2007, 632 p.

12. Anysymov Ya. F. & Vasilyev Ye. P. Elektromagnitnaya sovmestymost poluprovod-nikovykh preobrazovateley i sudovykh elektroustanovok [Electromagnetic compatibility semiconductor converters and maritime electric plants]. Leningrad, Sudostroyeniye, 1990, 263 p.

13. Kolesnik I. K. et al. Power transmission of diesel electric locomotives on alternating-direct current [Elektroperedachy teplovozov na peremenno-postoyannom toke]. Moscow, Aka-demkniga, 2005, 156 p.

14. Lazarev G. B. Electromagnetic compatibility of high voltage converter units with power-supply systems and auxiliary electric motors of thermal stations [Elektromagnytnaya sovmestymost vysokovoltnykh preobrazovateley chastoty s systemamy elektrosnabzheniya i elektrodvygatelyamy sobstvennykh nuzhd teplovykh elektrostantsiy]. Electric eng. [Elektrotechnika], 2004, no. 10, pp. 33-42.

15. Zheng Wang, Bin Wu, Dewei Xu & Zargari N. Hybrid PWM for High-Power Current-Source-Inverter-Fed Drives With Low Switching Frequency, Power Electronics, IEEE Transactions on, 2011, vol. 26, pp. 1754-1764.

БУРКОВ Анатолий Трофимович - доктор техн. наук, профессор; МАРИКИН Александр Николаевич - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой; НИКИТИН Виктор Валерьевич - доктор техн. наук, доцент, профессор; ТРЕТЬЯКОВ Александр Владимирович - доктор техн. наук, профессор, avtretiakov51@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).