Оптимізація параметрів регуляторів газодизель–генераторних агрегатів суднових електростанцій при різко змінних навантаженнях

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ

УДК 621.314: 621.316.7

Оптимізація параметрів регуляторів газодизель - генераторних агрегатів судових електростанцій при різко змінних навантаженнях

05.09.03 “Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Нгуєн Ван Тхань

Київ 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Мiнiстерства освiти і науки, молоді та спорту України, м. Миколаїв.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем, м. Миколаїв.

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, старший науковий співробітник Павлов Віктор Борисович, Інститут електродинаміки НАН України, головний науковий співробітник відділу стабілізації параметрів електромагнітної енергії, м. Київ;

- доктор технічних наук, доцент Дубовенко Костянтин Вікторович, Миколаївський державний аграрний університет, завідувач кафедри електротехнологій та електропостачання, м. Миколаїв.

Захист відбудеться «25» жовтня 2011 р. об 11 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.187.01 Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56, тел. 456-91-15.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту електродинаміки НАН України за адресою: 03680, м. Київ-57, просп. Перемоги, 56.

Автореферат розісланий «22» вересня 2011 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.М. Горисловець

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема економії палива є першочерговою задачею при експлуатації як промислових установок, так і автономних електроенергетичних систем обмеженої потужності, в тому числі, суднових. Саме до таких систем відносяться електростанції з газовими двигунами, які забезпечують менші затрати на паливо, можливість ефективного використання газу з різним хімічним складом, в тому числі, попутного.

Газодизель - генераторні агрегати (ГДГА), незважаючи на низку їх недоліків, знаходять все більш широке застосування для задач резервного і автономного електропостачання. В той же час на сучасному судні використовується велика кількість асинхронних двигунів, що мають потужності, спів розмірні з потужністю самого генератора. Під час їх пуску та відключення виникають провали та сплески напруги, що майже вдвічі перевищують норми Морського Регістра. Подібна ситуація має місце і з обертами первинного двигуна, оскільки газові двигуни мають більш «м'ягкі» характеристики, порівняно з дизелями.

Сучасні засоби регулювання і стабілізації частоти та напруги не розв'язують цієї проблеми і дозволяють забезпечити достатньо якісні показники лише в обмеженому діапазоні потужності. Для усунення цього явища необхідно більш глибоке вивчення статичних та динамічних характеристик генеруючих агрегатів на основі моделювання та експериментальних даних, що дозволить розробити необхідні апаратно-програмні засоби для забезпечення стабільності напруги та частоти в усьому діапазоні навантажень.

Сплески та провали напруг та частоти суттєво впливають на роботу електронних пристроїв, тому актуальними є як задачі коректного їх описання, так і пошуку шляхів ефективного зниження. Одним з таких шляхів є налаштування (оптимізація) параметрів регуляторів всього електротехнічного комплексу судна, що включає в себе приводні газові двигуни, синхронні генератори та мікропроцесорні системи керування та регулювання параметрів при їх роботі в умовах різко змінних навантажень.

Існуючі методи опису дизель - генераторних агрегатів є досить складними і приводять до значних часових затрат при їх моделюванні. Відомі програмні продукти, що використовуються при моделюванні - Matlab, Matcad та інші не дозволяють в повній мірі відобразити особливості динамічних процесів суднових електростанцій і не дозволяють розв'язувати у явному вигляді оптимізаційні задачі. Тому створення простих, і в той же час, адекватних моделей елементів суднових електростанцій для дослідження динамічних режимів та оптимізації регуляторів при різко - змінних навантаженнях є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова як складова частина держбюджетної теми «Комп'ютеризовані системи керування автономними електростанціями з газодизель - генераторними агрегатами» (№ держ. регістрації 0109U002220), держбюджетної теми «Підвищення якості електроенергії в автономних електростанціях з газодизель - генераторними агрегатами» (№ держ. регістрації 0111U002315), а також роботи в рамках договору творчої співпраці з підприємством «Дельмор» (договір №1641). Дисертація є складовою зазначених програм і відповідає напряму досліджень В'єтнамської державної компанії “ХІТАКО”, в яких автор брав участь як виконавець.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення ефективності та показників якості електроенергії автономних (суднових) електроенергетичних систем на базі газових двигунів за рахунок розробки математичної моделі сплесків і провалів напруги суднової мережі як адитивних завад по відношенню до суднового електронного обладнання, а також оптимізації параметрів регуляторів ГДГА суднових електростанцій, що забезпечує їх стійку роботу і мінімальні в часі значення сплесків і провалів напруги і частоти.

