Способ управления автономной энергоустановкой (варианты)
METHOD FOR CONTROLLING AN AUTONOMOUS POWER PLANT (OPTIONS)

Группа изобретений относится к области электротехники, в частности, к автоматическому управлению автономной энергоустановкой (АЭУ), к электрическому генератору которой подключаются потребители. При этом электрическая мощность АЭУ обычно равна или несколько превышает суммарную мощность ее потребителей.
Известны способы управления несколькими турбогенераторами, работающими в режиме следования за нагрузкой, с подключенной параллельно силовой внешней сетью, когда доля питания от силовой сети поддерживается на нулевом уровне при стационарных по мощности режимах работы [патенты US 6664653 В1 кл. F02N 11/06; US 7122916 В2 кл. H02J 3/04]. Силовая сеть служит буфером, компенсирующим недостаток мощности при переходных процессах подключения потребителей. Однако при отключении потребителей возникает обратный переток мощности в силовую внешнюю сеть, который при определенных условиях приводит к неустойчивой работе всей системы электроснабжения в целом.
Известен способ управления турбогенераторами АЭУ, работающими полностью изолированно от силовой внешней сети [патент RU 2479908 кл. H02J 3/46]. В режиме работы изолированно от силовой внешней сети при формировании управляющего воздействия используют сигнал запроса на подключение одного или несколько потребителей, определяют добавочную мощность как значение мощностей подключаемых потребителей и формируют сигнал на плавное подключение балластных сопротивлений со скоростью не более заданного значения, при равенстве мощности на балластных сопротивлениях и добавочной мощности производят отключение балластных сопротивлений и подключение потребителей.
Однако при обслуживании некоторых потребителей равенства мощности на балластных сопротивлениях и добавочной мощности
недостаточно. При переключении возникают переходные энергетические процессы из-за выраженного емкостного или индуктивного характера потребителей. А так как мощность АЭУ сравнима с суммарной мощностью потребителей, то названные процессы приводят к значительному ухудшению качества вырабатываемой электроэнергии - в первую очередь к изменению частоты тока и, как следствие, амплитуды выходного напряжения АЭУ, использующей электрогенераторы с ротором на постоянных магнитах, для которых эти величины жестко связаны между собой в пределах внешней характеристики.
Если турбина привода генератора АЭУ работает по замкнутому газодинамическому циклу Брайтона, то изменение мощности потребления вызывает, кроме того, изменение условий работы нагревателя в термодинамическом цикле. А если в качестве нагревателя применяется ядерный газоохлаждаемый реактор, то ситуация обостряется до предела. При массированном отключении потребителей или аварийном изменении в некоторых из них режима функционирования появляется избыточная тепловая мощность в нагревателе - газоохлаждаемом ядерном реакторе, которая приводит к возникновению тепловой аварии с возможным расплавлением активной зоны реактора. При обратном процессе - при возникновении электрической перегрузки АЭУ из-за изменения режимов работы потребителей или быстрого увеличения числа подключенных потребителей - возникает недостаток тепловой мощности нагревателя и возможен срыв работы турбогенератора с падением частоты и амплитуды напряжения, и даже выход из режима генерации электроэнергии. В последнем случае с неизбежностью развивается ядерная авария.
Единым техническим результатом для заявленной группы изобретений, является обеспечение постоянства выходных параметров вырабатываемой АЭУ электроэнергии при работе с переменным числом подключаемых потребителей при одновременном повышении надежности и безопасности эксплуатации АЭУ.
Указанный технический результат в первом варианте способа достигается тем, что в предлагаемом способе управления АЭУ, включающем подключение балластных сопротивлений до равенства электрической мощности на балластных сопротивлениях и добавочной электрической мощности подключаемых потребителей, отключение балластных сопротивлений и подключение потребителей, образуют из балластных сопротивлений выделенные секции, которые по электрическим параметрам равны каждая выделенному ей потребителю, и одну дополнительную секцию, электрическую мощность которой непрерывно регулируют, формируя сигнал регулирования по величине отклонения текущего значения либо частоты тока, либо амплитуды выходного напряжения АЭУ от своего номинального значения, для подключаемого потребителя увеличивают потребляемую электрическую мощность дополнительной секции по соотношению
ЭУ
П
ДС
ЭУ
αW+W≤W≤W,
где α - коэффициент мощности холостого хода АЭУ;
ЭУ
W - максимальная электрическая мощность АЭУ;
П
W - добавочная электрическая мощность подключаемого потребителя из перечня потребителей АЭУ;
ДC
W - потребляемая электрическая мощность дополнительной секции;
переключают добавочную электрическую мощность подключаемого потребителя с дополнительной секции на его выделенную секцию, выдерживают паузу для завершения переходных процессов АЭУ и переключают электрическую мощность на подключаемый потребитель с его выделенной секции.
