Підвищення ефективності джерел резервного електроживлення на базі застосування перетворювачів електричної енергії

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний унiверситет України

Київський полiтехнiчний iнститут

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.09.12 - Напівпровідникові перетворювачі електроенергії

Підвищення ефективності джерел резервного електроживлення на базі застосування перетворювачів електричної енергії

Камаєв Віктор Сергійович

Київ 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової електроніки Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, доцент Петергеря Юлія Сергіївна, Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” МОН України, професор кафедри промислової електроніки.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Юрченко Микола Миколайович, Інститут електродинаміки Національної академії наук України, провідний науковий співробітник відділу транзисторних перетворювачів;

кандидат технічних наук Ульченко Дмитро Олегович, Чернігівський державний технологічний університет МОН України, асистент кафедри інформаційних та комп'ютерних систем.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.Б. Швайченко.

Анотація

енергія акумуляторний батарея

Камаєв В.С. Підвищення ефективності джерел резервного електроживлення на базі застосування перетворювачів електричної енергії. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.12 - напівпровідникові перетворювачі електроенергії. - Національний технічний університет України „Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України, Київ, 2008.

Дисертація присвячена розвитку теорії побудови систем резервного електроживлення з дизель-генераторами та розробці способів підвищення енергоефективності таких систем шляхом застосування напівпровідникових перетворювачів. Розглянуто можливості оптимізації роботи системи при змінному навантаженні за критерієм мінімізації витрат палива на базі розробленого алгоритму динамічної ідентифікації сталої часу дизель-генератора. Показано, що покращення режимів роботи системи електроживлення досягається використанням фільтро-компенсуючих пристроїв та комбінованих матричних перетворювачів з постійною та змінною вхідними напругами.

Застосування систем з подвійним живленням та запропонованого алгоритму керування матричним перетворювачем призводить до формування практично синусоїдної форми струму з нульовим фазовим зсувом відносно напруги, що відповідає еквівалентному активному навантаженню та усуває проблеми коливань кута ротора в перехідних та усталених режимах. Така побудова системи забезпечує можливість багатоваріантної зміни структури силової частини системи, необхідну якість вхідних та вихідних струмів і напруг при роботі на навантаження різного характеру.

Ключові слова: система резервного електроживлення, дизель-генератор, зменшення витрат палива.

Аннотация

Камаев В.С. Повышение эффективности источников резервного электропитания на базе использования преобразователей электрической энергии. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.12 - полупроводниковые преобразователи электроэнергии. - Национальный технический университет Украины „Киевский политехнический институт” Министерства образования и науки Украины, Киев, 2008.

Диссертация посвящена развитию теории построения систем резервного электропитания с дизель-генераторами и разработке способов повышения энергоэффективности таких систем путем применения полупроводниковых преобразователей. Применение преобразователей электрической энергии обеспечивает эффективное использование энергетических ресурсов путем построения системы с эквивалентной постоянной нагрузкой либо ее медленным изменением относительно постоянной времени механической части системы, отсутствием реактивных составляющих энергии потребления.

Рассмотрено совместное функционирование аккумуляторного накопителя и дизель-генератора с выбором максимальной пиковой мощности в 1,5-3 раза больше номинальной, что позволяет уменьшить расход топлива, при этом продолжительность работы аккумуляторного накопителя составляет 20-70% от величины механической постоянной времени дизель-генератора. Рассмотрены возможности оптимизации работы системы при переменной нагрузке по критерию минимизации расхода топлива на базе разработанного алгоритма динамической идентификации постоянной времени дизель-генератора. Преимуществами разработанного метода синтеза параметров регулятора являются простота и небольшое количество вычислительных операций, что позволяет уменьшить время определению параметров объекта при воздействии, как задающего воздействия, так и возмущений. При этом общее запаздывание в системе определяется временем измерения выходной величины и значительно меньше механической постоянной времени. Показано, что улучшение режимов работы системы электропитания достигается путем применения фильтро-компенсирующих устройств и комбинированных матричных преобразователей с постоянным и переменным входом. Использование параллельных корректоров мощности в системе „дизель - синхронный генератор - выпрямитель - накопительный аккумулятор-нагрузка” позволяет обеспечить форму тока потребления, повторяющую форму напряжения, то есть обеспечить нагрузку на генератор, эквивалентную линейному сопротивлению.