Для досягнення поставленої мети необхідно було вирішити наступні завдання:

- розробити методику прогнозування часових та амплітудних характеристик сплесків і провалів напруги при комутації навантажень, методику їх експериментального оцінювання, а також створити математичні моделі їх, як збурюючих впливів по відношенню до споживачів;

- розробити спрощену динамічну модель генераторного агрегату, адекватну реальній, що дозволяє з допустимою похибкою і мінімальними часовими витратами досліджувати вплив параметрів регулятора системи збудження на величини сплесків і провалів напруги при комутації навантажень;

- розробити спрощену динамічну модель газового двигуна як елемента електротехнічного комплексу з врахуванням його конструктивних особливостей та реальних нелінійностей системи паливоподачі;

- оптимізувати параметри регуляторів приводного газового двигуна та синхронного генератора, виходячи з умови стійкої роботи двигуна в усьому діапазоні навантажень та мінімальної тривалості перехідних процесів при наявності різко змінних навантажень;

- розробити апаратно-програмні засоби з використанням сучасних мікропроцесорів для забезпечення оптимальних параметрів регуляторів та їх реалізації в адаптивному та нечіткому регуляторах з метою ефективного підвищення стабільності обертів газового двигуна та напруги в судновій мережі. мікропроцесор амплітудний комутація навантаження

Об'єктом дослідження є суднова (автономна) електроенергетична система на основі газо-дизель-генераторів на потужності 300-2000 кВт.

Предмет дослідження. Способи підвищення технічних показників суднової електроенергетичної системи СЕЕС, а саме підвищення стабільності обертів газового двигуна та напруги суднової електромережі.

Методи дослідження. Використовувались методи простору станів для визначення параметрів і побудови динамічних моделей ГДГА; методи теорії автоматичного регулювання (метод логарифмічних амплітудно-частотних характеристик, методи оптимізації параметрів регуляторів); елементи теорії нечіткої логіки використовувалися при розробці нечіткого регулятора; методи математичного моделювання для дослідження систем управління частоти обертання і напруги ГДГА базуються на програмних продуктах Matlab-Simulink, за допомогою яких вирішувалися також завдання оптимізації ПІД-регулятров. Для моделювання мікропроцесорних систем управління використовувався САПР Proteus. Спільне їх використання на різних комп'ютерах, об'єднаних через СОМ-порт дозволило моделювати пристрої електроенергетики, керовані за допомогою мікропроцесорної техніки.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

1. Вперше на основі досліджень сплесків - провалів напруги при зміні навантажень автономної електромережі розроблено метод прогнозування та обліку таких змін.

2. Розроблено уточнену динамічну модель газового двигуна, яка враховує вплив турбокомпресора, нелінійні властивості і реальні параметри системи паливоподачі і, за рахунок цього, дозволяє пояснити причини виникнення і усунути низькочастотні коливання обертів двигуна при скиданні навантажень.

3. Обґрунтовано і розроблено спрощену динамічну модель синхронного генератора для дослідження сплесків - провалів напруги мережі живлення при різко змінних навантаженнях, що дозволила вирішити завдання оптимізації параметрів регуляторів системи збудження.

4. Вперше вирішено задачу оптимізації параметрів регуляторів газового двигуна і системи збудження синхронного генератора щодо мінімізації часу перехідного процесу та встановлено залежності коефіцієнтів регуляторів від навантаження.

5. Розроблено нові програмні засоби для автоматичного налаштування оптимальних параметрів регуляторів і їх реалізації в адаптивному і нечіткому регуляторах з метою ефективного підвищення стабільності обертів газового двигуна та напруги у судновій електромережі.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- автором вперше виконано детальні дослідження сплесків і провалів напруги і частоти мережі автономних електроенергетичних систем при комутації навантажень, розроблено методику прогнозування та обґрунтовано їх розгляд, як імпульсних випадкових завад, що надалі дозволяє розглядати їх як адитивну заваду, яка впливає на електронну апаратуру;

- розроблені закони зміни коефіцієнтів регуляторів газового дизеля і генератора дозволяють мінімізувати тривалість перехідних процесів, а також створити мікропроцесорну апаратуру, яка дозволяє забезпечити стійку і стабільну роботу генеруючих агрегатів автономних електроенергетичних систем;

- з використанням мікроконтролера фірми «Овен» розроблено мікропроцесорну систему управління газодизель - генераторним агрегатом потужністю 500 кВт, для деп «Дельмор».

Особистий внесок здобувача. Здобувач самостійно сформулював задачі дослідження, наукову новизну отриманих результатів, виконав теоретичну частину роботи, брав безпосередню участь у проведенні експериментальних досліджень.

Особистий внесок здобувача в роботах, опублікованих у співавторстві: [1] - автором визначено діаграми роботи основних споживачів суднової електростанції та запропоновано спосіб побудови діаграми навантаження з врахуванням циклічної роботи споживачів; [2] - автором запропоновано методику отримання статистичних показників навантаження суднової електростанції; [3] - на основі діаграми навантаження та динамічних режимів роботи електростанції визначено статистичні показники сплесків та провалів напруги та частоти мережі; [4] - автором обґрунтовано, що динамічні параметри синхронних генераторів при комутації навантажень залежать лише від двох постійних часу: фазної обмотки та обмотки збудження; [5] - запропоновано спрощену динамічну модель синхронного генератора, в якій забезпечується стабілізація напруги з врахуванням величини його навантаження; [6] - запропоновано спосіб побудови динамічної моделі газового двигуна з врахуванням нелінійних властивостей як власне двигуна, так і його системи паливоподачі; [7] - автором визначено нелінійні залежності коефіцієнтів регулятора газового двигуна для забезпечення стійкості в усьому діапазоні навантажень.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення і результати дисертації доповідались і обговорювалися на науково-технічних семінарах НАНУ "Проблеми управління перетворення енергії в стаціонарних то автономних електроенергетичних системах" з комплексної проблеми "Наукові основи електроенергетики", проведених на кафедрі ТЕЕС; 16-ій міжнародній науково - технічній конференції «Силова електроніка та енергоефективність» (м. Алушта, вересень 2010 р.); всеукраїнській науково-технічній конференції молодих вчених та студентів з міжнародною участю "Інформаційно-управляючі системи та комплекси" (м. Миколаїв, квітень 2011 р.); XIII науково-практичній міжнародній конференції "Інформаційні технології в освіті та управлінні" (НКПІ, м. Нова Каховка, травень - червень 2011 р.).