Когда выделенные секции балластных сопротивлений по своим электрическим параметрам (электрическая мощность, характер нагрузки и его степень) равны каждая выделенному ей потребителю, то не происходит бросков напряжения и изменения частоты вырабатываемой электроэнергии
АЭУ при подключении потребителя, способных его повредить. Перестройка энергетики генератора АЭУ происходит ранее - при переключении добавочной электрической мощности подключаемого потребителя с дополнительной секции на его выделенную секцию.
ЭУ
зад
Непрерывная регулировка потребляемой дополнительной секцией электрической мощности обеспечивает постоянство заданной либо частоты тока, либо амплитуды выходного напряжения АЭУ при увеличении, уменьшении и на стационарном режиме вырабатываемой АЭУ электрической мощности. Сигнал регулирования формируют ПИД-регулятором по величине отклонения текущего значения либо частоты тока, либо амплитуды выходного напряжения от своего номинального значения и изменяют электрическую проводимость дополнительной секции в пределах потребляемой мощности ±αW, т.е. подгружают или разгружают генератор АЭУ, чтобы соответственно уменьшить или увеличить, например, текущее значение частоты тока АЭУ, приближая его к номинальному заданному значению N. При использовании генератора с ротором на постоянных магнитах частота тока генератора жестко связана с амплитудой выходного напряжения в пределах внешней характеристики. Поэтому сигнал регулирования можно также формировать по номинальному значению выходного напряжения генератора.
ЭУ
ЭУ
ЭУ
При запуске АЭУ доводят ее электрическую мощность до значения мощности холостого хода αW (при этом предел регулирования составляет ±αW, т.е. от нуля до 2αW).
П
зад
ЭУ
П
П
Для подключения потребителя мощностью W увеличивают электрическую мощность АЭУ, увеличивая мощность привода генератора, а увеличивающуюся вырабатываемую электрическую мощность принимают на дополнительную секцию балластных сопротивлений, например, отслеживая постоянство N. При достижении потребляемой электрической мощности на дополнительной секции значения αW+W переключают добавочную электрическую мощность W с дополнительной секции на соответствующую
выделенную секцию балластных сопротивлений, выдерживают паузу для завершения переходных энергетических процессов АЭУ и переключают электрическую мощность с его выделенной секции на подключаемый потребитель.
ЭУ
зад
При уменьшении мощности АЭУ, т.е. при отключении некоторого потребителя, последовательно переключают электрическую мощность на соответствующую ему выделенную секцию балластных сопротивлений и на дополнительную секцию. Затем, уменьшая мощность привода генератора АЭУ, одновременно уменьшают энергопотребление дополнительной секции до уровня αW, при этом непрерывно отслеживая, например, постоянство N.
зад
ЭУ
При любом стационарном режиме вырабатываемой АЭУ электрической мощности процесс отслеживания, например, N реализуется дополнительной секцией на уровне ±αW.
П
ЭУ
Дополнительная секция может быть разделена на основную, отвечающую за W, и автономную, отвечающую за ±αW.
Постоянство выходных параметров генератора обеспечивает требуемое качество вырабатываемой электроэнергии на всех режимах работы АЭУ, избавляет от неустойчивых состояний системы электроснабжения «АЭУ-потребители», повышает надежность эксплуатации системы.
При отказе в одном, нескольких или всех потребителях электрическую мощность переключают на соответствующие им выделенные секции балластных сопротивлений, избегая таким образом тепловой аварии в приводе генератора, повышая тем самым безопасность эксплуатации АЭУ.
