Система автоматического управления газотурбинными мини-электростанциями

Первое условие существования модели - возможность отображения некоторой объективно реальной или потенциально реализуемой ситуации; второе условие - наличие определенных правил установления взаимооднозначного соответствия между моделью и оригиналом; третье условие - большая простота и наглядность модели при отображении с необходимой полнотой и достоверностью той определенной части свойств оригинала, которая существенна именно в данном исследовании и при заданной постановке задачи.

Первоначально, в процессе создания, модель выполняет преимущественно отображающие функции - отображает определенную часть свойств оригинала. Дале при проведении исследований, модель преимущественно реализует функции, имеющие прогностический характер, нежели те, на основании которых строилась модель. При этом сведения, получаемые посредством моделирования, объективно представляют собой сведения о свойствах самой модели, которая теперь уже является самостоятельным объектом исследования. Эти сведения должны быть «перенесены» на оригинал с целью предсказания его свойств или характеристик на основе определенных правил перехода от параметров, характеризующих модель, к параметрам, характеризующим оригинал [4].

Исследовательские задачи моделирования можно разделить на четыре группы:

- прямые задачи анализа, при решении которых исследуемая система задается параметрами элементов и параметрами исходного режима, структурой или уравнениями; требуется определить реакцию системы на действующие силы;

- обратные задачи анализа, при решении которых по известной реакции системы требуется найти силы (возмущения), заставившие рассматриваемую систему прийти к данному состоянию и вызвавшие данную реакцию;

- задачи синтеза, требующие нахождения таких параметров, при которых процессы в системе будут иметь желательный характер;

- индуктивные задачи, решение которых предполагает проверку гипотез, уточнение уравнений, описывающих процессы в системе, выяснение свойств элементов, проверку или апробацию программ (алгоритмов) для расчетов на ЭВМ.

Математическая запись, составленная на основании суммы образов и содержащая описания динамики физических или других закономерностей и есть модель.

Моделирование - это как создание некоторой системы, системы - модели, имеющей определенное сходство с системой - оригиналом. Отображение одной системы в другой - следствие выявления сложных зависимостей между двумя системами, отраженных в соотношении подобия, а не результат непосредственного изучения поступающей информации.

Особая роль принадлежит моделям, предназначенные для изучения сложных больших систем, эксперименты в которых затруднительны или даже невозможны, если они могут нанести какой-либо вред изучаемой системе. При моделировании сложных систем важно учитывать положение о том. Что подобие отдельных подсистем обеспечивает (при соблюдении определенных условий) подобие всей сложной системы. Это означает, что опытное значение сложной системы можно начинать раньше, сем установлено ее математическое описание как сложной системы, т.е. при описании только элементов.

Математическая модель мини - ТЭС «Янус» состоит из следующих частей:

математическая модель ГТУ;

математическая модель СГ;

математическая модель выделенной электрической нагрузки.

2.1 Модель ГТУ

Математическому моделированию ГТУ необходимо уделить особое внимание, т.к. потребностью совершенствования алгоритмом управления ГТУ и вызвана необходимость создания системы комплексного моделирования мини-ЭЭС. Именно функционирование ГТУ и его САУ в основном определяет характеристики всей мини-ЭЭС.

Так как САУ ГТД является сложным многосвязным объектом, то полноценное ее исследование возможно только при связном воспроизведении всех выходных координат модели ГТД, используемых в контурах регулирования. Модель, обеспечивающая такое связное воспроизведение всех координат, строится путем объединения моделей, описывающих различные узлы двигателя или различные процессы в нем. Модель, построенную таким образом, будем называть агрегированной.

Модель должна быть по возможности представлена в измеряемых координатах, что упрощает ее идентификацию.

В дальнейшем рассматривается агрегированная модель, построенная на основе идентификационной нелинейной математической модели ГТД. Такая модель может применяться для доводки и отладки специализированного программного обеспечения РЭД.