Публікації. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, опубліковано у 7-ми статтях в фахових наукових журналах і збірниках праць.

Структура та об'єм дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, додатків, списку використаних джерел, що містить 103 найменування. Повний об'єм дисертації складає 193 сторінки друкарського тексту, з них 167 сторінок основного тексту, 121 рисунка і 18 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми, сформульовано мета і наукова новизна роботи, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, зазначено особистий внесок здобувача в друкованих працях зі співавторами, представлено отримані практичні результати, а також положення роботи, що виносяться на захист.

У першому розділі проаналізовано характеристики сучасних суднових автономних електростанцій (АЕС), фізична сутність провалу напруги і сформульовано завдання дослідження.

У реальних суднових АЕС без потужних статичних перетворювачів мають місце значні сплески й провали напруги і частоти, а також їх відхилення, які виходять за встановлені регістром діапазони. У більшості випадків вони обумовлені комутацією навантажень, мають випадковий характер і суттєво впливають на роботу електронної та навігаційної апаратури.

Параметри сплесків - провалів і відхилення напруги і частоти в значній мірі залежать від стабілізуючих властивостей систем керування силовими агрегатами, а також від динамічних властивостей останніх.

Існуючі способи обмеження величини і тривалості провалів напруги в суднових електроенергетичних системах з ряду причин знаходять досить обмежене застосування. Зниження величини пускового струму призводить до затягування тривалості перехідного процесу.

Для ефективного підвищення розглянутих якісних показників електроенергії необхідно більш глибоке дослідження причин виникнення сплесків - провалів, а також динамічних властивостей генераторних агрегатів, що дозволить забезпечити якісні налаштування систем керування ними.

Другий розділ дисертації присвячено аналізу характеристики розподілу навантаження при роботі газодизель-генераторів в умовах автономних електроенергетичних систем, дослідженню провалів і сплесків напруги (потужності) в автономних електростанціях, а також розробці динамічної моделі ГДГА на основі експериментальних досліджень.

Однією з причин появи провалів та сплесків напруги є зміна навантаження автономної електростанції, особливо при пуску потужних асинхронних двигунів. Провали напруги можна розглядати як випадковий процес. За останній час підвищенню надійності і якості електроенергії в автономних електроенергетичних системах приділяється велика увага. Разом з тим залишаються невирішеними питання статистичного аналізу тривалості і числа провалів напруги в автономних електроенергетичних системах (АЕЕС) та застосування результатів аналізу у практиці проектування систем.

Статистичне дослідження числа сплесків та провалів потужності в АЕЕС включає:

1) виявлення причин, що впливають на появу сплесків та провалів потужності (і як наслідок провалів напруги) в АЕЕС, що перебувають в експлуатації;

2) визначення статистичної функції розподілу імовірності провалів напруги F(х);

3) встановлення закону розподілу ймовірностей провалів напруги;

4) визначення характеристик випадкової величини провалів напруги (математичного очікування та дисперсії);

5) визначення сумарної тривалості провалів за певний період.

Порядок вирішення перерахованих взаємопов'язаних завдань на основі відомих статистичних підходів демонструє рис. 1.

Рис. 1 Загальний порядок проведення дослідження

На рис. 2 представлено інтерфейс програми обробки даних про споживану потужність та розрахунку статистичних параметрів.

Рис. 2 Інтерфейс програми статистичного аналізу

Програма дозволяє визначити моменти часу та значення максимального і мінімального навантаження, розрахувати середнє значення потужності, середньоквадратичне відхилення, значення максимальної зміни потужності навантаження, середню величину сплесків та провалів. Крім того, є можливість отримати зазначені характеристики за вказаний період. В залежності від споживаної потужності вибирається режим роботи електростанції та визначається відсоток завантаження генераторів.

Для розробки засобів захисту від провалів напруги (ПН) і запобігання їх наслідків необхідно мати прогноз ПН для конкретної АЕЕС. Прогнози можна робити за наявною статистикою або розрахунків для конкретної мережі. Для реєстрації глибини і тривалості ПН необхідно організувати вимірювання спеціальними приладами, які дадуть достовірні прогнози.

