Вентильные дизель-генераторные установки переменной частоты вращения

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования.
В первой главе обоснована целесо- образность применения ДГПЧВ и приве- дены варианты силовых топологий ДГПЧВ трансформаторного и бестранс- форматорного типов. Разработаны структурные схемы систем управления ДГПЧВ, имитационные модели ДГПЧВ и приведены результаты имитационного моделирования коммутации и изменения характера нагрузки, а также изменения частоты вращения ДВС.
На рис. 1 показана структурная схе- ма ДГУ с постоянной частотой вращения (СВ – система возбуждения, ДЧВ – дат- чик частоты вращения). Основными пре-
имуществами данной ДГУ являются про- стота конструкции, относительно низкая стоимость и малые габариты. Однако,
Рис. 1 Структурная схема ДГУ с постоянной частотой вращения
данный тип ДГУ имеет существенный недостаток. В режиме долевой нагрузки наблюдается повышенный расход топлива и снижение КПД установки.
Для обеспечения энергоэффективного режима работы ДВС в конструкцию ДГУ необходимо добавить выпрямительно-инверторный блок, что позволит регулиро- вать частоту вращения ДВС и при этом сохранять требуемую частоту и величину выходного напряжения. Силовые топологии (структуры) ДГПЧВ, рассматриваемые в диссертационной работе, условно можно разделить на трансформаторные и бес- трансформаторные. На рис. 2а показаны варианты силовых топологий трансформа- торных ДГПЧВ. В состав электрооборудования ДГПЧВ трансформаторного типа может входить обычный трансформатор (Т) или высокочастотный трансформатор (ВЧТ).
Рис. 2 Варианты силовых топологий ДГПЧВ: а- трансформаторного типа; б – бестрансформаторного типа
На рис. 2б представлены варианты построения силовых топологий бестрансформа- торных ДГПЧВ. Функцию повышающего трансформатора выполняет полупровод- никовый преобразователь. Это может быть АВН, либо повышающий ШИП.
Во второй главе рассмотрены структуры силовой части и системы управле- ния ДГПЧВ на базе АВН. Приведено математическое описание АВН в составе ДГПЧВ. Разработана имитационная модель ДГПЧВ на базе АВН и приведены ре-
зультаты имитационного эксперимента коммутации нагрузки с учетом ее величины и характера.
ДГПЧВ бестрансформаторного типа менее габаритны и имеют меньшую массу по сравнению с ДГПЧВ трансформаторного типа, что делает их более востребованны- ми при использовании на автономных транспортных объектах. Наличие в составе бес- трансформаторных ДГПЧВ неуправляемого выпрямителя приводит к снижению cosφ и несинусоидальности напряжения синхронного генератора. Вышесказанное существенно снижает коэффициент мощности на выходе синхронного генератора. Вариант силовой схемы ДГПЧВ на основе АВН обладает более высокими эксплуата- ционными и энергетическими показателями. Структурная схема системы управления АВН в составе ДГПЧВ показана на рис. 3 (ТР – топливный регулятор, ДРТ – датчик расхода топлива).
Рис. 3 Структурная схема ДГПЧВ на базе АВН
Основные элементы электрооборудования ДГПЧВ на базе АВН описываются сле- дующей системой уравнений:
( + ) = − ; ( + ) = − ; Д 0 1н 0 0 н
( + ) = − ; ( + ) = + ; н 0 Д0 0 Дн
( + ) = + − ; = + ; h0 0н ц0ф0
= + − ; = + + ;
0
0
= + ; = ;
=3 ( − ); 2
СГПМ =1( − − СГПМ);
= + − + ; др др 0 др
= + + + ; др др 0 др
= ; = ; с с
АВН = 3( + ); 2
− = с; АВН
= + 1 − ; н н н н н н н н
= + 1 + . н н н н н н н н
(1),
где y0 , μ0 , yн , yТ , χ0 , gц – безразмерные величины изменения, соответственно,
скорости вращения вала и нагрузки дизеля, давления нагнетаемого воздуха, скоро- сти вращения ротора турбины, положения рейки топливного насоса и цикловой по- дачи топлива;
Таμ, Таχ, ТТ, ТК, – постоянные времени, соответственно, дизеля в каналах нагрузоч- ного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного коллектора;
δДμ, δД , δТ , δК – коэффициенты самовыравнивания, соответственно, дизеля в кана- лах нагрузочного и регуляторного воздействий, турбонагнетателя и впускного кол- лектора;
k1, kД , kТ , kК, kh – коэффициенты, учитывающие, соответственно, зависимость кру- тящего момента на валу дизеля от давления наддува, изменение момента сопротив- ления на валу дизеля при изменении мощности нагрузки, зависимость расхода воз- духа через дизель от скорости его вращения, зависимость крутящего момента тур- бины от ее скорости вращения и положения рейки топливного насоса;
