автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Генераторная установка с импульсной системой стабилизации показателей качества электроэнергии

На правах рукописи

КУКСИН Алексей Владимирович

ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА С ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность: 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 9 МАЙ 2011

Воронеж - 2011

4847209

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Заслуженный деятель науки и

техники РФ, доктор технических наук, профессор Шиянов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Мещеряков Виктор Николаевич;

кандидат технических наук, доцент

Смольянинов Андрей Викторович

Ведущая организация ЗАО «НИИ Механотроники-

Альфа-НЦ» (г. Воронеж)

Защита состоится 1 июня 2011 г. в Ю00 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д 212.037.09 ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Автореферат разослан 25 апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кононенко К. Е.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Увеличение спроса на автономные источники электроэнергии послужило причиной начала серийного производства генераторных установок малой мощности (до 20 кВт). Наибольшее распространение получили бензо- и дизель-генераторные установки, работающие на органическом топливе. Кроме того, ряд зарубежных и отечественных организаций выпускают гидро- и ветроэнергетические установки, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Нестабильность показателей качества электроэнергии является существенной проблемой для всех типов генераторных установок, работающих с переменной нагрузкой. Особенно остро эта проблема стоит в установках на базе ВИЭ, в которых наряду с изменением нагрузки свойственно изменение скорости вращения первичного преобразователя энергии.

Анализ опыта проектирования и производства генераторных установок указывает на разнообразие зарекомендовавших себя на практике схемотехнических решений, которые в той или иной мере способны обеспечить нормированные показатели качества электроэнергии при определенных энергетических характеристиках. Наиболее перспективными в этом отношении считаются установки на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие наилучшие эксплуатационные характеристики. Стабилизация показателей качества электроэнергии в таких установках обеспечивается силовыми электронными преобразователями и цифровой системой регулирования. При этом влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии изучены недостаточно хорошо.

В связи с этим разработка методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии, разработка соответствующего оборудования для исследования генераторных установок, а также проведение этих исследований является весьма актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках основного научного направления ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».

Цель и задачи работы

Целью работы являются теоретические и экспериментальные исследования влияния импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. Разработать аналитическое описание электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки;

2. Создать математическую модель для исследования режимов работы генераторной установки;

3. Провести моделирование режимов работы генераторной установки, исследовать влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дать количественную оценку показателей качества электроэнергии;

4. Выполнить экспериментальные исследования генераторной установки малой мощности для подтверждения достоверности основных положений диссертации;

5. Разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Методы исследования

Исследования проводились с помощью уравнений математической физики, теории автоматического управления и методов теории электромеханического преобразования энергии. Инструментом для моделирования выбран пакет прикладных программ МАТЬАВ. представляющий собой универсальное средство для технических вычислений. Достоверность основных положений диссертации подтверждается сравнением результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна

1. Разработано уточненное математическое описание первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Получена математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Создана математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Предложены основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки с импульсной системой стабилизации.

Практическая значимость работы

1. Разработана математическая модель для исследования режимов работы генераторной установки.

2. Предложен комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторной установки малой мощности.

3. Получены энергетические и динамические характеристики, а также показатели качества электроэнергии генераторной установки малой мощности.

4. Выработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертации получили внедрение в опытно-конструкторскую работу «Разработка электроустановки для опорно-поворотного устройства», выполненную в 2008 - 2010 гг. НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» для ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также в проектные работы ЗАО «Электроагрегат» (г. Воронеж). Основные результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры электроэнергетики НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» (г. Воронеж) при подготовке инженеров по специальности 140205 «Электроэнергетические системы и сети».

Внедрение результатов диссертации в производство, в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами, а также благодарностью от правительства Воронежской области, подписанной губернатором А. В. Гордеевым.