Розрахунок динамічних режимів з використанням Matlab - моделювання та Matlab - моделей силових елементів електроенергетики має істотні недоліки, які полягають в тому, що час розрахунків складає десятки хвилин, а визначити домінуючі постійні часу вкрай важко.

У третьому розділі вирішуються задачі спрощення динамічної моделі генератора та уточнення динамічної моделі газодизеля (ГД).

Завдання спрощення динамічної моделі генератора вирішувалося з використанням методу простору станів, розписана системи диференціальних рівнянь, складено матрицю [A].[X] = [b], де:

;

На базі оцінки цієї матриці було виконано спрощення та отримано спрощену матрицю:

На базі спрощеної матриці було побудовано модель генератора. Встановлено, що в цій моделі домінуючими параметрами є постійні часу системи збудження і фазної обмотки:

; ,

де W_в(s) - передатна функція обмотки збудження;

W_г(s) - передатна функція фази генератора;

K_в = (k1. U_f)/k5 - коефіцієнт посилення обмотки збудження;

K_г = U_f - коефіцієнт посилення фази статора генератора;

T_в = 1/k5 - постійна часу обмотки збудження;

T_г = 1/k14 - постійна часу фази статора генератора;

U_f - номінальна напруга збудження генератора;

k1 ч k33 - постійні коефіцієнти системи диференціальних рівнянь генератора.

Завдяки цьому, отримано структурну схему замкнутої системи стабілізації напруги зі спрощеною моделлю генератора (рис. 3) та спрощену модель генератора в Matlab / Simulink (рис. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3 Структурна схема спрощеної моделі генератора

Рис. 4 Спрощена модель ГМС13-31-12 в Matlab / Simulink

Рис. 5 відображає порівняння вихідних напруг перехідних процесів точної Matlab-моделі (а) та спрощеної моделі (б) при підключенні навантаження в момент часу моделювання t = 5с. За результатами порівняння зазначимо, що похибка по амплітуді і часу провалів становить відповідно 5,8% і 7%.

Рис. 5 Порівняння вихідних напруг моделей при підключенні навантаження потужності 75 кВт

Досліджено та розроблено динамічну модель газодизеля як об'єкта регулювання. Незважаючи на те, що в літературі описується динамічна модель газодизеля як аперіодичної ланки першого порядку, це далеко не так. Тим більше, що цей газодизель низькообертовий, високогабаритний, тобто час протікання газової суміші по трубі передачі фактично пропорційний періоду роботи двигуна, а це впливає на динамічні властивості двигуна.

На рис. 6 зображено структурну схему, що відображає особливість роботи ГД як у статиці, так і в динаміці. Газоповітряна суміш Q₀, яка утворюється шляхом змішування повітряного потоку з газом, через турбонагнітач і охолоджувач надходить на вхід двигуна. Вона характеризується швидкістю переміщення V_c і теплотворною здатністю q. За цикл T_ц двигун споживає обсяг газоповітряної суміші:

, (1)

де S - переріз трубопроводу, по якому подається газоповітряна суміш.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Структурна схема газодизеля

Таким чином, за цикл роботи до двигуна підводиться енергія:

. (2)

Енергія, віддана двигуном в навантаження Э_н, пов'язана з підводженою енергією Э_с через коефіцієнт корисної дії з

. (3)

З іншого боку

, (4)

де М - момент на валу двигуна;

Щ - оберти вала двигуна.

Таким чином, з (1) - (4) знайдено:

, (5)

або, враховуючи, що навантаженням газових двигунів є синхронні генератори, які повинні мати стабільну частоту обертання Щ_н, знайдено:

, (6)

де - коефіцієнт перетворення двигуна.

Об'єм підведеного газу визначається перетином трубопроводу рR_т² (R_т - радіус трубопроводу) з урахуванням кута повітряної заслінки и щодо закритого стану та швидкістю її течії:

. (7)

Тут Q - максимально можливий об'єм газоповітряної суміші за цикл роботи двигуна.

Таким чином, повітряна заслінка здійснює нелінійне перетворення кута відкривання в обсяг газоповітряної суміші.

Лінеарізуючи рівняння (7) в околиці робочої точки, знайдено:

, (8)

де , .

З урахуванням цих особливостей побудовано динамічну модель газодизеля в середовищі Matlab/Simulink (рис. 7).

Рис. 7 Динамічна модель газодизеля в середовищі Matlab/Simulink

На рис. 8 представлено графік залежності частоти обертання валу (вісь ординат) від часу (вісь абсцис). У момент часу t = 70 c до системи підключається навантаження і в момент часу t = 170 c воно вимикається. Як видно з рисунку, в режимі холостого ходу обороти газодизеля коливаються в межах 47-57 Гц. При підключенні навантаження обороти стабілізуються, а при її відключенні коливання знову з'являються.

Рис. 8 Коливання обертів газодизеля при різних навантаженнях

Аналіз результатів моделювання показує, що модель газодизеля (рис. 7), за своїми властивостями подібна до прототипу і може бути використана при моделюванні систем управління ГДГА.

У четвертому розділі вирішено задачі оптимізації параметрів регуляторів системи газорегулювання газодизеля і системи збудження генератора.

