Моделирование параллельной работы судовых синхронных генераторов в пакете VisSim

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Моделирование параллельной работы судовых синхронных генераторов в пакете Vissim

Б.Л. Геллер

Н.В. Сулименко

Рассмотрены особенности моделирования параллельной работы судовых синхронных генераторов в пакете VisSim. Получена модель, позволяющая исследовать процессы ввода в синхронизм, распределения активной нагрузки, сброса-наброса нагрузки, коротких замыканий.

Синхронный генератор, параллельная работа, моделирование, пакет VisSim

Параллельная работа является основным режимом работы генераторов судовой электростанции, а ввод в синхронизм - одной из наиболее ответственных операций. В процессе синхронизации взаимодействуют сложные динамические системы, выполняющие выравнивание напряжений и частот, определение момента включения генератора на шины, распределение активных и реактивных мощностей. Несоблюдение условий синхронизации или неточности в настройке регуляторов являются причиной тяжелых переходных процессов или приводят к неудачному завершению синхронизации. В связи с этим актуальным является исследование переходных процессов, возникающих при вводе на параллельную работу, средствами моделирования.

Моделированию процессов в судовых электроэнергетических системах посвящено большое число публикаций. Традиционный подход заключается в составлении математического описания в виде системы из дифференциальных и алгебраических уравнений, после чего производится её численное решение с помощью одного из алгоритмических языков [1, 2]. В последнее время в качестве среды моделирования все шире применяется MATLAB с пакетом расширения Simulink. Однако, как показано в [3], задача создания модели электроэнергетической системы с помощью готовых макромодулей в Simulink является трудноразрешимой по ряду причин:

- неизвестно, на основании какого математического описания составлены готовые макромодули, поэтому трудно обеспечить адекватность при использовании их в составе сложных судовых электроэнергетических систем с параллельно работающими генераторными агрегатами, асинхронной и статической нагрузкой;

- характер процессов в судовой электроэнергетической системе в большей степени определяется структурой и параметрами автоматических регуляторов, чем параметрами синхронных машин; однако для регуляторов частоты вращения первичных двигателей генераторов, напряжения генераторов, систем автоматического распределения активной и реактивной нагрузки, стабилизации режима параллельной работы с сетью готовых макромодулей в библиотеках нет.

В силу изложенного при моделировании в MATLAB необходимо создавать пользовательские макромодули, что усложняет процесс моделирования.

В настоящей работе предпринята попытка построения модели параллельной работы судовых синхронных генераторов в среде пакета визуального моделирования VisSim [4]. При этом достигается ряд преимуществ:

открытость математического описания всех блоков;

высокая скорость моделирования;

простота интерфейса и минимальные системные требования, что позволяет эффективно использовать полученные модели в учебном процессе.

В доступных источниках сведения о реализации математических моделей судовой электростанции в среде пакета VisSim отсутствуют.

Уравнения синхронного генератора использованы в форме, представленной в [5]. В основу работы положена модель судовой электростанции с одним генератором [6], в развитие которой добавлен второй генератор с системами, обеспечивающими синхронизацию. Все величины, за исключением времени, воспроизводятся в модели в относительных единицах. Использована программа VisSim версии 7.0.

В качестве обоих генераторов выбран тип МСС92-4 мощностью 100 кВт. Использован метод точной синхронизации генераторов, так он является наиболее распространённым на большинстве судов и интересным с точки зрения постановки и решения задач моделирования. Опережение по частоте вводимого генератора установлено в 1%.

Основной трудностью при реализации модели параллельно работающих генераторов стала привязка второго генератора к первому. Для того чтобы выразить значения напряжений и токов второго генератора через значения напряжений и токов первого генератора, введена разность фаз Q:

(1)

где щб = 100р - базисная частота; щ1 и щ2 - частота соответственно первого и второго генераторов.

Значения составляющих токов и напряжений второго генератора до момента синхронизации вычисляются при помощи структуры, представленной на рис. 1. После момента синхронизации эти же значения вычисляются через величины напряжений и токов первого генератора. С помощью блока "merge" можно объединить вычисление напряжений и токов до и после синхронизации путём подачи на управляющий вход разрешающего сигнала. Эта операция представлена на рис. 2.

Чтобы правильно выбрать момент ввода синхронных генераторов на параллельную работу, сформирована разность напряжений (биения), взят модуль этой величины и выделена огибающая модуля напряжения биений (рис. 3).