Для повышения эффективности отбора энергии от дизель-генератора использованы матричные преобразователи, преимуществами которых при реализации алгоритма пространственно-векторной модуляции является возможность контролировать мгновенные значения вектора выходного напряжения и мгновенный угол сдвига входного тока независимо. Комбинированное использование матричного инвертора, питаемого от аккумуляторного накопителя, и трехфазного матричного преобразователя, питаемого от синхронного генератора позволяет расширить совокупную комбинацию рабочих состояний с 21 до 168, что дает возможность более гибко формировать выходное напряжение и входной ток и реализовать управляемый режим заряда-разряда аккумуляторной батареи в процессе непрерывного формирования выходного напряжения.

Использование систем с двойным питанием и предложенного алгоритма управления матричным преобразователем приводит к формированию практически синусоидальной формы тока с нулевым фазовым сдвигом относительно напряжения, что соответствует эквивалентной активной нагрузке и устраняет проблемы колебаний угла ротора в переходных и установившихся режимах при воздействии момента, определяемого пульсациями тока потребления выпрямителя. Такое построение системы обеспечивает возможность многовариантного изменения структуры силовой части системы, необходимое качество входных и выходных токов и напряжений при работе на нагрузки различного характера. Проведенное моделирование работы резервного источника питания с дизель-генератором и фильтро-компенсирующим преобразователем подтвердило улучшение качества тока нагрузки при питании от синхронного генератора путем формирования тока фильтро-компенсирующего преобразователя необходимой формы. При этом результирующий входной ток совпадает по фазе с напряжением и имеет синусоидальную форму. Моделирование системы „матричный преобразователь - трехфазная загрузка” показало, что использование энергии источника постоянного напряжения является целесообразным в случае недостатка энергии при увеличении нагрузки на асинхронный двигатель, при его пуске, а также при уменьшении трехфазного напряжения на входе матричного преобразователя.

Результаты выполненных в диссертации теоретических исследований, практические рекомендации и выводы использованы при создании алгоритмов и систем резервного электропитания в ОАО „Киевский завод реле и автоматики” и в учебном процессе Национального технического университета Украины «Киевский политехнический институт» при изучении курса лекций „Электронные системы управления и регулирования”.

Ключевые слова: система резервного электропитания, дизель-генератор, уменьшение затрат топлива.

Аннотация

Kamayev V.S. Increasing of effectiveness of standby power supply sources using converters of electrical energy. - Manuscript.

Thesis for a Candidate's degree by speciality 05.09.12 - semiconductor converters of electrical energy. - National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnical Institute”, Kyiv, 2008.

The dissertation focuses on the development of theory of standby power supply systems with diesel generators and on the ways to increase energy efficiency of such systems by using of semiconductor converters. Optimization of system functioning at variable load by criteria of optimization of fuel consumption is proposed on the base of algorithm of dynamical identification of diesel generator time constant. Improving of working regimes of power supply system is achieved by using of filter-compensating devices and combined matrix converters with constant and variable input.

Using of system with dual supply and proposed algorithm of matrix converter control leads to forming of almost sine-shaped current with zero phase shift concerning the voltage. Such effect responses to equivalent active load and eliminates problems of rotor angle fluctuations in transient and steady regimes. Such approach for system construction provides with possibility of multivariate structure change of main circuit, necessary quality of input and output currents and voltages at working with different load.

Key words: standby power supply systems, diesel generator, decreasing of fuel consumption.

1. Загальна характеристика роботи

Сучасний стан розвитку енергетики характеризується широким використанням систем резервного електроживлення, що містять акумуляторні накопичувачі, напівпровідникові перетворювачі та дизель-генераторні установки як додаткові джерела енергії. Складність процесів, що обумовлена постійною зміною характеру навантаження в процесі роботи, призводить до необхідності розвитку теоретичних досліджень електротехнічних систем подібного типу.

Найбільш впливовими на розвиток теорії та практики електротехнічних систем є роботи таких вітчизняних вчених, як академіки НАНУ Шидловський А.К., Стогній Б.С., Кириленко О.В., Кулик М.М., член-кор. НАНУ Якименко Ю.І., Кудря С.О., Мхитарян Н.М., Рєзцов В.Ф., д.т.н. Денисов О.І., Яндульський О.С., Терещенко Т.О., Сокол Є.І., Липківський К.О., Юрченко М.М., Жуйков В.Я., Жемеров Г.Г. Однак підвищення енергоефективності електротехнічних систем потребує подальшого удосконалення.