Критерієм оптимізації як для газодизеля, так і для генератора була мінімізація часу перехідного процесу при допустимих перерегулюваннях сплесків і провалів напруги і частоти.

Отримана в попередньому розділі модель газового двигуна з високим ступенем достовірності відображає його динаміку, як для режиму малих, так і великих збурень, а головне, відображає явище виникнення автоколивань при скиданні навантаження. Отримана автором модель обґрунтована математично і відображає фізичні процеси, що відбуваються в замкнутій системі стабілізації обертів.

Наступним етапом у створенні реальної системи стабілізації був пошук оптимальних параметрів коефіцієнтів регулятора та їх практична реалізація для забезпечення стабільної роботи двигуна в широкому діапазоні зміни навантажень.

Завдання оптимізації було реалізовано в середовищі Matlab за допомогою інструменту Simulink Design Optimization, що входить в пакет BlockSets Simulink 7 (Nonlinear Control Design в попередніх версіях). Було встановлено, що для стабілізації обертів газодизеля коефіцієнти регулятора повинні бути нелінійними і змінюватись за законами, які показані на рис. 9.

а б

Рис. 9 Залежність параметрів регулятора від потужності навантаження при холостому ході (а) і при ДP = 30% Pг.н (б)

Для перевірки реакції ПІД - регулятора, з отриманих залежностей коефіцієнтів від величини потужності при підключенні (відключенні) навантаження було побудовано Matlab-модель газового двигуна з автонастроюванням оптимізованих параметрів ПІД - регулятора при зміні потужності навантаження. На рис. 10 зображено перехідний процес провалу і сплеску обертів газового двигуна з оптимізацією параметрів Кр, Ki і Kd при потужності навантаження 0,357 Pн (рис. 10 б) і без неї (рис. 10 а).

а б

Рис. 10 Коливання обертів ГД до (а) і після (б) оптимізації

Як і у випадку ГД, при пошуку оптимальних параметрів регулятора системи збудження генератора встановлено закон зміни коефіцієнтів ПД-регулятора від потужності навантажень (рис. 11).

а б

Рис. 11 Залежність коефіцієнтів ПД-регулятора Кp (а) і Кd (б) від потужності при підключенні навантаження при ДP = 30% Pг.н

На підставі отриманих залежностей побудовано Matlab-модель синхронного генератора з автоналаштуванням оптимізованих параметрів ПД-регулятора при зміні потужності навантаження. На рис. 12 зображено перехідний процес провалу напруги синхронного генератора з автоналаштуванням (рис. 12 б) з оптимізованими параметрами Кр і Kd при потужності навантаження 0,7 Pн СГ і без неї (рис. 12 а).

а б

Рис. 12 Перехідний процес провалу напруги синхронного генератора до (а) і після (б) оптимізації

Заміна (доповнення) ПІД-регуляторів регуляторами на нечіткій логіці часто виявляється зручнішою, ніж використання звичних, але ускладнених регуляторів стану або застосування адаптивного підходу. Регулятори з нечіткою логікою забезпечують підвищену надійність систем, дозволяють враховувати обмеження по стійкості, отримані за допомогою теорії Ляпунова.

Рис. 13 Нелінійна залежність коефіцієнта регулятора від потужності навантаження і його відхилень

Використання нечітких регуляторів, закони зміни коефіцієнтів яких зображені на рис. 13, забезпечує практично такі ж результати, як і використання ПІД - регуляторів з нелінійними коефіцієнтами, а тому, враховуючи зростаючу складність апаратно-програмних засобів, їх використання не доцільно.

У п'ятому розділі викладені розробка апаратно-програмних засобів для вивчення динамічних властивостей ГДГА, опис випробувального стенду ГДГА і результати експериментального дослідження системи управління ГДГА при різко змінних навантаженнях.

Структурну схему випробувального стенда представлено ??на рис. 14. Система збору інформації, яка побудована на базі мікроконтролера ATMega16, виконує збір даних про температуру масла (Т_м), температуру охолоджуючої рідини (Т_ж), температуру навколишнього середовища (Т_ос) а також вимірювання частоти обертів газодизеля (Щ). Сигнали з датчиків температури аналогові, тому після підсилення сигналів, виконується аналого-цифрове перетворення (10 біт) за допомогою АЦП, вбудованого в мікроконтролер.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вимірювання оборотів ГД виконується побічно (за частотою напруги на шинах генератора). Тому для формування імпульсного сигналу з сигналу напруги, пропорційного частоті ГД використовується нуль-детектор. Далі цей сигнал надходить на вхід зовнішнього переривання мікроконтролера. За допомогою таймера-лічильника визначається період між сусідніми фронтами імпульсів, а отже і частота. Виміряні дані формуються в пакет і передаються в комп'ютер, де виконується їх подальша обробка. Для узгодження електричних рівнів мікроконтролера і СОМ - порту використовується спеціальний перетворювач. У свою чергу, програмне забезпечення, що працює на ПК, формує команди на зміну навантаження, що підключається (відключається) до генератора відповідно до алгоритму. За допомогою USB - осцилографа проводиться вимірювання напруги на шинах генератора, після чого будується огинає і крива зміни частоти.

