Моделирование поведения системы электроснабжения с распределенной генерацией и частотно-регулируемым электроприводом

УДК 621.311.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ И ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ

© Ву Хай Ха1, Н.И. Воропай2

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Представлена компьютерная модель системы электроснабжения, включающая дизель-генератор и частотно-регулируемый асинхронный двигатель. Приведены результаты численного эксперимента, иллюстрирующие поведение объектов системы электроснабжения в различных условиях. Ил. 5. Библиогр. 11 назв.

Ключевые слова: система электроснабжения; частотно-регулируемый асинхронный двигатель; переходные процессы; моделирование; численный эксперимент.

MODELING BEHAVIOR OF POWER SUPPLY SYSTEM WITH DISTRIBUTED GENERATION AND FREQUENCY-REGULATED ELECTRIC DRIVE Wu Hai Ha, N.I. Voropai

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article presents a computer model of the power supply system, including a diesel generator and a frequency-controlled induction motor. It provides the results of a numerical experiment that illustrate the behavior of objects of the power supply system in various conditions. 5 figures. 11 sources.

Key words: power supply system; frequency-controlled induction motor; transients; modeling; numerical experiment.

В последнее время потребители, имеющие асинхронный электропривод, все более активно используют его частотное регулирование, что повышает эффективность работы асинхронного электропривода [1, 2]. Для частотно-регулируемых асинхронных двигателей характерны специфические особенности динамики поведения в переходных процессах. При массовом использовании частотно-регулируемого электропривода в системах электроснабжения специфика взаимодействия такой асинхронной нагрузки с системой, особенно с установками распределенной генерации, которые получают все большее распространение в системах электроснабжения [3], остается пока неизученной и требует специальных исследований.

Рассматриваемая ситуация характерна для систем электроснабжения сельских районов Вьетнама при наличии большого количества асинхронных двигателей, используемых в качестве электропривода насосов в системе орошения. Как правило, такие системы электроснабжения имеют один (или более) пункт питания от основной сети ЭЭС Вьетнама, а в качестве местных установок распределенной генерации используются дизель-генераторные электростанции. Таким образом, рассматриваемая проблема имеет не только теоретическое, но и большое практическое значение.

В данной статье рассмотрены вопросы моделирования поведения системы электроснабжения с распределенной генерацией и большой долей частотно -

регулируемого электропривода. На основе предшествующих разработок [4-6] сформирована математическая модель дизель-генераторной установки с учетом системы возбуждения и регулятора скорости. Математическая модель асинхронного двигателя использует векторное управление его режимом [7], в котором реализована векторная модель асинхронного двигателя с ориентацией системы координат по потокос-цеплению ротора. Векторное управление позволяет существенно увеличить диапазон управления, точность регулирования, повысить быстродействие электропривода. Этот метод обеспечивает непосредственное управление вращающим моментом двигателя. Вращающий момент определяется током статора, который создает возбуждающее магнитное поле. При непосредственном управлении моментом необходимо изменять, кроме амплитуды, и фазу статорного тока, то есть вектор тока. Этим и обусловлен термин «векторное управление».

В качестве тестовой схемы взята простая система электроснабжения, включающая основной пункт питания, дизель-генераторную установку, представляющую распределенную генерацию, и частотно-регулируемый асинхронный двигатель (рис. 1). Модель тестовой схемы и результаты численных исследований даны ниже. Реализация сформированной математической модели и численные исследования выполнены средствами МАТЬЛВ/81ти!1пк [8, 9].

1Ву Хай Ха, аспирант, тел.: (924) 5492002, e-mail: vhhabcd@gmail.com Wu Hai Ha, Postgraduate, tel.: (924) 5492002, e-mail: vhhabcd@gmail.com

2Воропай Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, директор ИСЭМ СО РАН, зав. кафедрой электроснабжения и электротехники НИ ИрГТУ, e-mail: voropai@isem.sei.irk.ru

Voropai Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Director of ESI SB RAS, Head of the Department of Power Supply and Electrical Engineering ISTU, e-mail: voropai@isem.sei.irk.ru

генератор 2МУА

Рис. 1. Тестовая схема для численных исследований

Модель системы электроснабжения в среде МАНАВ/БтиИпк. Модель представлена на рис.2. Ранее были изучены особенности поведения частотно-регулируемого асинхронного двигателя с коротко-замкнутым ротором [10], а также системы векторного регулирования асинхронного двигателя по каналам скорости вращения ротора и току статора [11]. При этом для формирования модели частотно-регулируемого асинхронного двигателя использован метод векторного управления (рис. 3).