Ядром агрегированной модели является модель, описывающая динамику ГТУ.

В задачах испытаний в зависимости от их функций могут использоваться различные математические модели ГТУ.

Наиболее полно учитывается физика процессов во всем газо-воздушном тракте ГТД поэлементными моделями. Данные модели требуют значительных объемов априорной информации, имеют высокую точность, являются всережимными.

Следующим уровнем можно считать идентификационную модель, построенную на основе динамической характеристики ГТД. Модели этого класса теоретически позволяют получить максимально достижимую точность воспроизведения режимов ГТД. На практике из-за трудностей получения и реализации используют модели более низкого уровня. Поскольку для ГТД, используемых в составе электростанций, законом регулирования является поддержание постоянства частоты вращения вала нагрузки в качестве перспективных моделей следует рассматривать упрощенные идентификационные модели, учитывающие аккумуляцию энергии во вращающихся массах роторов. Различные факторы, влияющие на протекание процессов в ГТД, учитываются в виде добавок к основным уравнениям. Входными координатами этих моделей являются частоты вращения роторов, температуры и давления газов в характерных сечениях двигателя. Подобная модель справедлива для приведенных к МСА координат и в основных режимах адекватна объекту с погрешностью 1-3%.

Блок ГТУ расчетной схемы должен позволять рассчитывать переходные процессы для двухвальных ГТУ, обладающих различными характеристиками и различной мощностью.

Входными параметрами для блока являются параметры конкретной ГТУ и статические характеристики, соответствующие установившемуся режиму ее работы. С помощью этих характеристик производится расчет необходимых при моделировании коэффициентов, величина которых зависит от режима работы установки.

На первом этапе исследования ГТУ в рамках комплексной модели мини-ЭЭС оптимальным следует признать использование упрощенных идентификационных моделей. Подобное представление лежит в рамках принятой концепции последовательного усложнения разрабатываемой модели. Кроме того, главное внимание уделяется объединению математических моделей разнородных элементов и более сложных моделей между собой. Однако модель ГТУ не должна быть и чрезвычайно простой, она должна достаточно адекватно воспроизводить переходные процессы в ГТУ, связанные прежде всего с инерционностью вращающихся масс роторов, а также воспроизводить нелинейности характеристик при изменении режима функционировании установки во всех характерных режимах.

Динамика роторов рассчитывается по следующим уравнениям:

Уравнение ротора турбокомпрессора:

(2.1.1.)

Уравнение свободной турбины:

(2.1.2.)

В уравнениях приняты обозначения:

-производная приведенной частоты вращения ротора турбокомпрессора по времени,

-частота вращения ротора свободной турбины,

- частота вращения ротора турбокомпрессора, взятая по статической характеристике;

-суммарный приведенный к валу свободной турбины момент инерции,

-постоянная времени ротора турбокомпрессора,

-располагаемая мощность свободной турбины,

-потребляемая мощность нагрузки.

2.2 Система автоматического управления ГТУ

Блок предназначен для поддержания заданной частоты вращения свободной турбины путем генерации для нее необходимой величины вращающего момента. Основной компонентой блока является регулятор частоты вращения.

Можно выделить следующие составные части регулятора частоты вращения: датчик скорости, блок сравнения, канал усиления, звено запаздывания, блок ограничения.

Вообще говоря, систему регулирования двухвальной ГТУ можно представить тремя эквивалентными звеньями в виде:

- регулятор;

- генератор рабочего тела (турбокомпрессор);

- турбинный агрегат полезной работы (свободная турбина).

Первое из них - регулятор исследователь должен строго поддерживать на определенном уровне, выбирая наиболее эффективные средства управления и защиты энергоустановки, путем изменения программ, выполняемых электронным регулятором РЭД, в который они «зашиты».

Два других звена - ТК и СТ конструктор-разработчик САУ получает как жестко заданные по своим характеристикам. На эти характеристики он может влиять лишь в некоторой мере, видоизменяя распределительные органы.