Актуальність теми. Існуючі структури систем електроживлення з дизель-генераторами в багатьох випадках не дозволяють забезпечити максимальної ефективності використання енергетичних ресурсів, особливо в режимах змінного навантаження, характерних для малопотужних установок. Дизель-генератор обирається з умов забезпечення необхідної миттєвої потужності в усталених та перехідних режимах, що значно збільшує його масо-габаритні та вартісні показники. Поряд з цим використання акумуляторного накопичувача дозволяє забезпечити постачання необхідної додаткової енергії, а напівпровідникових перетворювачів - необхідну якість електричної енергії. Правильний вибір акумулятора та перетворювача дозволяє зменшити габарити, вартість та підвищити енергоефективність системи резервного живлення. Тому дисертаційна робота, присвячена питанням підвищення ефективності джерел резервного електроживлення з дизель-двигунами та акумуляторними батареями, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Науково-дослідна робота за темою дисертації проводилася згідно програми Міністерства освіти і науки України, напрямок 04 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, НДР “Наукові основи ідентифікації параметрів пристроїв силової електроніки в системах керування”, № ДР 0100U000581, на підставі Постанови Кабінету Міністрів України від 30.08.1999р. № 1584 в рамках науково-технічної програми “Проекти розвитку високих технологій напівпровідникових матеріалів, оптоелектронних приладів та сенсорних інтелектуальних систем за програмою робіт Технопарку згідно пріоритетних напрямків діяльності, затверджених Постановою Президії НАН України № 202 від 11.07.2002:

- Новітні та нетрадиційні технології енергозбереження та ресурсозбереження;

- Сучасні технічні комплекси і системи, в т.ч. спеціального призначення.

Мета і задачі наукового дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення енергоефективності функціонування системи резервного електроживлення з дизель-генератором шляхом застосування напівпровідникових перетворювачів електричної енергії та використання енергії акумуляторної батареї.

Поставлена мета вимагає вирішення наступних наукових задач:

Аналіз особливостей роботи систем електроживлення з дизель-генераторами і дослідження способів зменшення витрат палива як у стаціонарних, так і у динамічних режимах;

Розробка способу мінімізації витрат палива при зміні навантаження за рахунок використання енергії акумуляторної батареї;

Розробка алгоритму ідентифікації сталої часу дизель-генератора;

Побудова математичної моделі, що враховує вплив пульсацій вхідного струму на режими роботи дизель-генератора;

Дослідження та моделювання роботи системи з фільтро-компенсуючим пристроєм та комбінованим матричним перетворювачем для усунення коливань кута ротора.

Об'єктом дослідження є процеси перетворення параметрів електроенергії в системах резервного електроживлення.

Предметом дослідження є способи підвищення ефективності роботи джерел резервного електроживлення.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої в роботі мети були використані методи аналізу, розрахунку та моделювання електромагнітних та електромеханічних процесів, теорія перетворення параметрів електричної енергії, теорія операційного числення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

вперше знайдений зв'язок між ККД, тривалістю роботи акумуляторного накопичувача, піковою потужністю та сталою часу дизель-генератора, що дало можливість розробити алгоритм керування, який забезпечує підвищення енергоефективності всієї системи електроживлення;

отримано залежність кута відхилення ротора від величини пульсацій вхідного струму випрямляча, який є навантаженням дизель-генератора, що дало можливість розробити структуру системи з компенсацією впливу пульсацій;

вперше показано багатоваріантність зміни структури силової частини системи при використанні змінного та постійного входів в комбінованому матричному перетворювачі, що забезпечує необхідну якість вхідних та вихідних струмів і напруг при роботі на навантаження різного характеру.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що запропонований принцип керування сумісною роботою акумуляторного накопичувача та дизель-генератора дає змогу зменшити витрати палива. Розроблений алгоритм ідентифікації сталої часу дизель-генератора забезпечує керування системою резервного електроживлення в реальному часі та ефективне використання як енергії акумуляторного накопичувача, так і паливних ресурсів. Запропонований алгоритм побудови регулятора системи резервного живлення з динамічною ідентифікацією характеризується простотою реалізації і загальним запізненням, значно меншим за механічну сталу часу. Побудова системи резервного електроживлення з комбінованим матричним перетворювачем дозволяє одночасно використовувати енергію акумуляторного накопичувача та синхронного генератора з забезпеченням компенсації реактивної енергії і нелінійних спотворень.

Основні результати роботи впроваджені у корпорації „Сварог”, НВП „Київський інститут автоматики”, а також використовуються у навчальному процесі Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”.