Рис. 15 Інтерфейс програми вимірювання напруги і частоти

На рис. 15 представлено інтерфейс програми вимірювання сплесків і провалів напруги і частоти. За допомогою двох графіків відображаються осцилограми зміни напруги і частоти відповідно. Елементи управління у вигляді стрілочних індикаторів показують миттєві значення напруги і частоти. У нижній частині вікна розташовані кнопки для управління навантаженням, що дозволяє дистанційно комутувати навантаження і виконувати вимірювання сплесків і провалів.

Отримані дані можуть бути збережені у файл у форматі.csv для подальшої обробки в пакеті Matlab (наприклад, для вирішення задачі ідентифікації об'єктів). Також відображається значення максимального провалу і сплеску напруги і частоти.

Одержані експериментальні результати підтвердили результати моделювання і показали, що час перехідних процесів за допомогою розроблених регуляторів скорочено практично більш ніж в 2 рази.

Розроблені та реалізовані в лабораторії кафедри ТЕЕС лабораторні стенди дозволяють не тільки забезпечувати випадковий характер комутації навантажень, але і проводити дослідження їх впливу на суднову електронну апаратуру.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі на підставі отриманих теоретичних і прикладних результатів вирішено актуальну наукову задачу підвищення ефективності та показників якості електроенергії автономних (суднових) електроенергетичних систем, побудованих на основі газових двигунів, шляхом скорочення тривалості та амплітуді сплесків - провалів напруги і частоти, обумовлених комутацією навантажень.

Результати проведених досліджень дозволили зробити наступні висновки:

1. На основі динамічних діаграм окремих споживачів автономної (суднової) мережі розроблено методику побудови динамічної діаграми зміни навантаження суднової електростанції, яка дозволяє отримувати статистичні дані про стан електростанції в моменти комутації окремих споживачів.

2. Виконано дослідження сплесків і провалів напруги і частоти мережі при комутації навантажень та встановлено графічні залежності їх амплітуд і часових характеристик від стану електроенергетичної системи.

3. Розроблено методику оцінки статистичних характеристик сплесків - провалів напруги і частоти мережі при комутації навантажень. Обґрунтовано можливість їх розгляду як викидів випадкових процесів і доцільність їх подання як адитивних перешкод при дослідженні їх впливу на електронну апаратуру.

4. Встановлено, що для вирішення задач моделювання динамічних режимів суднової електроенергетичної системи та оптимізації параметрів регуляторів газодизель - генераторних установок існуючі точні моделі є занадто складними і повільними і не дозволяють вирішувати оптимізаційні задачі. Тому необхідно розробити спрощені математичні моделі як приводного газового двигуна, так і синхронного генератора.

5. На основі аналізу систем рівнянь синхронного генератора в просторі станів встановлено, що домінуючий вплив на його динаміку надають постійні часу фазної і обмотки збудження, які повинні бути використані для побудови динамічній моделі генератора.

6. Розроблено спрощену динамічну модель синхронного генератора, в якій динамічні режими при комутації навантажень є адекватними точній Matlab-моделі. Показано, що похибка при моделюванні не перевищує 7-10%, а швидкодія зростає в десятки разів.

7. Вдосконалено динамічну модель газового двигуна, яка дозволяє врахувати як природні нелінійності, так і конструктивні особливості системи паливоподачі. Встановлено, що розроблена модель в якісному і кількісному плані в статичних і динамічних режимах адекватна реальному газовому двигуну. Застосування цієї моделі дозволило пояснити причини виникнення низькочастотних коливань обертів двигуна при малих навантаженнях і в режимі холостого ходу.

8. Вирішено задачі оптимізації параметрів регуляторів системи збудження синхронного генератора і системи стабілізації обертів привідного газового двигуна, виходячи з умови мінімізації тривалості перехідного процесу при допустимій величині перерегулювання. Встановлено кількісні значення нелінійних залежностей регуляторів від величини навантаження агрегату, що дозволили одночасно усунути і причини виникнення низькочастотних коливань обертів при малих навантаженнях.

9. Досліджено можливості використання нечітких регуляторів для забезпечення оптимального режиму роботи генераторного агрегату в усьому діапазоні навантажень. Показано, що незалежно від використовуваних функцій приналежності нечіткі регулятори не мають переваг перед нелінійними коефіцієнтами.

10. Розроблена і встановлена ??на газодизель - генераторному агрегаті потужністю 500 кВт мікропроцесорна система управління дозволила забезпечити оптимальну стійку роботу його у всьому діапазоні навантажень. Розроблена і реалізована методологія проведення експериментальних досліджень на реальному об'єкті дозволила мінімізувати витрати на експеримент.

11. Отримані наукові та практичні результати дослідження заплановані до реалізації на фірмі «Дельмор» при побудові систем управління і автоматики ГДГА, що випускаються спільно з ТДВ "Первомайськдизельмаш" (м. Первомайськ) і Новокаховським електромашинобудівним заводом (м. Нова Каховка); а також у науково-дослідному інституті судової технології, що входить до складу в'єтнамської державної корпорації Vinashin (м. Ханой, В'єтнам).