К неизменяемой части системы целесообразно отнести также и исполнительные органы САУ, на которые замыкаются контура управления РЭД. Тем самым, в изменяемой части системы остаются лишь алгоритмы управления для синтеза, настройки, проверки которых и предназначена рассматриваемая математическая модель.

Поэтому рассмотрим модель неизменяемой части САУ, которым является дозатор газа ДГ-30Г (исполнительный орган большинства контуров управления), он предназначен для дозирования топливного газа, который подавается в камеру сгорания двигателя, за счет изменения проходного сечения дозирующей иглы.

ДГ-30Г взаимодействует с регулятором электронным РЭД-90Э, являющимся модификацией регулятора электронного РЭД-90 от авиационного двигателя ПС-90А. Корпус и игла образуют профилированный в форме сопла Лаваля канал расхода топливного газа, подаваемого в камеру сгорания.

В соответствии с характеристикой G_T=f(AДИ) производится преобразование АДИ в расход топлива.

Где G_T - расход топлива (кг/ч);

АДИ - угол поворота дозатора газа (градус), он описывается уравнением:

(2.2.1.)

АДИ	0	27	54	81	107	134	161	188	215
GT	1.8	11	38	78	144	266	454	649	876

где: Г - отклонение скважности импульсного модулятора от равновесной (Г = 0…40%); коэффициент KДИ имеет величину порядка 3.5 град/(c%). Сигнал Г отклонения скважности вырабатывается регулятором (определяется его алгоритмом):

Г = f (АДИ, nTK, nCT, dnTK/dt, nCT/dt…) (2.2.2.)

Необходимо отметить, что в настоящее время основным законом регулирования энергетических ГТУ как и их авиационных аналогов является ПИД-закон регулирования.

Газотурбинные установки взаимодействуют с синхронными генераторами механически.

2.3 Математическая модель синхронного генератора

Математическая модель синхронного генератора - это система дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающая процессы электромеханического преобразования энергии с допущениями, обеспечивающими необходимую точность решения для рассматриваемой задачи. Такие модели широко используются для исследования переходных и установившихся режимов электрических систем благодаря применению ЭВМ.

В настоящее время для моделирования синхронных машин общепринятыми являются полные или упрощенные уравнения Парка-Горева [4], эти уравнения составляются для координат d, q, вращающихся синхронно с ротором машины. Такое представление помогает освободиться от переменных коэффициентов, являющихся функциями от углового положения ротора. Для синхронного генератора, имеющего на роторе два эквивалентных демпферных контура, полную систему уравнений Парка-Горева удобно записать в следующем виде:

(2.3.1.)

Здесь индексы D, Q - относятся к демпферным контурам обмотки ротора, f - для обмотки возбуждения синхронного генератора, ₀ - угловая частота вращения поля статора, - угловая частота вращения ротора, - внутренний угол машины, - угол поворота оси d по отношению к неподвижной оси А. Уравнения записаны для следующего взаимного расположения координатных осей (см. рис. 2.1.). Уравнения (2.3.1) полностью характеризуют переходный процесс в том случае, если напряжение на шинах не зависит от режима системы (шины неизменного напряжения). Если это напряжение зависит от режима системы, то необходимо или составить дополнительные уравнения, выявляющие эту зависимость [4], или рассчитывать это напряжение в отдельных программных модулях, имитирующих электрическую нагрузку генератора. Система уравнений (2.3.1) дает связь между ЭДС, напряжениями, токами, потокосцеплениями и параметрами рассматриваемой машины.

Уравнения связи электрических контуров при отсутствии насыщения записываются в векторной форм

X i = (2.3.2)

где Х - матрица сопротивлений; i и - векторы тока и потокосцеплений, или:

; (2.3.3.)