kg и θ – соответственно коэффициенты самовыравнивания дизеля и усиления
топливоподающей аппаратуры дизеля;
, , , – мгновенные значения фазных напряжений и токов статора СГПМ в
системе координат d-q соответственно;
– активное сопротивление статора СГПМ;
, – индуктивности обмоток статора СГПМ в системе координат d-q;
, , – потокосцепления статора СГПМ в системе координат d-q и потокос-
цепление постоянного магнита;
, – электромагнитный момент СГПМ и момент сопротивления соответственно; , – коэффициент вязкого трения и момент инерции ротора СГПМ соответственно; СГПМ = 0 – угловая частота напряжения СГПМ; СГПМ – угловая частота ро- тора СГПМ; – число пар полюсов СГПМ;
, , , – мгновенные значения фазных напряжений и токов на входе АВН в си- стеме координат d-q соответственно;
, – мгновенные значения напряжений на транзисторных стойках АВН в си- стеме координат d-q;
, , , – состояния ключей транзисторных стоек и функции коммутации ключей
АВН в системе координат d-q соответственно;
др, др, – активное сопротивление и индуктивность дросселя на входе АВН соот- ветственно;
с,С с – напряжение звена постоянного тока и ёмкость конденсатора на выходе АВН соответственно;
АВН , – ток на выходе АВН и ток звена постоянного напряжения соответственно; н, н, н, н – мгновенные значения фазных напряжений и токов нагрузки в си-
стеме координат d-q соответственно;
н, н– активное и реактивное сопротивления нагрузки соответственно.
В компьютерной среде MatLab Simulink была разработана имитационная мо- дель ДГПЧВ на базе АВН. На рис. 4 представлены результаты имитационного моде- лирования ДГПЧВ на базе АВН. В ходе имитационного эксперимента моделирова- лись наброс нагрузки, изменение характера нагрузки с чисто активного на активно- индуктивный и понижение частоты вращения ДВС.
Рис. 4 Диаграммы переходных процессов ДГПЧВ на базе АВН: а – активная и реактивная мощности СГПМ (PСГПМ и QСГПМ соответственно), фазный ток (Ia) и частота вращения (ωСГПМ); б –
напряжение звена постоянного тока (Ud); в – фазное (Ua), действующее (Urms) выходные напряже- ния и фазный выходной ток (Ia) ДГПЧВ
В третьей главе рассмотрена параллельная работа ДГУ и ДГПЧВ, а также па- раллельная работа двух ДГПЧВ. Разработаны алгоритмы коммутации (рис. 5) элек- трооборудования электростанций на базе ДГУ и ДГПЧВ (рис. 6) и на базе двух ДГПЧВ в зависимости от величины нагрузки. Разработаны имитационные модели электростанций и приведены результаты имитационного моделирования.
Дизель-генераторные электростанции, как правило, состоят из нескольких ДГУ. Это обусловлено в том числе и требованием к эксплуатационной надежности электростанции. В зависимости от величины и характера нагрузки ДГУ работают либо автономно, либо параллельно. Для повышения энергоэффективности работы дизель-генераторной электростанции целесообразно использовать в её составе ДГПЧВ.
Рис. 5 Блок-схема алгоритма коммутации электрооборудования электростанции на базе ДГУ и ДГПЧВ
В компьютерной среде MatLab Simulink была разработана имитационная мо- дель электростанции на базе ДГУ и ДГПЧВ. Мощность каждого генератора состав- ляет 30 кВА. На рис. 7 представлены результаты имитационного моделирования. Имитационный эксперимент состоит из трех временных интервалов, соответствую- щих различным величинам долевой нагрузки электростанции. На первом интервале
(от 0 до 4,5 сек.) мощность нагрузки равна 25 кВт. До момента времени t = 0,5 сек. происходит автономная работа ДГПЧВ.
Рис. 6 Структурная схема генераторного комплекса на базе ДГУ и ДГПЧВ
Перед дальнейшим повышением нагрузки на шину переменного напряжения под- ключается ДГУ. Одновременно с этим ДГПЧВ отключается от нагрузки и после зату- хания переходных процессов (t = 1 сек.) снова подключается. Таким образом, проис- ходит смена режима работы АИН с автономного на параллельный. На втором интер- вале (от 4,5 до 7,5 сек.) мощность нагрузки возрастает до 45 кВт. Генераторные уста- новки работают параллельно, при этом ДГУ – в режиме близком к номинальному, а ДГПЧВ обеспечивает нагрузку недостающей частью мощности. В момент времени t = 7,5 сек. мощность нагрузки электростанции снижается до 15 кВт. ДГУ отключается, а работа ДГПЧВ продолжается в автономном режиме на оптимальной частоте враще- ния вала ДВС1.