Особистий внесок здобувача. Усі методи, алгоритми, висновки та рекомендації, що містяться у дисертації, належать особисто автору.

Одна робота автором написано одноосібно.

У роботах, які опубліковані у співавторстві, автору належить: в роботі [1] - дослідження електродних процесів та розробка способів підвищення ефективності роботи акумуляторних батарей; в роботах [2,6] - дослідження роботи дизель-двигуна в системі резервного живлення при змінному навантаженні; в [3] - розробка способу оптимізації режиму роботи системи резервного живлення; в [4] - створення алгоритму динамічної ідентифікації параметрів системи; в [7] - розробка способу застосування постійної напруги комбінованого матричного перетворювача при збільшенні навантаження на асинхронний двигун та зменшенні вхідної напруги.

Апробація результатів дисертації проводилася на трьох науково-технічних та міжнародних конференціях та на науковому семінарі Національної академії наук України:

міжнародна конференція „Інвестування в енергетику та енергозбереження: енергоефективні технології та обладнання, фінансові та правові аспекти” (м. Київ, 2005 р.),

науково-технічна конференція “Приладобудування 2006: стан і перспективи” (м. Київ, 2006 р.);

міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2006 р.);

науковий семінар “Напівпровідникові перетворювачі у пристроях промислової електроніки” секції “Перетворення параметрів електричної енергії” Наукової ради НАН України з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики” (м. Київ, 2006 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 7 наукових статтях, з них 5 - у наукових фахових виданнях, 2 тези доповідей на наукових конференціях.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків. Загальний обсяг роботи становить 169 сторінок, у тому числі 151 сторінка основного змісту, на 67 cторінках розміщено 67 рисунків, 10 таблиць, список використаних джерел із 79 найменувань та 3 додатки.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність та доцільність виконаної роботи, сформульовано мету і задачі наукового дослідження, наведено дані про зв'язок роботи з науковими програмами, викладено наукову новизну, практичне значення та реалізацію результатів дисертації, наведено відомості про їх апробацію та публікації.

У першому розділі розглянуто структурні схеми та принципи побудови систем резервного електроживлення, які будуються на основі включення в загальну схему декількох джерел енергії, одним з яких є дизель-генератор. Наявність тривалих перехідних процесів, складність забезпечення економних режимів роботи на динамічне навантаження приводить до необхідності побудови такої системи, у якій дизельний генератор (ДГ) працював би практично постійно в режимі мінімальної витрати палива. Бажано, щоб синхронний генератор (СГ), крім забезпечення необхідної напруги, підтримував постійний момент на валу ДГ при роботі на повне динамічне навантаження і поступово зменшував момент при скиданні навантаження. Це призводить до зменшення витрат палива незалежно від того, які електричні навантаження підключають на вихід синхронного генератора. Безпосередньо синхронний генератор не може забезпечити сталість моменту на валу ДГ, однак у сполученні з додатковим акумулятором і напівпровідниковим перетворювачем електроенергії такий режим може бути реалізований. Системи резервного та автономного живлення можуть забезпечувати необхідні параметри електричної енергії, виконання функцій керування і мінімізації витрати енергетичних ресурсів тільки за умови використання перетворювачів параметрів електроенергії.

У процесі динамічної зміни навантаження і режимів роботи ДГ змінюється частота обертання вала і відбувається зміна величини вхідної напруги і частоти. Стабілізація напруги, що подається на навантаження, і моменту здійснюється наприклад за допомогою систем, що складаються з керованого випрямляча (КВ) і інвертора (І). Фільтр Ф₁ служить для зменшення рівня пульсацій напруги, а фільтр Ф₂ для виділення основної гармоніки напруги живлення. Замість системи КВ-Ф₁-І-Ф₂ у сучасних розробках пропонується установка матричних перетворювачів (МП), що призводить до поліпшення динамічних властивостей системи за рахунок зменшення кількості реактивних елементів, використаних для фільтрації вихідної напруги.