Поскольку матрица Х постоянна, то, найдя один раз обратную ей матрицу Х^-1, можно вычислить вектор i умножив вектор переменного столбца свободных членов на постоянную матрицу Х^-1:

i=X^-1 (2.3.4)

Для перехода от статорных токов i_d, i_q к фазным величинам i_а, i_в, i_с используются соотношения:

_a = i_d cos - i_q sin; (2.3.5.)

i_b = i_d cos ( - 2/3) + i_q sin ( - 2/3); (2.3.6.)

i_c = i_d cos ( + 2/3) + i_q sin ( + 2/3) (2.3.7.)

где = t +

Два первые уравнения системы (2.3.1.) относятся к обмоткам статора. Это уравнения вида:

U = - d/dt - Ir (2.3.8.)

где - результирующее потокосцепление обмотки статора;

d/dt - ЭДС индукции.

Так как поток вращается и может изменяться с течением времени по величине, то ЭДС в каждой оси машины складывается из двух составляющих: ЭДС вращения _d(1 + S)_s и _q(1 + S)_s; трансформаторные ЭДС d_d/dt и d_q/dt.

Здесь скольжение S определяется как: S = (_s - _a)/_s; (1 + S)_s - частота вращения ротора, отн. ед.; составляющие _dS, _qS - ЭДС скольжения.

Уравнения d/dt и d/dt из системы (2.3.1.) есть уравнения движения, где

J - механическая постоянная инерции; M_T - момент турбины; М - электромагнитный момент, приложенный к ротору машины.

Уравнения (2.3.1.) называются «полными», так как они учитывают все основные компоненты электромагнитного переходного процесса. Упрощенные уравнения получаются из полных за счет ряда допущений (пренебрежение демпферными контурами, апериодическими процессами в обмотке статора и др.).

Напряжение возбуждения является внешней переменной модели. Закон его изменения должен описываться одним из блоков комплекса, который реализует АРВ (автоматический регулятор возбуждения). Характер изменения механического момента (М_Т) на валу должен описываться специальными блоками вычислительного комплекса.

Представленные уравнения в координатах d, q (2.3.1.) были в свое время получены для того, чтобы преодолеть трудности расчета и анализа, обусловленные наличием в дифференциальных уравнениях периодически изменяющихся реактивностей обмоток статора и ротора.

Отметим, что в силу принятой записи уравнений (2.3.1.), матрицы прямого и обратного преобразования координат d, q и a, b, c имеют следующий вид:

(2.3.9.)

(2.3.10.)

Установившийся режим синхронного генератора

Установившийся режим синхронного генератора при синхронной частоте вращения может быть однозначно определен тремя параметрами: активная и реактивная мощности (или, что тоже самое, ток, напряжение и коэффициент мощности) либо активная мощность, напряжение или ток возбуждения i_f.

Приведена последовательность вычислений по векторной диаграмме, когда неизвестно начальное значение напряжения возбуждения (блок АРВ) и неизвестны токи в обмотках; известными считаются: P, cos, U, (принято что r=0).

Установившиеся режимы являются исходными при расчете различных переходов в структурных элементах. Естественно, что вызываются эти переходы действием возмущающих сил. Не рассматривая пока воздействие со стороны регулировочных органов, отметим, что вынуждающие силы представляют собой напряжения, приложенные к внешним узлам, а для электрических машин еще и моменты, приложенные к их валам с внешней стороны.

Покажем как можно рассчитать установившийся режим для синхронной машины.

Для расчета установившегося режима, например предшествующего переходному процессу, могут использоваться схемы замещения или векторные диаграммы (полные и упрощенные), а также построенные на их основе расчетные программы.

На рис. 2.2 представлена векторная диаграмма синхронной машины. Здесь ось q принята за действительную ось, а ось d за мнимую. Заметим, что в случае неявнополюсной машины фиктивная ЭДС Е_Q равна ЭДС холостого хода Е_q при x_q=x_d.