Апробация работы

Диссертация обсуждалась и получила одобрение на семинарах кафедры робототехнических систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения диссертации рассматривались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009); Международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2008, 2010, 2011); Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View технологии National Instruments» (Москва, 2009); Международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж, 2010); Региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2010) и «Технологической конференции MATLAB и Simulink 2010» (Москва, 2010). Экспериментальная установка принимала участие в «XVIII областном конкурсе на соискание премий в области науки и образования для ученых высших учебных заведений и научных организаций» (Воронеж, 2009).

Публикации

По теме диссертации опубликовано в 13 научных работах, в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: [1] - математическая модель поперечной турбины микроГЭС в среде имитационного моделирования Simulink; [4] - математическая модель системы управления двигателем постоянного тока в пакете прикладных программ MATLAB, позволяющая формировать механические характеристики гидротурбины, ветротурбины, ДВС; [5] - математическая модель системы стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения гиро-аккумулирующего модуля; [6, 8] - математическая и физическая модели микроГЭС, [10] - аппаратная реализация силовой части лабораторной установки для исследования режимных параметров ВИЭ; [11] - математическая модель системы стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения элекгрогенерирующей установки; [12] - математическая модель генераторной установки с силовой электронной системой стабилизации показателей качества электроэнергии.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и 6 приложений. Основная часть работы изложена на 175 страницах, содержит 102 рисунка и 43 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи диссертации, перечислены методы исследования, отмечены пункты научной новизны и практической значимости результатов диссертации, перечислены основные положения диссертации, выносимые на защиту, показаны реализация и внедрение результатов работы, апробация работы, структура и объём работы.

В первой главе приведен аналитический обзор современного состояния проектирования и производства генераторных установок.

Согласно результатам анализа характеристик оборудования и существующих структурных схем для исследования генераторной установки выбрана рациональная структура на базе первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса (ПП), механической трансмиссии (МТ), синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов (СГПМ), трансформатора (Т), выпрямителя (В), автономного инвертора напряжения (АИН) и цифровой системы регулирования (ЦСР) (рис. 1).

'2

ь < V 2 к

мт егт т

*' ¡ТАИН

Ч ЦСР г

Рис. 1. Структурная схема генераторной установки

Выбор данного схемотехнического решения обусловлен:

- возможностью обеспечивать нормированные показатели качества электроэнергии при конкретных диапазонах изменения нагрузки и скорости потока благодаря наличию силовых электронных преобразователей: выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а также цифровой системы регулирования;

- высокими энергетическими показателями при условии применения современных технологий и материалов;

- низкими затратами на обслуживание оборудования;

- высоким ресурсом работы и наработкой на отказ;

- длительным сроком службы.

Во второй главе создана математическая модель для исследования режимов работы генераторной установки.

Уточненное математическое описание ПП типа ротор Саво-ниуса можно записать системой уравнений:

02-Ь-у2-р

Мпп = —"ПС^),

'Ппп=у/(Мпп-М2)Л, (1)

ц = -0,7228 • А,3 + 0,0852 • А2 + 0,9566 • X + 0,004,

где Мпп - механический момент первичного преобразователя, Н-м; Б - диаметр первичного преобразователя энергии, м; Ь - длина активной части первичного преобразователя энергии, м; V - скорость потока, м/с; р - плотность потока, кг/м3;

г| = £ (к) - КПД первичного преобразователя энергии;

1 __ТГиГ\/"»ТХ. ТТ^ГИЭТГииГЧТ'Г* ТТГЛ^/^^ЛТЛП ")Ли «ЭТУ^ТТСГ

/ V Ч^ХЛ!^ X »V V X 1-« X 11IV1 V/ А V« V и 1 <111;

Опп - скорость вращения первичного преобразователя энергии, рад/с, I - суммарный момент инерции, кг-м2;

М]г = МТр + Мн - суммарный момент сопротивления, Н-м.