В этой схеме управления б-д координаты привязаны к статору, связанный с ним вектор потока ротора используется для того, чтобы достичь разделения между потоком и вращающим моментом двигателя. Таким образом, они могут отдельно управляться по продольной оси тока статора и току по оси, сдвинутой на 90°, так же как в двигателе постоянного тока.

Асинхронный двигатель питается управляемым током широтно-импульсной модуляции инвертора, который работает как трехфазный синусоидальный источник тока. Скорость двигателя ш сравнивается с

заданием скорости ш*, ошибка отрабатывается регулятором скорости, чтобы произвести задание вращающего момента.

Описание численного эксперимента. Результаты численного эксперимента для тестовой схемы показаны на рис. 4 (параметры режима синхронной машины дизель-генератора) и рис. 5 (параметры режима частотно-регулируемого асинхронного двигателя). Сценарий численного эксперимента следующий.

На интервале 0-0,5 с ненагруженный асинхронный двигатель разгоняется до заданной угловой скорости вращения ротора, поддерживаемой частотным регулированием скорости. На рис. 4 для этого периода представлены графики изменения механической мощности, напряжения возбуждения, напряжения на обмотках статора и угловой скорости синхронной машины. На рис. 5 представлены для этого же периода ток статора, угловая скорость ротора, электромагнитный момент и выходное переменное напряжение после инвертора асинхронного двигателя (см. рис. 3).

Рис.2. Модель системы электроснабжения в среде МАЛАВ/81тиНпк

Рис. 3. Функциональная схема частотно-регулируемого асинхронного электропривода с векторным управлением

Механическая мощность

Напряжение возбуждения

V

/ 1

Напряжение СМ

1

Скорость СМ

1.2 1

0.5

Рис. 4. Результаты моделирования синхронной машины

Рис. 5. Результаты моделирования системы частотно-регулируемого привода

Из рис. 4 и 5 видно, что в период 0,5-1,0 с переходные процессы в синхронной машине стабилизируются, а частотное регулирование асинхронного двигателя поддерживает неизменными заданную угловую скорость ротора - 120 рад/с, и выходное переменное напряжение после инвертора, сбрасывая практически до нуля ток статора и электромагнитный момент, поскольку асинхронный двигатель работает в этот период без нагрузки.

В момент времени 1,0 с включается нагрузка асинхронного двигателя, и его частотное регулирование отрабатывает необходимые значения тока статора и электромагнитного момента, поддерживая неизменными угловую скорость ротора и выходное переменное напряжение после инвертора.

В момент времени 1,1 с происходит короткое замыкание на шинах 22 кВ (см. рис. 1), которое отключается в момент времени 1,2 с от системы «дизель-генератор - асинхронный двигатель» размыканием выключателя В (переходные процессы в синхронной

машине и асинхронном двигателе показаны соответственно на рис. 4 и 5). Следует обратить внимание на то, что частотное регулирование поддерживает при этом угловую скорость ротора асинхронного двигателя неизменной. В то же время происходит некоторое снижение выходного переменного напряжения после инвертора частотно-регулируемого асинхронного двигателя. Далее процессы в синхронной машине и частотно-регулируемом асинхронном двигателе стабилизируются, а угловая скорость вращения ротора асинхронного двигателя по-прежнему поддерживается неизменной под действием частотного регулирования.

Таким образом, как показали численные эксперименты, разработанная в среде MATLAB/Simulink модель системы электроснабжения, включающая дизель-генератор и частотно-регулируемый асинхронный двигатель, демонстрирует физически правильное поведение элементов системы в различных ситуациях.

1. Лазарев Г.Б. Опыт и перспективы применения частотно-регулируемых асинхронных электроприводов в электроэнергетике России // Новости приводной техники. 2003. №5. «http://www.privod-news.ru/may_03/25-3.htm»

2. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. М.: Изд. центр "Академия", 2007.

3. Воропай Н.И. Предпосылки и перспективы развития распределенной генерации в электроэнергетических системах // Энергетика: управление, качество и эффективность исполь-

ский список

зования энергоресурсов: сб. докл. Всерос. научно-техн. конф. Благовещенск: АмГУ, 2005.