ПH
ЭУ
ПH
При применении полезной нагрузки с мощностью W, превышающей электрическую мощность нескольких потребителей, использование дополнительной секции балластных сопротивлений с электрической мощностью αW+W и передача управления полезной нагрузке позволяют выполнить ее требуемые режимы работы и скважность, не изменяя тепловой мощности привода генератора АЭУ. Тем самым
дополнительно обеспечивается надежность и безопасность эксплуатации АЭУ при функционировании полезной нагрузки на разных режимах работы.
Таким образом, совокупность обсужденных выше отличительных признаков позволяет реализовать способ управления АЭУ с обеспечением постоянства выходных параметров вырабатываемой электроэнергии - постоянства частоты тока или амплитуды выходного напряжения - при одновременном повышении надежности и безопасности эксплуатации АЭУ.
Указанный технический результат во втором варианте способа достигается тем, что в предлагаемом способе управления АЭУ, включающем подключение балластных сопротивлений до равенства электрической мощности на балластных сопротивлениях и добавочной электрической мощности подключаемых потребителей, отключение балластных сопротивлений и подключение потребителей, образуют из балластных сопротивлений выделенные секции, которые по электрическим параметрам равны каждая выделенному ей потребителю, и одну дополнительную секцию, электрическую мощность которой непрерывно регулируют, формируя сигнал регулирования по величине отклонения текущего значения либо частоты тока, либо амплитуды выходного напряжения АЭУ от своего номинального значения, для подключаемого по перечню потребителя увеличивают потребляемую электрическую мощность дополнительной секции по соотношению
ЭУ
П
ДС
ЭУ
αW+W≤W≤W,
где α - коэффициент мощности холостого хода АЭУ;
ЭУ
W - максимальная электрическая мощность АЭУ;
П
W - добавочная электрическая мощность подключаемого потребителя из перечня потребителей АЭУ;
ДС
W - потребляемая электрическая мощность дополнительной секции;
переключают добавочную электрическую мощность подключаемого первого потребителя с дополнительной секции на его выделенную секцию и выдерживают паузу для завершения переходных процессов АЭУ, для
каждого последующего подключаемого потребителя из перечня потребителей АЭУ увеличивают потребляемую электрическую мощность дополнительной секции по вышеуказанному соотношению, переключают добавочную электрическую мощность с дополнительной секции на его выделенную секцию и выдерживают паузу для завершения переходных процессов АЭУ, в результате набирая максимальную электрическую мощность АЭУ на выделенных секциях, при запросе переключают электрическую мощность на любые подключаемые потребители с их выделенных секций.
Вывод АЭУ на максимальную электрическую мощность с нагружением всех выделенных секций балластных сопротивлений и последующим переключением электрической мощности на подключаемый потребитель с его выделенной секции не требует изменения мощности привода генератора АЭУ, т.е. изменения тепловой мощности нагревателя - ядерного реактора. Аварийное или плановое отключение одного, нескольких или всех потребителей производится обратным переключением электрической мощности на соответствующие выделенные секции и также не изменяет тепловой мощности привода генератора АЭУ.
Если в качестве нагревателя применяется ядерный газоохлаждаемый реактор, то работа ядерного реактора на постоянной тепловой мощности значительно повышает надежность и безопасность его эксплуатации и АЭУ в целом, при этом вопрос экономии электроэнергии является второстепенным.
На фиг. 1 представлен пример структурной схемы системы для осуществления заявляемых вариантов способа управления АЭУ.
На фиг. 2 приведена структурная схема блока генератора АЭУ в виде турбокомпрессора-генератора с открытым газодинамическим циклом.
На фиг. 3 приведена структурная схема блока генератора АЭУ в виде турбокомпрессора-генератора с замкнутым газодинамическим циклом Брайтона.
На фиг. 1, 2, 3 показаны:
1 - электрический генератор,
2 - привод генератора,
2.1 - турбина,
2.2 - компрессор,
2.3 - нагреватель,
2.4 - холодильник.