Рис. 7 Диаграммы переходных процессов генераторного комплекса: а – активная, реактивная мощности (PСГ, QСГ) и частота вращения (ωСГ) СГ; б – активная, реактивная мощности (PСГПМ,
QСГПМ) и частота вращения (ωСГПМ) СГПМ; в – фазное (Ua), действующее (Urms) выходные напря- жения, фазный выходной ток (Ia) и напряжение звена постоянного тока (Udc); г – действующие то- ки на выходе АИН (IАИН) и СГ (IСГ)
В четвертой главе рассмотрена система управления ДВС ДГПЧВ, состоящая из блока РО и блока ЗЭР. Предложены алгоритм расчёта оптимальной частоты вра- щения ДВС, структура блока РО на базе нечёткой (fuzzy) логики. Разработана ими- тационная модель блока РО и приведены результаты имитационного моделирова- ния. Проведен анализ топливной экономичности ДГПЧВ при параллельном и авто- номном режимах работы. Экспериментальные исследования проводились на ДГПЧВ мощность 3,2 кВт.
В состав системы управления ДВС ДГПЧВ входит блок РО, обеспечивающий стабилизацию заданной оптимальной частоты вращения. Реализация данного блока может быть различной: на основе ПИ-регулятора, ПИ-подобных fuzzy- или neuro- регуляторов или «чистых» fuzzy/neuro-регуляторов. Существует два основных вари- анта реализации блока РО на базе fuzzy логики:
– гибридный нечеткий ПИ-регулятор (гибридный fuzzy ПИ-регулятор); – нечеткий ПИ-регулятор (fuzzy ПИ-регулятор).
Структурные схемы РО на базе обоих типов регуляторов в составе системы управления ДВС представлены на рис. 8. На ЗЭР поступают данные об активной
мощности СГПМ (PСГПМ) и удельном расходе топлива ДВС (ge). С датчика частоты вращения на блок РО подаётся информация об угловой скорости вала ДВС ( ос). Выходы обоих типов регуляторов соединены с топливным регулятором, который осуществляет непосредственное управление рейкой топливного насоса ДВС (L).
Рис. 8 Структурные схемы системы управления ДВС с блоком РО на базе: а – гибридного fuzzy ПИ-регулятора; б – fuzzy ПИ-регулятора
В диссертационной работе рассматривается второй тип РО – fuzzy ПИ- регулятор, как наиболее подходящий на данного объектного применения. Формиро- вание базы правил fuzzy ПИ-регулятора имеет следующее математическое обоснова- ние. Классический линейный ПИ-регулятор описывается дифференциальным уравне- нием:
1
времени интегрирования.
Для замены ПИ-регулятора на fuzzy ПИ-регулятор выход ПИ-регулятора сле-
дует рассматривать как приращение управляющего воздействия Δy. Тогда закон ПИ- регулирования описывается в следующей дифференциальной форме:
( ) = ( ) + п
∫ ( ) , (2) 0

где ( ) – выход регулятора, – пропорциональный коэффициент, – постоянная
п
( ) = ( ) + 1 ( ). (3)
п
или в разностной форме, где k – номер отсчёта:
∆ ( )= ( )− ( −1)= ∆ ( )+∆ ( ). (4)

Таким образом, для входных переменных ( ) и ∆ ( ) и выходной ∆ ( ) может быть синтезирован fuzzy ПИ-регулятор, реализующий нелинейный закон
∆ ( ) = [∆ ( ), ( )]. (5)
и эквивалентный классическому ПИ-регулятору.
В компьютерной среде MatLab Simulink разработана имитационная модель
ДГПЧВ с блоком РО на базе fuzzy ПИ-регулятора.
Имитационный эксперимент проводился на модели ДГПЧВ на базе АВН. Данный эксперимент идентичен эксперименту, рассмотренному в главе 2.
На рис. 9 показаны диаграммы выходных сигналов ПИ-регулятора и fuzzy ПИ- регулятора (блок РО в системе управления ДВС) при набросе нагрузки в момент времени 1,5 сек. На данном рисунке видно, что параметры переходных процессов для обоих типов регуляторов идентичны. Таким образом, подтверждено, что задачу стабилизации частоты вращения ДВС можно решить альтернативным путем с по- мощью аппарата нечеткой логики. Учитывая, что fuzzy ПИ-регулятор является са-
монастраивающимся, реализация системы регулирования на его базе более предпо- чтительна при работе ДВС в различных погодных условиях и на различной марке топлива.