4. Дизель-генератор. Особенности и принципы работы / ЗАО "РосЭнергоИнжиниринг". СПб., 2007. «http://www.ros-energy. ru/scripts/2.html/»

5. J. Perahia, C.V. Nayar. Model and simulation of a stand alone power system comprising a diesel engine driven synchronous generator and a power condicioner // Int. J. Elect. Engin.Educ. 1998. Vol.35.

6. http://ryazgres.ru/elektrostancii-dizel-generatory/

7. Гуляев И.В., Тутаев Г.М. Системы векторного управления электроприводом на основе асинхронизированного вентильного двигателя. Саранск: Изд-во Саранск.ун-та, 2010.

8. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в МАТЬАВ 6.0. М., 2001.

9. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАВ 81тРо\мег8уБ1ет и 81ти!1пк. М.: ДМК Пресс, 2007.

10. Ву Хай Ха. Исследование поведения частотно-

регулируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012.

11. V.H.Ha. Modeling the vector regulator of the induction motor // Innovative Development Trends in Modern Technical Sciences: Problems and Prospects. Research Articles. - San Francisco, CA, USA: B&M Publishing, 2013.

УДК 622.69.019.3+620.9.338.9

МОДЕЛЬ СИНТЕЗА НАДЁЖНОСТИ СЛОЖНЫХ ГАЗОСНАБЖАЮЩИХ СИСТЕМ

© Н.И. Илькевич1, Т.В. Дзюбина2

Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130. Иркутский государственный университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Предлагается двухэтапный методический подход для нахождения оптимальной надежности газоснабжающей системы, основанный на определении эквивалентных характеристик надежности её объектов и оптимизации средств резервирования. Показан пример расчета эквивалентных характеристик для реального магистрального газопровода.

Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 5 назв.

Ключевые слова: оптимальная надежность; эквивалентные характеристики надежности; оптимизация средств резервирования; линейные методы оптимизации.

RELIABILITY SYNTHESIS MODEL FOR COMPLEX GAS SUPPLY SYSTEMS N.I. Ilkevich, T.V. Dzyubina

L.A. Melentiev Energy Systems Institute, SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The paper proposes a two-stage methodological approach to find optimal reliability of gas supply systems. The approach is based on the determination of equivalent reliability characteristics of gas supply system facilities and backup tools optimization. An example of calculating equivalent characteristics for a real gas main is provided. 6 figures. 5 sources.

Key words: optimal reliability; equivalent reliability characteristics; optimization of backup tools; linear optimization methods.

Введение. В ИСЭМ СО РАН ведутся исследования основных проблем развития газоснабжающих систем (ГСС) в современных условиях: разрабатываются подходы, методы и программные средства для многоуровневого моделирования систем газоснабжения, принципы согласования решений. Модели анализа и синтеза надежности в разветвленной системе газоснабжения также рассматриваются исходя из принципов многоуровневого моделирования ГСС [1, 2].

Задача синтеза надежности сложной закольцованной газоснабжающей системы должна решаться на 3-ем уровне иерархии, когда ГСС рассматривается как функционально-целостная система: либо ЕСГ в

целом, либо региональная система газоснабжения.

Для нахождения оптимальной надежности такой сложной закольцованной газоснабжающей системы предлагается двухэтапный методический подход, при котором решаются следующие задачи:

1. Определение эквивалентных характеристик надежности объектов газоснабжения.

2. Оптимизация средств резервирования газоснабжающей системы на уровне оптимальной надежности.

При этом мы исходим из условия, что к этому моменту должны быть решены задачи верхних уровней иерархии - сетевая потоковая задача, т.е. определены рациональные объёмы добычи газа в газодобыва-

1Илькевич Николай Иванович, доктор технических наук, зав. лабораторией «Развитие систем газоснабжения», тел.: 89148924076, e-mail: ilkev@isem.sei.irk.ru

Ilkevich Nikolai, Doctor of technical sciences, Head of the Laboratory of "Gas Supply Systems Development", tel.: 89148924076, e-mail: ilkev@isem.sei.irk.ru

2Дзюбина Татьяна Владимировна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории «Развитие систем газоснабжения», тел.: 89041506053, e-mail: tvleo@isem.sei.irk.ru

Dzyubina Tatyana, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Laboratory of "Gas Supply Systems Development", t el.: 89041506053, e-mail: tvleo@isem.sei.irk.ru