3 - система управления и защиты нагревателя (СУЗ),
4 - система автоматического управления автономной энергоустановкой (САУ)
5 - система преобразования и распределения электрической энергии (СПРЭЭ),
6 - коммутатор САУ,
7.i - потребитель электроэнергии АЭУ, где i=1…N,
8.i - выделенная секция балластных сопротивлений, соответствующая потребителю 7.i, где i=1…N,
9 - дополнительная секция балластных сопротивлений,
10 - полезная нагрузка (ПН),
11 - устройство обеспечения запуска (УОЗ),
12 - устройство изменения давления (УИД) газообразного рабочего тела.
К автономной энергоустановке (фиг. 1), содержащей генератор 1, привод 2, систему управления и защиты нагревателя 3, через СПРЭЭ 5 и коммутатор 6 САУ 4 могут быть подключены потребители электроэнергии 7.i, выделенные секции балластных сопротивлений 8.i, дополнительная секция балластных сопротивлений 9, полезная нагрузка 10. УОЗ 11 работает от автономного источника энергии, это стартер, который служит для раскрутки привода 2. Привод 2 генератора 1 может быть выполнен различно:
I - в виде ДВС - двигателя внутреннего сгорания на разных видах топлива;
II - в виде турбокомпрессора с открытым газодинамическим циклом (фиг. 2), содержащим турбину 2.1, компрессор 2.2 и нагреватель газообразного рабочего тела 2.3 (например, камера сгорания топлива);
III - в виде турбокомпрессора с замкнутым газодинамическим циклом Брайтона (фиг. 3), содержащим дополнительно холодильник 2.4 и устройство изменения давления газообразного рабочего тела 12. В качестве нагревателя 2.3 возможно применение газоохлаждаемого ядерного реактора.
ЭУ
Система, реализующая заявляемый первый вариант способа управления АЭУ, работает следующим образом (фиг. 1). При запуске АЭУ стартер 11 раскручивает привод 2 генератором 1, работающим в режиме электродвигателя, до холостого хода АЭУ. При этом дополнительная секция 9 нагружается на первоначальное значение мощности αW, необходимое для устойчивой работы АЭУ на холостом ходу.
Пi
ЭУ
Пi
ЭУ
При запросе на подключение какого-либо потребителя 7.i САУ 4 определяет добавочную мощность как значение мощности W подключаемого потребителя 7.i и начинает через СУЗ 3 плавно увеличивать мощность привода 2 и вырабатываемую генератором 1 электрическую мощность, которая принимается дополнительной секцией 9. При достижении на дополнительной секции 9 значения потребляемой электрической мощности αW+W САУ 4 отключает дополнительную секцию 9 и подключает выделенную секцию 8.i, соответствующую потребителю 7.i. При этом САУ 4 непрерывно формирует сигнал регулирования мощности ±αW по величине отклонения текущего значения либо частоты тока, либо амплитуды выходного напряжения АЭУ от своего номинального значения.
В момент отключения дополнительной секции 9 и подключения выделенной секции 8.i происходит возникновение и перестроение электрических энергетических процессов в общей системе «генератор 1 - выделенная секция 8.i» в случае выраженного емкостного или индуктивного характера. Выдерживают паузу для завершения перестройки энергетических процессов АЭУ. Подключение потребителя 7.i при отключении выделенной секции 8.i уже не вызывает новой перестройки энергетических процессов в
общей системе «генератор 1 - выделенная секция 8.i - потребитель 7.i», поскольку каждая выделенная секция 8.i по электрическим характеристикам соответствует своему потребителю 7.i.
Набор потребляемой электрической мощности на дополнительной секции 9 для подключения какой-либо выделенной секции 8.i происходит на фоне увеличения мощности привода 2 и соответственно генератора 1. И если у приводов I и II типов (см. выше) - с открытым топливным циклом - процесс изменения мощности происходит просто увеличением расхода топлива, то для привода III типа - с закрытым газодинамическим циклом Брайтона - он довольно сложный и медленный во времени. В этом случае мощность привода 2 повышают увеличением с помощью УИД 12 (фиг. 3) давления газообразного рабочего тела (ГРТ) в газодинамическом контуре 2.1 - 2.4 - 2.2 - 2.3 при поддержании, например, частоты вращения ротора 1 - 2.2 - 2.1 постоянной и при одновременном увеличении системой СУЗ 3 тепловой мощности нагревателя - ядерного газоохлаждаемого реактора 2.3 при поддержании температуры разогрева ГРТ на выходе из нагревателя 2.3 постоянной.