Следовательно, в уравнениях согласно векторной диаграмме необходимо принять:

Ud= - U sin; (2.3.11.)

Uq= Ucos. (2.3.12.)

Для расчета начальных условий для уравнений СМ можно воспользоваться простыми соотношениями, вытекающими из векторной диаграммы (см. рис. 2.2):

Q = P tg (2.3.13.)

где P = k_з cos_ном

Здесь положительная величина реактивной мощности соответствует потреблению, отрицательная - генерации мощности.

Эквивалентная ЭДС синхронного генератора E_q и угол могут быть определены по выражениям:

(2.3.14.)

=arcsin (Pxq/UEQ) (2.3.15.)

Продольные и поперечные составляющие напряжения и потокосцеплений можно представить в виде:

U_d= -_q = - Usin; (2.3.16.)

U_q= _d = Ucos (2.3.17.)

Начальное значение токов:

I_q = - U_d/x_q; (2.3.18.)

I_d = - (E_Q - U_q)/ x_q; (2.3.19.)

E_q = E_Q - I_d(x_d-x_q); (2.3.20.)

I_f = E_q/x_ad; (2.3.21.)

U_f=I_f r_f. (2.3.22.)

Точные параметры для электрической машины можно получить из клиентского формуляра завода-изготовителя или расчетным путем. Наиболее доступной для исследователя является справочная литература, где на синхронные генераторы могут встречаться следующие параметры: f_Н, S_Н, P_Н, U_Н, x_d, х_q, х_s, х₀, х₂, х_d', х_d'', х_q'', Т_d0, Т', Т_d'', Т_a, Т_q'', М, I_fxx, r_ст, r_рот, J, GD₂, T_j.

На основании этих (или некоторых из этих) параметров можно определить с достаточной степенью точности все остальные параметры для блока синхронного генератора.

Математическое моделирование синхронного генератора будем производить при помощи пакета программ «Matlab 6».

2.4 Математическая модель АРВ

Блок АРВ предназначен для определения мгновенной величины напряжения возбуждения, которое является входной величиной для моделей синхронных машин.

Упрощенное описание комбинированного регулятора напряжения синхронного генератора по отклонению напряжения и току имеет вид [5]:

(2.4.1.)

где T_P - постоянная времени регулятора; К_U, K_I -коэффициенты усиления по напряжению и току; U_XX - напряжение холостого хода генератора.

Для канала напряжения входными являются мгновенные значения напряжений в указываемом сечении регулирования. По мгновенным значениям линейного напряжения определяется текущая длина изображающего вектора напряжения, рассчитывается его действующее значение и затем вычитается из напряжения уставки. Результат с заданным коэффициентом усиления образует выходной сигнал канала напряжения.

Для канала тока входными переменными являются мгновенные значения фазных токов. Вычисляется действующее значение вектора тока, которое с задаваемым коэффициентом усиления образует выходной сигнал канала тока.

Суммарный сигнал каналов напряжения и тока может направляться на ограничитель сигнала регулирования. Затем регулирующее воздействие через инерционное звено с передаточной функцией: W(p)=K/(1+TPp) поступает на ограничитель значений напряжения возбуждения. Величина сигнала на выходе ограничителя принимается за текущее значение напряжения возбуждения.

Начальное значение напряжения возбуждения U_f зависит от величины тока, протекающего по обмотке возбуждения синхронного генератора.

Система возбуждения синхронного двигателя имеет свою специфику, и поэтому представляется целесообразным выделить ее в отдельный от АРВ модуль (РВ).

2.5 Математическая модель электрической нагрузки

Статическая нагрузка

Статическая нагрузка, как правило, включает активную R_n и индуктивную X_n составляющие. Причем она может быть как линейной, так и нелинейной. Необходимо также иметь возможность учитывать несимметрию в нагрузке.

При учете несимметрии здесь также как и в случае электрических машин можно использовать два пути.