В идеале подключение генератора на параллельную работу следует производить в момент, когда огибающая равна нулю. Однако, учитывая время срабатывания автоматических выключателей, разрешающий сигнал выдается при величине огибающей, равной 0,15 номинального значения, что соответствует рассогласованию по фазе 8,6 эл. град.

Рис. 1. Моделирование составляющих токов и напряжений до синхронизации

Рис. 2. Вычисление составляющих токов и напряжений до и после синхронизации

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Рис. 3. Формирование огибающей напряжения биения и вычисление моментов ввода на параллельную работу

Так как разрешающий сигнал ввода в синхронизм имеет малую длительность (96 мс), то генераторы за это время не успевают войти в синхронизм. Поэтому разрешающий сигнал формируется с помощью триггера. Ввиду отсутствия триггера в стандартных библиотеках VisSim он был реализован стандартным для цифровой схемотехники способом с помощью блоков "ИЛИ" и "НЕ". Образовавшийся при этом безынерционный контур демпфирован путем встройки блока "timeDelay" с задержкой на один шаг моделирования, заданной блоком "const" с системной переменной "$timeStep". Выходной сигнал триггера подается на все блоки "merge", которые подключают второй генератор на шины.

После синхронизации вычисляются активные токи (рис. 4), и их разность I1act - I2act через ПИ-регулятор подается на изменение уставки регулятора частоты вращения второго генератора. На рис. 5 показан в виде отдельного процесса результат моделирования распределения активных мощностей. Виден процесс разгона первого генератора, при этом активный ток второго генератора равен нулю. Синхронизация происходит в момент t = 2 с. По истечении 12 с от момента начала синхронизации активные токи стали практически равными.

Рис. 4. Формирование активных токов

Рис. 5. Работа регулятора распределения мощности

На рис. 6 показаны осциллограммы важнейших величин, характеризующих работу модели в целом. Спустя две секунды с начала разгона второго генератора, процесс выравнивания напряжений и частот закончен, происходит синхронизация. При t = 5 с в модели кратковременно (на 2 с) имитируется переход в режим холостого хода. Затем при t = 10 с в течение 1,5 с происходит короткое замыкание, при котором ток успевает достичь установившегося 10-кратного значения. Модель наглядно демонстрирует работу регуляторов во всех режимах.

Рис. 6. Работа модели в режимах синхронизации, холостого хода и короткого замыкания

судовый синхронный генератор

Рассмотренная модель содержит 524 блока, однако это количество не является минимально необходимым, так как включает большое число блоков, повышающих наглядность структуры, упрощающих работу с моделью и ее отладку, таких как Compound Block, display и variable. При шаге моделирования 6•10-5 с (максимально допустимом по условиям устойчивости вычислительного процесса) на компьютере с процессором AMD Turion(tm) 64 X2 Mobile Technology TL-60 и тактовой частотой 2 ГГц процесс длительностью 15 с модельного времени воспроизводится за 50 с реального времени, что можно считать очень хорошим показателем.

Полученные результаты показывают возможность эффективного моделирования любых режимов судовой электроэнергетической системы в пакете VisSim. Разработанная модель после ее доработки в методологическом плане и в плане наглядности может быть использована как в исследовательских целях, так и в учебном процессе при изучении дисциплин "Судовые автоматизированные электроэнергетические системы" и "Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации".

Список литературы

Баранов А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации / А.П.Баранов, М.М.Раимов. - СПб.: Элмор, 1997. - 232 с.

Вишневский Л.В. Моделирование включения синхронных генераторов в судовую сеть / Л.В.Вишневский, А.М.Веретенник, Н.И.Муха, И.П.Козырев // Електромашинобудування та електрообладнання: Міжвідомчий науково-технічний збірник / Одеський національний політехнічний університет. - Одесса, 2006. - Вып. 66. - С. 201 - 204.

Чан Вьет Хунг. Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы: дисс...канд. техн. наук: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы / Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет; Чан Вьет Хунг. - СПб., 2007. - 153 с.

Дьяконов В.П. VisSim + Mathcad + MATLAB. Визуальное математическое моделирование / В.П.Дьяконов. - М.: СОЛОН-Пресс, 2004. - 384 с.

Токарев Л.Н. Введение в электроэнергетику / Л.Н.Токарев. - СПб.: АЛЕС, 1999. - 224 с.

Геллер Б.Л. Моделирование судовых электроэнергетических систем в пакете VISSIM / Б.Л.Геллер, Н.В.Сулименко // Электрооборудование судов и электроэнергетика: сборник научных трудов / КГТУ - Калининград, 2010 (в печати).

Размещено на Allbest.ru