2.1-2.4-2.2-2.3
ТЕПЛ 2.3
2.3
ЗАД
1.2.2-2.1
ЗАД
ЭУ
Пi
Другими словами, при переходном процессе увеличения мощности АЭУ увеличивают давление ГРТ в газодинамическом контуре Р ≠ const и тепловую мощность нагревателя - реактора 2.3 W≠const «микрошагами» так, чтобы температура ГРТ на выходе из нагревателя - реактора 2.3 оставалась бы постоянной и равной заданной Т=const=Т, а потребляемая дополнительной секцией 9 электрическая мощность компенсировала бы увеличение электрической мощности генератора 1 так, чтобы частота вращения ротора 1 - 2.2 - 2.1 оставалась бы постоянной и равной заданной N=const=N вплоть до достижения электрической мощности αW+W.
2.1-2.4-2.2-2.3
При стационарной работе АЭУ давление ГРТ в газодинамическом контуре, тепловую мощность реактора 2.3 и электрическую мощность потребления сохраняют постоянными на достигнутом уровне Р =
ТЕПЛ 2.3
Пi
ЭУ
1.2.2-2.1
ЗАД
2.3
ЗАД
2.3
max
const, W=const и W=const, а потребляемая дополнительной секцией 9 электрическая мощность ±αW, подгружая и разгружая генератор 1, корректирует изменение частоты вращения ротора 1 - 2.2 - 2.1 так, чтобы она оставалась бы постоянной и равной номинальной заданной N=const=N (при этом температура на выходе нагревателя - реактора 2.3 изменяется в узком пределе Т≠const=Т±ΔT). Кроме того, СУЗ 3 постоянно отслеживает значение температуры Т на выходе из нагревателя-ядерного реактора 2.3 с целью непревышения максимального значения T, определенного для конструкции реактора как предельно допустимое.
Можно кратко записать обсужденные выше процессы:
Пi
- процесс увеличения мощности АЭУ до W:
2.1-2.4-2.2-2.3
ТЕПЛ 2.3
Р≠const и возрастает; W≠const и возрастает;
2.3
ЗАД
max
так, чтобы Т=const=Т<T;
ДС
ЭУ
Пi
ЗАД
а W≠const и возрастает до αW+W так, чтобы N=const=N;
ЭУ
Пi
- процесс стационарной работы АЭУ на достигнутом уровне мощности αW+W:
2.1-2.4-2.2-2.3
ТЕПЛ 2.3
Пi
Р=const; W=const; W=const;
ДС
ЭУ
ЗАД
a W≠const=±αW так, чтобы N=const=N;
2.3
ЗАД
max
и Т≠const=Т±ΔT≤T.
ЭУ
Возможен переходный процесс уменьшения мощности АЭУ, описанный ранее, для ядерного реактора в качестве нагревателя 2.3 он не типичен, но возможен при переводе АЭУ в ждущий режим (холостой ход) αW:
2.1-2.4-2.2-2.3
ТЕПЛ 2.3
Р≠const и уменьшается; W≠const и уменьшается;
2.3
ЗАД
max
так, чтобы Т=const=Т<T;
ДС
ЭУ
ЗАД
а W≠const и уменьшается до αW так, чтобы N=const=N;
ПH
Для включения полезной нагрузки 10, электрическая мощность W которой превышает электрическую мощность нескольких потребителей, дополнительная секция 9 служит ее имитатором. В этом случае производят переключение электрической мощности с дополнительной секции 9 на
полезную нагрузку 10 и обратно в соответствии с требуемыми скважностью и режимом работы полезной нагрузки 10 и под ее управлением.
Пi
По второму варианту способа управления АЭУ вырабатываемую генератором 1 электроэнергию W последовательно по перечню воспринимают на выделенных секциях 8.1…8.N, при этом в результате выводят нагреватель 2.3 на номинальную (максимальную) тепловую мощность. Для ядерного реактора - нагревателя 2.3 работа на одном стационарном номинальном режиме значительно увеличивает надежность его функционирования, а также и АЭУ в целом, и обеспечивает качество вырабатываемой электроэнергии при всех переключениях электрической мощности на любые подключаемые потребители 7.i с их выделенных секций 8.i.