Во-первых, можно моделировать нагрузку в естественной фазной системе координат a, b, c. Моделирование в неподвижной системе координат , , как это предлагается в [5], по-видимому, не дает никаких преимуществ и ведет только к потере наглядности. В фазных координатах модель нагрузки можно представить в следующем виде:

. (2.5.1.)

Во-вторых, уравнение статической нагрузки можно записать в координатах d, q, отнесенных к ротору наиболее близко расположенного генератора [4]. При этом уравнение статической нагрузки приобретает следующий вид.

(2.5.2.)

где, как это было показано, для учета не симметрии, матрицы L, R, X получаются следующим образом:

(2.5.3.)

(2.5.4.)

. (2.5.5.)

При реализации модели статической нагрузки, как и для других элементов системы, использовались относительные единицы. В случае изолированной нейтрали нулевая составляющая переменных не учитывается и система записанная в относительных единицах принимает вид

(2.5.6.)

Асинхронный двигатель

Модель асинхронного двигателя предназначена для эквивалентирования асинхронной двигательной нагрузки в рамках математической модели энергосистемы.

Приступая к моделированию асинхронно - двигательной нагрузки, отметим, что в асинхронных машинах переходные процессы возникают значительно чаще, чем в синхронных. Наибольший интерес при расчетах переходных процессов в асинхронном приводе представляют процессы пуска, торможения, переключения со звезды на треугольник, реверсирования, короткого замыкания, ускорения, замедления, вынужденные и собственные колебания. Общей особенностью этих процессов является то, что токи и вращающий момент существенно отклоняются от величин (токов и вращающего момента), имеющих место при постоянной частоте вращения в установившемся режиме. Возникающие при этом моменты и токи могут достигать весьма высоких значений, а в особо неблагоприятных случаях вращающий момент может возрасти в 15 раз по сравнению с величиной номинального момента, а ток - в 3 раза по сравнению с величиной установившегося тока короткого замыкания [6].

Асинхронный двигатель отличается от синхронного отсутствием обмотки возбуждения и полной симметрией ротора. В связи с этим уравнения и схемы замещения асинхронного двигателя могут быть получены из уравнений и схем замещения синхронного генератора.

Точный учет всех проявлений электромагнитного поля невозможен, так как усложняется математическое описание асинхронной машины, которое не может привести к уточнению полученного результата. Поэтому общеприняты следующие допущения: отсутствуют потери в стали (гистерезис и вихревые токи); не учитывается неравномерность воздушного зазора и неодинаковость магнитной проводимости; пренебрегают высшими гармоническими составляющими, т.е. распределение магнитного поля в воздушном зазоре считается синусоидальным; статор и ротор имеют трехфазные обмотки, а обмотка ротора считается приведенной к обмотке статора; соединение обмоток звезда - звезда, если обмотку статора или ротора необходимо соединить в треугольник, то считают, что данные расчетов соответствуют фазным величинам или, иными словами, относятся к эквивалентной фазной обмотке при соединении в звезду [6].

Основным будем считать двигательный режим работы асинхронной машины.

Как и в случае генератора рассмотрим два основных способа моделирования асинхронной машины: 1) в осях d, q; 2) в осях a, b, c.

1) Уравнения в преобразованных координатах d, q.

Система координат d, q, жестко связанная с ротором, как справедливо отмечается в [7] неудобна для анализа переходных процессов в асинхронном двигателе. Более удобными здесь называются: синхронно вращающаяся система координат (u, v) или система , . При этом возможно два основных варианта записи этих уравнений: в d, q - осях, вращающихся вместе с ротором двигателя и в d, q - осях, вращающихся вместе с ротором генератора от которого двигатель получает питание.

В первом случае система уравнений асинхронного двигателя в осях d, q принимает следующий вид (уравнения для , и для электромагнитного момента здесь и далее для простоты не показаны):

(2.5.7.)

где - угловая скорость двигателя, r₂ - активное - сопротивление обмотки ротора.