Компенсатор реактивної потужності (КРП) виконує як функції компенсації реактивної потужності, так і компенсації нелінійних спотворень струмів вихідних обмоток СГ. Оскільки живлення КРП здійснюється від акумуляторної батареї (АБ), то на КРП покладають і функції зарядно-розрядного пристрою. Керування струмом обмотки збудження і відповідно магнітним потоком СГ, здійснюється за допомогою керованого випрямляча КВ_ів або широтно-імпульсного перетворювача ШІП. При використанні КВ_ів його живлення здійснюється від мережі змінного струму із входу КВ або виходу І, а при використанні ШІП живлення може здійснюватися від КВ або від АБ. Комутатор К забезпечує вмикання-вимикання основної мережі від входу КВ, а мікропроцесорна система керування (МПСК) - синхронізацію і узгодження керування із пристроями системи. Наведена побудова структурної схеми забезпечує безперервність живлення навантаження, що досягається плавним переведенням живлення від напруги мережі на напругу акумулятора за рахунок постійної роботи КРП. Ефективне використання енергетичних ресурсів забезпечується побудовою системи з еквівалентним сталим навантаженням або його повільною зміною відносно сталої часу механічної системи, відсутністю реактивних складових енергії споживання та нелінійностей, що досягається за рахунок застосування перетворювачів електричної енергії.

У другому розділі розглянуто особливості моделювання системи, вирішення задачі оптимізації режиму роботи при змінному навантаженні та побудова регулятора системи керування з динамічною ідентифікацією. При побудові системи керування резервним електроживленням з дизель-генераторам повинна враховуватися зміна параметрів пристроїв, що входять до складу даної системи, при зміні режимів роботи. Математичні моделі дизель-двигуна, синхронного генератора, випрямляча, акумуляторної батареї, перетворювача частоти мають бути адекватні як процесам, що протікають, так і процесам, що визначають узгодженість роботи і передавання енергії між пристроями. Сумісне розглядання характеристик пристроїв, що утворюють систему, та спроба одночасного врахування особливостей, що полягають у різного виду нелінійностях та дискретностях, являє собою вкрай складну задачу, розв'язання якої якщо і призведе до реалізації керування, що мінімізує витрати палива, то лише для деякої вузькодіапазонної комбінації параметрів. Останнє не гарантує виконання вимоги мінімізації у різних режимах роботи, що змінюють в широких межах. З метою спрощення вирішення цієї задачі використовується наступна послідовність кроків.

1. Будується деяка еквівалентна схема (структурна модель), що відображує основні процеси перетворення та керування.

2. Оцінюється можливість використання наявних у системі джерел енергії з позицій мінімізації витрат палива.

3. Оцінюється вплив на роботу системи в цілому істотно нелінійних пристроїв, одним з основних серед яких є випрямляч або інший перетворювач параметрів електричної енергії.

4. На основі попередніх даних і висновків пропонується більш досконала структура та алгоритми керування, що реалізують ефективні витрати палива.

Визначимо умови мінімізації витрат палива. Від моменту вмикання додаткового навантаження до моменту виходу генератора на усталений режим дизель переходить у режим збільшення енергії, що генерується. При цьому збільшується момент М на валу, і потужність , де - кутова швидкість, зростає. Функція w(t), яка описує перехідний процес зміни енергії, що віддається, залежить від рівня палива, що витрачається, і від часу роботи акумуляторної батареї. Показані три варіанти , і залежності виходу системи на режим генерації заданої потужності P₀ при початковому значенні потужності P_Н.

Умови відповідають режиму роботи системи без втрат і на практиці не виконуються. Якщо, то. Таким чином, для більш швидкого перехідного процесу дизель повинен мати певний запас за потужністю. За умови, тобто у випадку, якщо час перехідного процесу повинен бути не більше ф, запас за потужністю має складати ?59% по відношенню до потужності P₀. Якщо, то запас по потужності може бути меншим, та, а час роботи акумулятора не обмежується. З цим пов'язана необхідність застосування такого типу зарядних пристроїв, які підвищують акумуляторної батареї. До таких пристроїв відноситься імпульсна система заряду, яка дозволяє підвищити та відповідно підвищити ефективність використання палива не лише за рахунок зменшення витрат, що виникають під час процесів заряду-розряду АБ, але і за рахунок запропонованого способу керування перехідними процесами в дизель-генераторі при сумісному використанні його з акумуляторною батареєю. Якщо потужність Р₀ може бути визначена шляхом вимірювання значень струмів та напруг навантаження та статистичних даних про функцію часу зміни величини навантаження, то стала часу ф залежить від багатьох факторів, які впливають на параметри дизеля та синхронного генератора, розташованих на одному валу, і потребує постійної ідентифікації в процесі роботи.