При возникновении необходимости отключения потребителей не нужно перестраивать режим работы как нагревателя 2.3, так и всего привода 2.1 -2.4 - 2.2 - 2.3, так как при возникновении отказа в каком-либо потребителе 7.i необходимо просто переключить электрическую мощность на соответствующую выделенную секцию 8.i. В противном случае из-за неравенства постоянных времен переходных процессов происходил бы перегрев активной зоны ядерного реактора - нагревателя 2.3, вплоть до возникновения аварии с расплавлением активной зоны.
ЭУ
ЗАД
ЗАД
Из проведенного обсуждения следует, что САУ 4 реализует самый простой алгоритм управления - по выходным параметрам АЭУ, основанный на законе сохранения энергии. При постоянной максимальной мощности нагревателя 2.3 на стационарном режиме работы АЭУ при максимальной электрической мощности увеличение или уменьшение потребляемой на дополнительной секции 9 электрической мощности ±αW приводит, соответственно, к торможению или ускорению ротора генератора 1 и, например, к постоянству частоты его вращения N. Оптимизацией коэффициентов ПИД-регулятора: пропорционального, интегрального и дифференциального, - можно добиться нужной точности поддержания N.
Кроме того, работа АЭУ вблизи одной точки на нагрузочной внешней характеристике «выходное напряжение-выходной ток» позволяет обеспечить более точное соблюдение допусков по амплитуде выходного напряжения АЭУ.
зад
Пример реализации. Для автоматического регулирования потребляемой электрической мощности дополнительной секцией 9 использован принцип изменения электрической проводимости балластных сопротивлений дополнительной секции 9 по закону ПИД-регулятора, согласно которому сигнал регулирования U(t) в данный момент времени t формируется как функция пропорциональной, интегральной и дифференциальной составляющих невязки, например, E(t)=N-N(t), величины отклонения текущего значения частоты тока АЭУ от ее номинального заданного значения:
зад
где N и N(t) - соответственно, номинальное заданное и текущее значения частоты тока генератора АЭУ 1-2.2-2.1;
р
ip
dp
К, K, K - соответственно, пропорциональный, интегральный и дифференциальный коэффициенты ПИД-регулятора.
В дискретном виде для цифровой обработки в САУ 4 сигнал регулирования U(j) проводимости балластных сопротивлений дополнительной секции 9 на каждом шаге дискретизации j рассчитывается по формуле:
где  - интегральный дискретный коэффициент регулятора;  - дифференциальный дискретный коэффициент регулятора;
Δt - время дискретизации.
n
n+1
Дополнительная секция 9 содержит два одинаковых блока по семь управляемых каналов, электрическое сопротивление которых подобрано по двоичному закону R/R=2, где n=1…6.
В этом случае сигнал регулирования U может принимать значения от 0 до 254:
U=0 - все каналы отключены;
U=1 - подключен первый канал блока 1;
U=2 - подключены первые каналы блоков 1 и 2;
U=3 - подключены второй канал блока 1 и первый - блока 2;
U=4 - подключены вторые каналы блоков 1 и 2;
U=5 - подключены третий канал блока 1 и первый - блока 2;
U=6 - подключены третий канал блока 1 и второй - блока 2;
…………………………………………………………………………………………
U=254 - подключены все каналы блоков 1 и 2.
1
1
Номинальные значения R и количество каналов n+1 выбираются в соответствии с максимальной электрической мощностью дополнительной секции 9 и требуемой точностью регулирования. Для рассматриваемого примера: точность регулирования 0,4%, максимальная потребляемая электрическая мощность дополнительной секции 9 равна 254 кВт, если на R рассеивается 1 кВт.
Таким образом, из материалов заявки видно, что применение существенных признаков предлагаемой группы изобретений обеспечивает постоянство выходных параметров вырабатываемой АЭУ электроэнергии при одновременном повышении надежности и безопасности эксплуатации АЭУ.