Основні публікації за темою дисертації

1. Рябенький В.М. Характеристика распределения нагрузки при работе дизель-генераторов в условиях автономных электроэнергетических систем / В.М. Рябенький, Нгуен Ван Тхань, А.О. Ушкаренко // Збірник наукових праць НУК. Миколаїв: НУК. 2010. №1 (430). С. 109-116.

2. Рябенький В.М. Методика статистичного дослідження сплесків потужності в автономних електростанціях / В.М. Рябенький, О.О. Ушкаренко, Нгуєн Ван Тхань // Збірник наукових праць НУК. Миколаїв: НУК. 2009. №6 (429). С. 135-141.

3. Рябенький В.М. Исследование провалов и всплесков напряжения в автономных электроэнергетических системах / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, Нгуен Ван Тхань // Технічна електродинаміка. Темат. вип. “Силова електроніка та енергоефективність”. 2010. Ч. 1. 2010. С. 182-186.

4. Рябенький В.М. Упрощённая математическая модель синхронного генератора для исследования динамических режимов судовых электростанций / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, Нгуен Ван Тхань, А.В. Крылов // Збірник наукових праць НУК. Миколаїв: НУК. 2010. №4 (433). С. 130-139.

5. Рябенький В.М. Особенности построения динамических моделей синхронных генераторов для оптимизации параметров регуляторов / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, Нгуен Ван Тхань, А.В. Крылов // Збірник наукових праць НУК. Миколаїв: НУК. 2010. №5 (434). С. 117-124.

6. Рябенький В.М. Причины возникновения и способ устранения низкочастотных колебаний оборотов газового двигателя / В.М. Рябенький, В.И. Воскобоенко, Нгуен Ван Тхань, В.П. Мишустов // Збірник наукових праць НУК. Миколаїв: НУК. 2010. №6 (435). С. 105-112.

7. Рябенький В.М. Моделирование газодизель-генераторных агрегатов и оптимизация параметров их ПИД - регуляторов в Matlab/Simulink / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, В.И. Воскобоенко, Нгуен Ван Тхань, В.П. Мишустов // Вестник ХНТУ. 2011. №2(41). С. 392-396.

АНОТАЦІЯ

Нгуєн Ван Тхань. Оптимізація параметрів регуляторів газодизель - генераторних агрегатів суднових електростанцій при різко змінних навантаженнях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 - електротехнічні комплекси та системи. - Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, 2011.

Дисертація присвячена вирішенню актуальної наукової задачі підвищення ефективності та показників якості електроенергії суднових автономних електроенергетичних систем на базі газових двигунів.

Показано, що різко змінні навантаження в судновій електромережі, що призводять до істотного погіршення якості мережевих напруг, істотно впливають на роботу електронної апаратури, приводячи до її збоїв та відмов.

Розроблена методологія оцінки статистичних характеристик сплесків - провалів напруги і частоти мережі при комутації навантажень дає можливість розглянути їх як випадкові процеси, які доцільно розглядати як адитивні завади при дослідженні їх впливу на електронну апаратуру.

У дисертації вирішено завдання створення спрощеної динамічної моделі синхронного генератора, в якій динамічні режими при комутації навантажень є адекватними точній Matlab-моделі. Показано, що похибка при моделюванні не перевищує 7-10%, а швидкодія зростає в десятки разів. Вдосконалено існуючу модель газового двигуна, що дозволяє врахувати як природні нелінійності, так і конструктивні особливості системи паливоподачі. Показано, що розроблена модель в якісному і кількісному плані в статичних і динамічних режимах адекватна реальному газовому двигуну. Це дозволило пояснити причини виникнення низькочастотних коливань обертів двигуна при малих навантаженнях і в режимі холостого ходу.

Вирішено задачі оптимізації параметрів регуляторів системи збудження синхронного генератора і системи стабілізації обертів привідного газового двигуна, виходячи з умови мінімізації тривалості перехідного процесу при допустимій величині перерегулювання.

Розроблена і встановлена ??на газодизель - генераторному агрегаті потужністю 500 кВт мікропроцесорна система управління дозволила забезпечити оптимальну стійку роботу його у всьому діапазоні навантажень. Розроблена і реалізована методологія проведення експериментальних досліджень на реальному об'єкті дозволила мінімізувати витрати на експеримент.

Ключові слова: провали і сплески напруги, газодизель-генераторний агрегат, ПІД-регулятор, електростанція, оптимізація, експериментальний стенд.

АННОТАЦИЯ

Нгуен Ван Тхань. Оптимизация параметров регуляторов газодизель - генераторных агрегатов судовых электростанций при резко переменных нагрузках. - Рукопис.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 - электротехнические комплексы и системы. - Институт электродинамики НАН Украины, г. Киев, 2011г.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи повышения эффективности и показателей качества электроэнергии судовых автономных электроэнергетических систем на базе газовых двигателей.