В диссертационной работе проведен сравнительный анализ показателей по- требления топлива между двумя электро- станциями. Одна электростанция (элек- тростанция No1) состоит из двух классиче- ских ДГУ, а другая (электростанция No2) – из ДГУ и трансформаторной ДГПЧВ на базе понижающего ШИП. ДГУ и ДГПЧВ объединены по выходному переменному напряжению, аналогично тому, что рас-
смотрено выше (рис. 6). Дизель- генераторы в обеих электростанциях име- ют одинаковую установленную мощность
п
Рис. 9 Диаграммы выходных сигналов fuzzy ПИ-регулятора (Fuzzy_out) и ПИ-регулятора (PI_out) блока РО
– 75 кВт, что равно одной условной единице (100%). Номинальная мощность нагрузки, таким образом, равна 2 условным единицам (200%). При превышении нагрузки уровня 100% происходит коммутация электрооборудования в электростан- циях. В электростанции No1 параллельно начинают работать две ДГУ, а в электро- станции No2 – ДГПЧВ и ДГУ. На рис. 10а изображены графики удельного расхода топлива рассматриваемых электростанций. На рис. 10б показана диаграмма показа- телей топливной экономичности по удельному расходу топлива электростанции на базе ДГУ и ДГПЧВ. Наибольшая экономия топлива составляет около 12 %.
Рис. 10 Показатели энергоэффективности: а – удельный расход топлива при изменении нагрузки; б – диаграмма показателей топливной экономичности по удельному расходу топлива
Исследования динамических режимов коммутации нагрузки ДГПЧВ проводи- лись на экспериментальной электростанции мощностью 3,2 кВт на базе понижаю- щего ШИП (рис. 13). В качестве дизель-генератора использовалась установка SDMO HX 4000 производства фирмы «SDMO». В ее состав входит бензиновый 4-х такт- ный, карбюраторный ДВС Honda GX 270. Программа экспериментов (рис. 11,12) включает опыты по набросу и сбросу нагрузки.
Рис. 11 Осциллограмма выходного напряжения СГ при подключении нагрузки
Рис. 12 Осциллограмма напряжения звена постоянного тока при подключении нагрузки
При подключении и отключении нагрузки провалы и всплески напряжения на выходе СГ и звена постоянного тока не превышают 15% и 20% соответственно. Все осциллограммы были получены с помощью цифрового осциллографа.
Рис. 13 Фотографии экспериментальной установки
В приложении приведены акты внедрения результатов диссертационной рабо- ты и документы авторского права.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
В результате выполненных исследований предложены научно обоснованные решения по повышению энергоэффективности дизель-генераторных установок. Наиболее существенные результаты исследований в диссертационной работе за- ключаются в следующем:
1. Разработаны структурные схемы ДГПЧВ на базе различных силовых тополо- гий, в том числе структурная схема ДГПЧВ на базе АВН, отличающаяся но- визной технических решений и позволяющая улучшить массогабаритные и энергетические показатели ДГПЧВ.
2. Обоснована целесообразность повышения энергоэффективности ДГПЧВ за счет применения в составе преобразовательного оборудования АВН. Исполь-
18

зование АВН позволяет поддерживает cosφ = 1 на выходе СГПМ, тем самым
повышая КПД ДГПЧВ.
3. Разработаны имитационные модели ДГПЧВ на базе различных силовых топо-
логий, в том числе на основе АВН. Исследованы динамические режимы рабо- ты с учетом величины и характера нагрузки в электрической сети. С уменьше- нием cosφ нагрузки (Sн = const) происходит увеличение провала выходного напряжения ДГПЧВ на базе АВН. Максимальная величина провала не превы- шает 12-13 %.
4. Впервые разработана структурная схема, алгоритм коммутации электрообору- дования и имитационная модель электростанции, состоящей из ДГПЧВ на ос- нове АВН, ДГУ и БНЭ. Обоснована целесообразность использования в соста- ве электрооборудования ДГПЧВ буферного накопителя энергии. Представле- ны результаты имитационного моделирования коммутации нагрузки различ- ной величины. Величина провала и всплеска выходного напряжения электро- станции не превышает 15% и 20% соответственно.
5. Впервые разработана структурная схема, алгоритм коммутации электрообору- дования и имитационная модель электростанции, состоящей из двух ДГПЧВ и БНЭ.
6. Разработана структура и имитационная модель регулятора оборотов ДВС ДГПЧВ, отличающаяся от известных тем, то в ее составе используется само- настраивающийся нечеткий (fuzzy) ПИ-регулятор.
7. Впервые проведена оценка топливной экономичности электростанции, состо- ящей из ДГПЧВ и ДГУ. Наибольшая экономия топлива составляет 10-12 %.
8. Результаты выполненных исследований использованы в АО «НПЦ «Электро-
движение судов» (СПб) при разработке проектной документации электростан- ций судов с ДГПЧВ.