Оскільки розглядається принцип побудови дискретної системи керування дизель-генератором на основі рекурентної адаптивної ідентифікації, еквівалентна структурна схема системи, що реалізує принцип ідентифікації параметрів об'єкту, містить: блок з передаточною функцією об'єкта, що ідентифікується - дизель-генератора, де z - оператор дискретного перетворення Лапласа; виконавчий пристрій - ідентифікатор I; модель об'єкта ; вимірювальні пристрої вхідного U(z) та вихідного P(z) сигналів об'єкта відповідно; накопичувачі інформації з вимірювальних пристроїв, що входять до складу блоку I, регулятор з передаточною функцією. Оскільки система регулювання є дискретною з постійним періодом вимірювання T, об'єкт достатньо точно моделюється різницевим рівнянням, яке отримують з неперервної передаточної функції (p - оператор Лапласа) об'єкта регулювання. З урахуванням ланки екстраполятора з передаточною функцією, яка вмикається або на вході, або на виході регулятора, отримаємо z-трансформовану передаточну функцію об'єкта.

Таким чином, алгоритм динамічної ідентифікації параметрів об'єкта за допомогою рекурентного методу найменших квадратів складається з наступних кроків:

визначаються значення сигналів входу і виходу, які відповідають моменту часу k;

обчислюються нові оцінки параметрів;

формується вектор даних m(k);

обчислюється корегуючий вектор K(k);

формується прецизійна матриця Р(k);

інкремент k на 1, і знову виконується вся послідовність дій з п.1.

Перевагою адаптивних рекурентних систем є їх здатність до швидкої адаптації за умови надходження сигналів на вхід системи.

Після перемикання дизель-генератора з режиму холостого ходу на робочий режим або перемикання з режиму малого навантаження на більше навантаження система керування під'єднує АБ та розраховує час. Регулятор повинен забезпечити виконання наступних вимог: 1) після відключення АБ або при незначному відхиленні навантаження і відповідній зміні вхідного впливу перехідний процес при впливі сигналу типа повинен закінчитися через кінцеву (по можливості мінімальну) кількість інтервалів вимірювання; 2) передаточна функція регулятора, який налагоджується мікропроцесорною системою керування, повинна скомпенсувати нулі характеристичного полінома об'єкта, а також полюси зображення функції сигналу збурення.

Результати ідентифікації повинні безпосередньо використовуватися в процесі синтезу параметрів регулятора, і трудомісткість обчислення параметрів регулятора має бути мінімальною. Цим вимогам відповідає дискретний регулятор зі зворотним зв'язком по вихідному сигналу, що описується передаточною функцією. Запропонований в роботі алгоритм побудови регулятора системи резервного живлення з динамічною ідентифікацією характеризується простотою реалізації з кількістю операцій множення, що не перевищує 16. При цьому загальне запізнення визначається часом вимірювання вихідної величини та є значно меншим за механічну сталу часу.

Третій розділ присвячено оцінці залежності моменту вала дизель-генератора від пульсацій струму, що споживається, та способам покращення режимів роботи шляхом використання компенсатора реактивної потужності та матричного перетворювача. У системах резервного і автономного живлення забезпечення необхідних параметрів електричної енергії здійснюється за допомогою керованого випрямляча (КВ) та інвертора. Коливання ротора визначаються пульсаціями струму споживання випрямляча. Для оцінки впливу пульсацій струму споживання випрямляча при активному навантаженні у статичному режимі, що є найбільш простим та ідеальним з точки зору вибору режиму роботи системи, використано модель малих коливань ротора.

На вал генератора діють пульсації, що визначаються імпульсною зміною моменту на валу чотиритактного дизельного двигуна, які при взаємодії з частотами, що визначаються роботою випрямляча, можуть призводити до низькочастотних коливань і відповідно до коливань вихідної напруги, погіршенню умов роботи, перевитрат палива, а при перехідних процесах - і до зупинки двигуна. Оскільки генератор розрахований на живлення мережі з навантаженням по потужності, близької до потужності генератора, тобто внутрішній опір генератора сумірний з опором навантаження, а в перехідних режимах випрямляч може працювати в умовах вмикання як двох, так і всіх шести вентилів, то умови роботи є ще більш критичними до коливань моменту.