На основе динамических диаграмм отдельных потребителей автономной (судовой) сети разработана динамическая диаграмма изменения нагрузки судовой электростанции, которая позволяет получать статистические данные о состоянии электростанции в моменты коммутации отдельных потребителей. Выполнено исследование всплесков и провалов напряжений и частоты сети при коммутации нагрузок и установлены зависимости их амплитуд и временных характеристик от состояния электроэнергетической системы.

Показано, что резко переменные нагрузки в судовой электросети, приводящие к существенному ухудшению качества сетевых напряжений, оказывают существенное влияние на работу электронной аппаратуры, приводя к ее сбоям и отказам.

Разработанные методология оценки статистических характеристик всплесков - провалов напряжений и частоты сети при коммутации нагрузок дает возможность рассмотреть их как выбросов случайных процессов и целесообразность их представления как аддитивных помех при исследовании их влияния на электронную аппаратуру.

Установлено, что для решения задач моделирования динамических режимов судовой электроэнергетической системы и оптимизации параметров регуляторов газодизель - генераторных установок существующие точные модели слишком сложными и медленными и не позволяют решать оптимизационные задачи.

Разработана упрощенная математическая модель синхронного генератора и на основе анализа систем уравнений синхронного генератора в пространстве состояний установлено, что доминирующее влияние на его динамику оказывают постоянные времени фазной и обмотки возбуждения, которые должны быть использованы для построения динамической модели генератора.

В диссертации решены задачи создания упрощенной динамической модель синхронного генератора, в которой динамические режимы при коммутации нагрузок являются адекватными точной Matlab-модели. Показано, что возникающие ошибки при моделировании не превышают 7-10%, а быстродействие возрастает в десятки раз.

Совершенствована существующая модель газового двигателя, позволяющая учесть как естественные нелинейности, так и конструктивные особенности системы топливоподачи. Показано, что разработанная модель в качественном и количественном плане в статических и динамических режимах адекватна реальному газовому двигателю. Это позволило объяснить причины возникновения низкочастотных колебаний оборотов двигателя при малых нагрузках и в режиме холостого хода.

Решены задачи оптимизации параметров регуляторов системы возбуждения синхронного генератора и системы стабилизации оборотов приводного газового двигателя, исходя из условия минимизации длительности переходного процесса при допустимой величине перерегулирования. Установлены количественные значения нелинейных зависимостей регуляторов от величины нагрузки агрегата, позволившие одновременно устранить и причины возникновения низкочастотных колебаний оборотов при малых загрузках.

Проведены исследование возможности использования нечетких регуляторов для обеспечения оптимального режима работы генераторного агрегата во всем диапазоне нагрузок. Показано, что вне зависимости от используемых функций принадлежности нечеткие регуляторы не имеют преимуществ перед нелинейными коэффициентами

Разработана и установленная на газодизель - генераторном агрегате мощностью 500 кВт микропроцессорная система управления позволила обеспечить оптимальную устойчивую работу его во всем диапазоне нагрузок. Разработана и реализована методология проведения экспериментальных исследований на реальном объекте позволившая минимизировать затраты на эксперимент.

Ключевые слова: провалы и всплески напряжения, газодизель-генераторный агрегат, ПИД-регулятор, электростанция, оптимизация, экспериментальный стенд.

SUMMARY

Nguyen Van Thanh. Optimization of parameters of the regulators of gas diesel - generating units of the marine power plants with a sharply varying loads. - Manuscript.

Thesis for degree of candidate of technical sciences on specialty 05.09.03 - electrical complexes and systems. - Electrodynamics Institute NAS of Ukraine, Kyiv, 2011.

The thesis is devoted to solving urgent scientific task of improving the efficiency and quality of electricity ship autonomous power systems based on gas engines.

It is shown that sharp changes in the ship's electrical loads, leading to a significant deterioration in the quality of network stress, have a significant impact on the operation of electronic equipment, leading to its failure and failure.

The developed methodology for assessing the statistical characteristics of the bursts - voltage sags and frequency switching loads gives an opportunity to consider them as random processes, emissions and efficiency of their presentation as additive noise in the study of their impact on electronic equipment.

The thesis addressed the task of creating a simplified dynamic model of synchronous generator in which the dynamic conditions during switching of loads are adequate precision Matlab-model. It is shown that errors occurring in the simulation does not exceed 7-10%, but increases speed tenfold. Improve the existing model of a gas engine, allowing to take into account both the natural nonlinearity and structural features of the system of fuel injection. Shown that the model developed in the qualitative and quantitative terms in the static and dynamic conditions is adequate to the real gas engine. It is possible to explain the cause of the low-frequency vibrations of the engine speed at low loads and idling.

The problems of optimizing the parameters of the regulators of excitation system and synchronous generator stabilization system turns driving a gas engine, based on the minimization of the transition process for the duration of the permissible size of the overshoot.

Designed and installed on gas diesel - generating unit 500 kW microprocessor control system ensures optimal steady work in his entire load range. Developed and implemented a methodology for experimental studies on the actual object allowed to minimize the cost of the experiment.

Keywords: dips and surges, gas-diesel-generating unit, PID-controller, power, optimization, experimental stand.

Размещено на Allbest.ru

...