Введение
В настоящее время дизель-генераторные электростанции наряду с мини-ТЭЦ составляют основу малой энергетики России [1, 2]. Они обеспечивают электроэнергией различные транспортные объекты, в том числе суда морского и речного флота, являются основой энергетического баланса на удаленных от центра России территориях, не присоединенных к централизованному электроснабжению.
В состав автономной дизельной электростанции, как правило, входит не менее двух дизель-генераторных установок (ДГУ), что повышает как энергоэффективность ее работы в режимах долевых нагрузок, так и надежность. Дальнейшее повышение энергоэффективности дизель-генераторных электростанций связано с разработкой дизель-генераторных установок переменной частоты вращения (ДГПЧВ) – электростанций с так называемыми «вентильными» генераторами, содержащими полупроводниковые преобразователи частоты, обеспечивающие стабилизацию параметров генерируемой ДГПЧВ электроэнергии при пониженных (энергоэффективных) частотах вращения дизеля на режимах долевой нагрузки [3–6].
Применение буферных накопителей энергии в составе дизель-генераторной электростанции
К базовому оборудованию таких электростанций следует отнести буферные накопители энергии (БНЭ), аккумулирующие устройства (аккумуляторы, суперконденсаторы и др.), предназначенные для обеспечения электроэнергией потребителей в различных режимах нагрузки, в том числе при «пиковых» нагрузках на электростанцию.
Рассмотрим структуру электростанции с ДГПЧВ и БНЭ (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема электростанции с ДГПЧВ и БНЭ: СГ1, СГ2 – синхронный генератор;
СВ – система возбуждения; ДВС1, ДВС2 – двигатель внутреннего сгорания; ЗЭР – задатчик экономичного режима; РО – регулятор оборотов; ДРТ – датчик расхода топлива; ДЧВ – датчик угловой частоты вращения; ТР – топливный регулятор; Т – повышающий трансформатор; В – выпрямитель;
ШИП – понижающий широтно-импульсный преобразователь; АИН – автономный инвертор напряжения;
Ф – синус-фильтр; Н – нагрузка; СУ ШИП – система управления ШИП; СУ АИН – система управления АИН; ШИМ – широтно-импульсная модуляция; ДН – датчик напряжения; ДТ – датчик тока;
К1, К2, К3 – ключи силовые
Разработан алгоритм управления коммутацией БНЭ с учетом режима работы генераторных установок (автономная или параллельная работа), а также величины мощности долевой нагрузки на электростанцию.
Существуют различные топологии построения силовой схемы ДГПЧВ [7, 8]. В данной статье рассмотрен вариант силовой схемы ДГПЧВ на базе ШИП.
Мощность БНЭ определяется исходя из минимально допустимой мощности нагрузки на дизельный двигатель (ДВС). При нагрузках на ДВС менее 25 % от номинальной нагрузки существенно возрастает вероятность закоксовывания камеры сгорания ДВС, а также его коллектора и выхлопного трубопровода, что снижает безаварийность работы ДГУ и в дальнейшем при повторных запусках может привести к «хлопку» в выхлопной системе и выходу ДВС из строя. С учетом сказанного для обеспечения надежной работы электростанции в режимах малых нагрузок установленную мощность БНЭ следует выбирать на величину не менее 25 % от номинальной мощности дизеля.
Таким образом, применение БНЭ в составе дизель-генераторной электростанции позволяет повысить безаварийность работы в режимах малых нагрузок и одновременно с этим БНЭ обеспечивает работу электростанции в режимах «пиковых» нагрузок, а следовательно, снижает установленную мощность дизель-генераторного оборудования электростанции.
Алгоритм работы автономной электростанции
На рис. 1 представлена структурная схема дизельной электростанции, состоящей из двух ДГУ и БНЭ, одна из установок работает в режиме переменной частоты вращения, т. е. является «вентильной» ДГПЧВ.
В зависимости от величины мощности нагрузки возможна различная комбинация генерирующего оборудования электростанции. Полагаем, что ДГУ и ДГПЧВ имеют одинаковую установленную мощность, равную одной условной единице (100 %). Мощность БНЭ в этом случае составляет 0,25 условных единиц (25 %) с учетом вышеприведенных условий безаварийной работы ДВС в режимах минимальных нагрузок. Номинальная мощность нагрузки, таким образом, равна двум условным единицам (200 %).
На рис. 2 представлена диаграмма, отражающая состав генераторного силового оборудования электростанции в зависимости от мощности подключенной нагрузки.
|
Рн, % |
Рис. 2. Диаграмма состава электрооборудования электростанции
Алгоритм коммутации (подключение или отключения) силового электрооборудования, а также состояние силовых контактов К1, К2 и К3 в режимах автономной и параллельной работы генераторных установок с учетом мощности нагрузки представлен на рис. 3.
Рис. 3. Блок-схема управления электростанцией с ДГПЧВ и БНЭ
Приведенный алгоритм коммутации ДГУ, ДГПЧВ и БНЭ зависит от величины мощности нагрузки и степени заряда БНЭ. Например, при параллельной работе ДГУ с ДГПЧВ и разряженном БНЭ зарядка последнего осуществляется от ДГПЧВ. Согласно рис. 2 данный режим соответствует диапазону нагрузок от 1,25 (125 %) до 2 (200 %) условных единиц мощности. Диапазон нагрузок менее 0,25 (25 %) условных единиц мощности может быть обеспечен средствами только БНЭ. Если БНЭ разряжен, параллельно ему подключают ДГПЧВ, который одновременно обеспечивает электроэнергией как нагрузку, так и заряд БНЭ.