Второй вариант запишем относительно осей d, q - генератора:

(2.5.8.)

где _g - угловая скорость ротора синхронного генератора.

В системах уравнений (2.5.7.), (2.5.8.) все переменные величины имеют те же знаки, что и в уравнении генератора (2.3.1.). По этой причине момент нагрузки МТ нужно задавать со знаком «-».

Моделирование в соответствии с уравнениями (2.5.7.) и (2.5.8.) показало полное совпадение полученных по ним результатов, что подтверждает возможность равного использования обеих систем.

Предпочтение отдается второму способу описания, т.к. предусматривается последующее объединение элементов в систему. При этом асинхронный двигатель получает питание от узла электрической сети, который в свою очередь питается от генераторов системы. Таким образом, при использовании вращающихся d, q осей рационально привести все нагрузочные элементы узла к осям какого-либо синхронного генератора.

Для наглядности приведем примеры результатов моделирования:

пуска асинхронного двигателя от регулируемого генератора соизмеримой мощности;



пуска асинхронного двигателя от нергегулируемого генератора;

пуска асинхронного двигателя от системы большой мощности

3. Математическое моделирование динамических режимов работы ГТЭС

газотурбинный энергосистема теплоэлектростанция

В общетеоретическом смысле моделирование означает отображение или воспроизведение определенных сторон действительности для изучения интересующих исследователя объективных закономерностей; соответственно и метод моделирования - метод опосредованного познания объективной реальности, которая проявляется в виде взаимосвязанной совокупности свойств объекта исследования, отражающей различные аспекты его взаимодействия с внешней средой, существования и развития [9].

В общем случае под моделированием понимается изучение моделируемого объекта (оригинала), базирующееся на взаимооднозначном соответствии определенной части свойств оригинала и замещающего его при исследовании объекта (модели) и включающее в себя построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объект - оригинал.

В теории моделирования под оригиналом понимается объект, определенные свойства которого подлежат изучению методом моделирования. Систему будем понимать как совокупность компонентов (составных частей), которые рассматриваются как единое целое и организована для решения определенных функциональных задач так, что два любых ее компонента взаимосвязаны некоторым системообразующим отношением; в системе могут быть выделены подсистемы - относительно самостоятельные части системы, функционально связанные между собой, и элементы - компоненты системы, принимаемые в данной постановке задачи как неделимые на более мелкие составляющие.

Под явлением будем понимать совокупность процессов, сопутствующих работе сиcтемы и проявляющихся в виде изменений состояний или режимов этой системы; соответственно режим - это состояние системы, определяющееся множеством различных процессов и зависящее от собственных параметров системы и параметров возмущающих воздействий.

Все функции моделирующей системы могут выполняться набором прикладных программ, которые могут быть самостоятельно разработаны практически на любом из языков программирования высокого уровня (Pascal, С и др.) Причем по многим показателям эффективности такая программа может опережать аналогичное программное обеспечение, созданное с помощью специализированных инструментальных средств.

Наиболее подходящим для реализации программной моделирующей системы в настоящее время можно считать универсальные пакеты визуального моделирования, такие как: SIMULINK фирмы MathWorks и VisSim фирмы Visual Solution. Эти пакеты имеют богатый набор типовых блоков, как линейных динамических, так и нелинейных, связь между которыми может быть установлена как скалярами, так и векторами. Пакеты имеют достаточные для исследовательских целей средства отображения, а самое главное - это поддержка интерфейса DDE и возможность моделирования в реальном масштабе времени [8].

Переходные процессы в элементах мини - ЭЭС

После разработки достаточного числа алгоритмов для моделирования элементов мини - ЭЭС возникает вопрос о сравнении их между собой. Всестороннее испытание алгоритмов возможно только после объединения их в систему.

Переходные процессы в ПАЭС-2500 при набросе-сбросе статической нагрузки.