Таким чином, необхідно будувати систему так, щоб реакція навантаження по відношенню до вихідних зажимів синхронного генератора являла собою активний опір. Це дасть можливість практично усунути пульсації моменту, які визначаються навантаженням. Використання коректорів потужності дозволяє зробити форму струму споживання такою, що відтворює форму напруги, тобто здійснити таке навантаження на генератор, яке еквівалентне лінійному опору. Показано струм та бажана форма струму генератора , що має протікати у системі після вмикання коректора зі струмом і_К. Період роботи системи з компенсатором розбивається на шість інтервалів. На інтервалах 1 та 3 енергія від генератора надходить до ємнісного накопичувача С, а на інтервалі 2 - віддається з ємнісного накопичувача у мережу, компенсуючи тим самим нестачу енергії при синусоїдному струмі, що відбирається від генератора. Такі компенсатори доцільно будувати з використанням обміну енергією між фазами, причому конденсатор або акумуляторний накопичувач грають роль допоміжного накопичувача. Система відбирання енергії від дизель-генератора може бути виконана більш раціональним способом - використанням матричних перетворювачів (МП). Перевага матричних перетворювачів полягає в тому, що при використанні алгоритму просторово-векторної модуляції (ПВМ) вони мають властивості, які дозволяють здійснити повний контроль миттєвих значень вектору вихідної напруги і миттєвого кута зсуву вхідного струму незалежно один від одного.

Враховуючи наявність двох джерел енергії, трифазної напруги від синхронного генератора та постійної напруги від акумуляторного накопичувача, запропонована схема матричного перетворювача, який дозволяє здійснювати живлення навантаження від:

1) синхронного генератора;

2) джерела постійної напруги;

3) послідовно ввімкнених джерел змінної та постійної напруги ();

4) почергово зсунутих у часі вмикань джерел змінної та постійної напруги.

Оскільки триплечевий матричний інвертор характеризується 8 станами, а трифазний МП - 21 робочим станом, то загальна сукупність станів, що відповідає цим перетворювачам, складає . Якщо у МП реалізовані два чотириплечових інвертора постійного та змінного струму, то загальна сукупність станів. Положення векторів напруг і струмів при сумісному формуванні вихідної напруги u_вих та вхідного струму i_вх. Три напрямки базових векторів напруги відповідають станам, а три напрямки базових векторів вхідного струму відповідають станам. Вектори, що формуються інвертором, який працює від АБ, мають регульований фазовий зсув ш (див. рис.8) відносно векторів, що дає змогу не тільки більш гнучко формувати вихідну напругу і вхідний струм, але й здійснювати потрібний керований режим заряду-розряду акумуляторної батареї.

У четвертому розділі проведено математичне моделювання електричних процесів у системі резервного електроживлення з дизель-генератором, матричним перетворювачем та фільтро-компенсуючим пристроєм. Моделювання резервного джерела з фільтро-компенсуючим перетворювачем проводилось при наступних параметрах: амплітуда і частота напруги між фазою А та нульовим проводом; номінальний струм навантаження; максимальне значення стуму навантаження; кут; робоча частота компенсатора; значення індуктивності дроселя; значення ємності конденсатора. Покращення якості струму навантаження амплітудою 4,74 А при живленні від СГ з лінійною напругою досягається шляхом формування струму ФКП необхідної форми. Така форма вхідного струму призводить практично до усунення амплітуди пульсацій на навантаженні і відповідно до стабілізації роботи СГ і всього резервного джерела електроживлення.

До силової частини моделі відносяться:

трифазне джерело напруги (блоки U_A, U_B та U_C);

матричний перетворювач (блок „Matrix Converter”);

опори;

блок Inverter (частина МП, що відповідає за підключення постійної напруги та перетворення її в змінну).

асинхронний двигун.

Особливості формування ШІМ за алгоритмом просторово-векторної модуляції дозволили отримати потрібну вихідну напругу разом із збереженням вхідного струму в фазі зі вхідною напругою. Моделювання показало, що застосування енергії джерела постійної напруги є доречним у випадку, коли не вистачає енергії при збільшенні навантаження на асинхронний двигун, при його пуску, а також при зменшенні трифазної напруги на вході матричного перетворювача. Запропонований алгоритм керування матричним перетворювачем є придатним для навантажень різного характеру і забезпечує компенсацію реактивної потужності і нелінійних спотворень.

Висновки

У дисертаційній роботі отримані нові науково обґрунтовані результати, які вирішують наукову задачу підвищення енергоефективності системи резервного живлення на базі забезпечення узгодженого функціонування дизель-генератора, комбінованого матричного перетворювача та акумуляторного накопичувача з компенсацією нелінійних та реактивних спотворень і динамічною ідентифікацією параметрів системи, що в сукупності є суттєвим для розвитку теорії та практики побудови систем електроживлення.