Моделирование переходных процессов
На основе разработанной в компьютерной среде MatLab Simulink имитационной модели электростанции с ДГПЧВ и БНЭ проведено моделирование динамических режимов коммутации нагрузки. В качестве модели дизельного ДВС выбран блок Generic engine. Параметры модели дизельного ДВС приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры дизельных ДВС1 и ДВС2
|
Мощность Pmax, кВт |
Частота nном, об/мин |
Частота nmax, об/мин |
Частота nxx, об/мин |
Удельное потребление |
|
40 |
1 500 |
2 000 |
400 |
0,163 |
В качестве модели СГ1 выбран блок Synchronous machine pu standard, а в качестве модели СГ2 – блок Permanent magnet synchronous machine. Технические характеристики СГ1 и СГ2 приведены в табл. 2, 3 (некоторые параметры указаны в относительных единицах (о. е.)).
Таблица 2
Параметры СГ1
|
Частота сети f, Гц |
Напряжение Uном, В |
Мощность Sном, кВА |
Частота nном, об/мин |
Сопротивление Rs, о. е. |
Сопротивление Xd, о. е. |
Сопротивление Xq, о. е. |
Момент |
Число пар полюсов p |
|
50 |
400 |
31,3 |
1 500 |
0,042 |
1,56 |
0,78 |
0,087 |
2 |
Таблица 3
Параметры СГ2
|
Частота сети f, Гц |
Напряжение Uном, В |
Мощность Sном, кВА |
Частота nном, об/мин |
Сопротивление Rsф, Ом |
Сопротивление Lsф, Гн |
Постоянная |
Тип |
Число пар полюсов p |
|
50 |
400 |
30 |
1 500 |
0,18 |
0,000835 |
380 |
Неявно-полюсный |
2 |
В качестве модели БНЭ выбран стандартный блок Battery. Параметры блока представлены в табл. 4.
Таблица 4
Параметры БНЭ
|
Тип |
Напряжение Uном, В |
Мощность Sном, А·ч |
Начальный уровень заряда, % |
|
Свинцово-кислотный |
650 |
10 |
70 |
Рассмотрен процесс включения БНЭ на шину постоянного тока при работе электростанции в автономном режиме (ключ К1 замкнут, ключ К2 разомкнут). Эксперимент состоит из следующих этапов. В начале ДГПЧВ работает с нагрузкой, равной 28 кВт. В момент времени 0,25 с нагрузка увеличивается до 33 кВт. На 0,5 с к звену постоянного тока подключается БНЭ. Затем в момент времени 2,5 с нагрузка снижается до первоначального значения 28 кВт, и на 3,5 с происходит отключение БНЭ. На рис. 4, а представлена осциллограмма активной мощности СГ1 (PСГ1); на рис. 4, б приведен график тока разряда БНЭ (IБНЭ) и тока, понижающего ШИП; на рис. 4, в – осциллограммы фазного (Ua) и действующего (Urms) выходного напряжения и фазного тока (Ia) на выходе электростанции.
Рис. 4. Осциллограммы переходных процессов:
а – активная мощность СГ1
Рис. 4. Окончание. Осциллограммы переходных процессов:
б – ток разряда БНЭ и ток, понижающий ШИП;
в – фазное и действующее выходное напряжение, фазный ток на выходе электростанций
Экспериментальная установка
На базе рассмотренной выше силовой топологии ДГПЧВ с понижающим ШИП был разработан экспериментальный стенд «вентильного» генераторного комплекса мощностью 3,2 кВт. Принципиальная электрическая схема экспериментального стенда приведена на рис. 5.
В качестве дизель-генератора была выбрана бензиновая электростанция SDMO HX 4000. Эксперимент выполняется в следующей последовательности. В начальный момент времени ДГПЧВ работает с активной нагрузкой 1 кВт, частота вращения ДВС составляет 2 200 об/мин. В момент времени t1 нагрузка увеличивается до 2 кВт. При этом напряжение звена постоянного тока кратковременно снижается на 8 %. После затухания переходных процессов (момент времени t2) ЗЭР фиксирует новый уровень нагрузки и вычисляет оптимальное значение частоты вращения ДВС. Частота вращения вала ДВС плавно увеличивается до 2 750 об/мин (момент времени t3). Осциллограмма напряжения звена постоянного тока представлена на рис. 6.
Стабилизация уровня напряжения звена постоянного тока обеспечивается контуром напряжения в ШИП, а также за счет обратной связи по частоте вращения вала ДВС в системе управления двигателем. На рис. 7 и 8 представлены осциллограммы напряжения СГ и выходного напряжения инвертора (ДГПЧВ) соответственно.
|
Рис. 5. Принципиальная электрическая схема экспериментального стенда ДГПЧВ |
Рис. 6. Напряжение в звене постоянного тока при набросе нагрузки P = 1,0 кВт
Рис. 7. Выходное напряжение СГ при набросе нагрузки P = 1,0 кВт
(разгон ДВС до n = 2 750 об/мин)
Рис. 8. Выходное напряжение инвертора ДГПЧВ
Оси времени на рис. 6–8 не совпадают друг с другом из-за различной развертки оси времени осциллографа.
Заключение
Предложен вариант дизель-генераторной электростанции, состоящей из классической ДГУ и ДГПЧВ на базе понижающего ШИП [9, 10] с БНЭ. Разработан алгоритм управления генераторным оборудованием данной электростанции и приведена ее математическая имитационная модель, позволяющая исследовать динамические режимы коммутации нагрузки.
Представлены результаты экспериментальных исследований динамических режимов работы, снятые на созданной генераторной установке ДГПЧВ мощностью 3,2 кВт.