На данном этапе выбор был сделан в пользу полных уравнений, как наиболее полно отражающих физику процессов в электрических машинах. Именно полные уравнения электрических машин использованы на всех последующих этапах исследований. Алгоритмы взаимодействия моделей, которые рассматриваются в следующей главе, могут быть реализованы и для упрощенных моделей.

Что касается моделей ГТУ, то моделирования по двум предложенным алгоритмам выявило преимущество модели в форме. В этой модели есть возможность учитывать ограничения по скорости изменения расхода топлива, а это крайне важно при синтезе алгоритмов управления. Моделировался сброс и наброс нагрузки при работе ГТУ-2.5. В качестве примера при моделировании САР ГТУ была использована модель простейшего ПИ-регулятора, корме того была введена обратная связь по положению дозирующей иглы, как это имеет место в реальных САР. Результаты моделирования наглядно демонстрируют необходимость совершенствования характеристик САР и необходимость усложнения алгоритмов регулирования.

В настоящее время решение задачи программной реализации разработанного алгоритма приходится осуществлять в соответствии с потребностями разработчиков средств управления ГТЭС (ОАО «Авиадвигатель»). В связи с этим задачи программной реализации необходимо решать в два этапа: первое - использование для реализации алгоритма языка высшего уровня (Fortran, Pascal, C); второе - использовать современные средства моделирования (Simulink, C).

Таким образом задача программной реализации последовательно предлагает два этапа: вначале программной реализации бы использован язык Pascal, что необходимо для обеспечения связи с программными модулями ГТУ. После того, как эта задача была выполнена, т.е. После проверки адекватности математического моделирования была составлена задача следующего этапа: реализовать алгоритм с помощью пакета Simulink и проверять адекватность моделирования с помощью прошедших испытания программ реализованных на первом этапе.

3.1 Разработка алгоритма моделирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Описание блоков алгоритма

Ввод начальных условий - вводятся начальные параметры синхронного генератора x_q, x_d, r_ст, r_f, T_d и газотурбинной установки Т_д, Т_ст; статические характеристики, т.е. параметры статической нагрузки x_стн, R_стн или асинхронного двигателя x_ст, r_ст, x_рот, r_рот; данные начального установившегося режима работы, именно, для СГ - I_нач, U_нач и для ГТУ - Р_гту, n_нач, n_тк а также данные уставки регуляторов n_уст=3000 Об/мин и U_уст=6300 В.

В следующем блоке производится решение системы дифференциальных уравнений ГТУ.

Соответственно в следующем блоке происходит расчет системы дифференциальных уравнений СГ.

Расчет выходных параметров регулятора ГТУ, т.е. подразумевается расчет G_т-расхода топлива на входе в камеру сгорания.

Блок расчета выходных параметров регулятора АРВ: расчет U_f -напряжения возбуждения на (К+1) шаге.

Блок вывода графиков переходных процессов подразумевает вывод результатов моделирования на экран: n - частота вращения ротора, U - напряжение на шинах генератора, I - ток нагрузки генератора, U_f - напряжение возбуждения.

И последний блок выводит значения различных параметров режима по результатам расчета.

3.2 Программная реализация алгоритма

Моделирование динамических режимов работы осуществим при помощи программного пакета Matlab 6.0 и его приложения «Simulink».

В библиотеке «Power elements» имеются все необходимые блоки для построения модели ТЭС. Именно:

Блок «Синхронный генератор» - в этом блоке рассчитывается система уравнений, описывающая модель синхронного генератора, посредством ввода его технических данных;

Блок «Турбина с регулятором частоты вращения» - здесь осуществляется ввод технических данных ГТУ, регулятора и регулирование частоты вращения;

Блок «АРВ» - блок обеспечивает регулирование тока возбуждения синхронного генератора. В блок нужно ввести такие параметры как: К_u, К_i - коэффициент усиления по напряжению, току и Т_р - постоянную времени регулирования;

Размещено на Allbest.ru

...