1. Ефективне використання енергетичних ресурсів забезпечується побудовою системи з еквівалентним сталим навантаженням або його повільною зміною відносно сталої часу механічної системи, відсутністю реактивних складових енергії споживання та нелінійностей, що досягається за рахунок застосування перетворювачів електричної енергії.

2. Сумісна робота акумуляторного накопичувача та дизель-генератора з вибором максимальної пікової потужності у 1,5-3 рази більше номінальної дозволяє мінімізувати витрати палива, при цьому тривалість роботи акумуляторного накопичувача повинна складати 20-70% від величини механічної сталої часу дизель-генератора.

3. Запропонований алгоритм побудови регулятора системи резервного живлення з динамічною ідентифікацією сталої часу дизель-генератора характеризується простотою реалізації з кількістю операцій множення, що не перевищує 16, величиною запізнення, значно меншою за механічну сталу часу дизель-генератора, що забезпечує керування системою резервного електроживлення в реальному часі.

4. Для усунення коливань кута ротора, які при роботі дизель-генератора на випрямляч досягають 25%, доцільно застосовувати корегуючі пристрої, які виконують функції компенсаторів реактивної потужності і нелінійних спотворень, що забезпечує споживання енергії навантаженням, еквівалентне роботі в усталеному режимі на активний опір, та відповідно знижує нераціональні витрати енергії.

5. Комбіноване використання матричного інвертора, що живиться від акумуляторного накопичувача, та трифазного матричного перетворювача, що живиться від синхронного генератора, дозволяє розширити сукупну комбінацію робочих станів з 21 до 168, що дає змогу більш гнучко формувати вихідну напругу і вхідний струм та реалізувати керований режим заряду-розряду акумуляторної батареї в процесі неперервного формування вихідної напруги.

6. Моделювання роботи системи з фільтро-компенсуючим пристроєм та комбінованим матричним перетворювачем показало доцільність використання на практиці запропонованого підходу до побудови систем електроживлення внаслідок формування практично синусоїдальної форми струму з нульовим фазовим зсувом відносно напруги, що відповідає еквівалентному активному навантаженню та усуває проблеми коливань кута ротора в перехідних та усталених режимах.

7. Застосування систем з подвійним живленням та запропонованого алгоритму керування матричним перетворювачем забезпечує можливість багатоваріантної зміни структури силової частини системи, необхідну якість вхідних та вихідних струмів і напруг при роботі на навантаження різного характеру.

8. Результати виконаних в дисертації теоретичних досліджень знайшли практичне застосування при побудові систем резервного електроживлення, а також використовуються в навчальному процесі Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут” при викладанні курсу лекцій „Електронні системи керування та регулювання”.

Перелік публікацій за темою дисертації

1. Волкивский В.Б. Методы заряда никель-кадмиевых аккумуляторных батарей / В.С. Камаев, А.В. Колодяжный // Электроника и связь. - 2005. - № 27. - C. 18-25.

2. Гераимчук М.Д., Исследование влияния нагрузки и параметров дизельгенератора на качество генерируемой электрической энергии / В.С. Камаев, О.Я. Мухин // Зб. тез доповідей „Приладобудування 2006: стан і перспективи”. - Київ. - 2006. - С. 159-160.

3. Камаев В.С. Оптимизация режима работы системы резервного питания с дизель-генератором / Ю.С. Петергеря // Праці Інституту електродинаміки Національної академії наук України. - 2006. - № 1(13). - С. 38-41.

4. Камаев В.С. Алгоритм динамической идентификации параметров объекта управления / Харченко А.Н. // Электроника и связь. - 2006. - №1. - С. 44-47.

5. Камаев В.С. Энергосберегающие способы заряда аккумуляторных батарей // Інвестування в енергетику та енергозбереження: енергоефективні технології та обладнання, фінансові та правові аспекти. Вибрані доповіді. - 2005. - С. 128-131.

6. Колотов Н.В. Схемы построения систем гарантированного питания на базе дизельных двигателей / Камаев В.С. // Электроника и связь. - 2006. - № 28. - С. 10-15.

7. Соболєв О.В. Матричний перетворювач, який живиться від трифазного джерела змінної напруги і від джерела постійної напруги / Камаєв В.С. // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск "Проблеми сучасної електротехніки". - 2006. - Ч. 6. - С. 80-81.

Размещено на Allbest.ru