Мн- момент нагрузки, создаваемый генератором, Н-м;

МТр= Г ■ Опп - момент трения в подшипниковых опорах, Н-м;

коэффициент трения, Н-м-с. Аналитическое выражение для главной энергетической характеристики ПП получено аппроксимацией графика, выявленного на основании известной зависимости относительной мощности ротора Савониуса от относительной частоты вращения, снятой экспериментальным путем. Структурная схема модели ПП показана на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема модели первичного преобразователя энергии

Разработана модель ПП типа ротор Савониуса, реализованная в МАТЬАВ (рис. 3).

Рис. 3. Структурная модель первичного преобразователя энергии, реализованная в МАТЬАВ

Модель предназначена для исследования ротора Савониуса в динамике и статике при изменении скорости потока и момента нагрузки. Блок параметров позволяет легко изменять характеристики среды, а также габаритные размеры и количество роторов, работающих на одном валу. Модель ориентирована на исследование ротора Савониуса, однако при известных аналитических выражениях главных энергетических характеристик она пригодна для исследования различных типов ПП.

Получены аналитические выражения для устройств электромеханической части генераторной установки с учетом импульсного тока нагрузки. Так, уточненное математическое описание генератора можно записать системой уравнений:

со оо оо

П=1 П=1 П=1

&

П=1

П=1 11=1

Мэм =1,5р-[Ф1 ¡Чп+ 2 (Ьап-Цп)1апЦп];

П=1 П=1

Аог=1(Мэм-Юг-Мн); <и J

(2)

сЮ А

где Ц, Ьа - индуктивности статора по осям q и <1;

7

Я - активное сопротивление обмотки статора, Ом;

1Ч, 1а- проекции тока статора на оси я и с1;

и„ Па - проекции напряжения статора на оси q и с!;

Г2г - угловая частота вращения ротора, рад/с;

Ф - магнитный поток постоянных магнитов;

р - число пар полюсов;

Мэм - электромагнитный момент, Нм;

0 - угол положения ротора, рад;

п - количество гармоник кривой тока.

Подобным образом уточнено математическое описание трансформатора. В результате разработана модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики. Гармонический состав тока генератора определен в результате моделирования режимов работы генераторной установки.

Предложена модель ЦСР, реализованная в МАТЬАВ (рис. 4).

Рис. 4. Структурная модель цифровой системы регулирования, реализованная в МАТЬАВ

Основным элементом ЦСР является ШИМ генератор, формирующий импульсы управления инвертором по закону, который определяется функцией импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

Для учёта потерь в выпрямителе, инверторе и нагрузке в ЦСР введены обратные связи по току и напряжению, с помощью которых определяется величина Да, корректирующая значение коэффициента заполнения.

Та кил? образом, разработана новая модель для исследования режимов работы генераторной установки, реализованная в пакете прикладных программ МАТЬАВ (рис. 5).

Рис. 5. Структурная модель генераторной установки, реализованная в МАТЬАВ

Третья глава посвящена результатам моделирования режимов работы генераторной установки, с максимальной генерируемой мощностью 4 кВт. Установлено, что ток генератора при импульсном токе нагрузки изменяется по несинусоидальному периодическому закону (рис. 6).

п юо

к -100

-200

0 10 20 30 40 50

Время, не

Рис. 6. Напряжение (1) и ток (2) генератора при импульсном токе нагрузки установки

Суммарные потери как в электромеханической части, так и в нагрузке напрямую зависят от гармонического состава тока (рис.7),

а именно коэффициента формы тока, который определяется част той коммутации инвертора и величиной коэффициента заполнения.

0,4

«а «

н

р»>

С

1 0а

<

О__:___|_|___„

1 3 5 7 9

Гармоники

Рис. 7. Гармонический состав кривой тока генератора Определены диапазоны изменения нагрузки: Рг = (0,5 4) кВт,

_____Г) _ /А ПС ■ П\П ________________________________- - - / Т С . ОЧ . ,

ИЛИ Г2 — КУг^-' ~ ¿/Г1Ь И ИЗМОНСНИЯ 1жириы И ии1им, V — V1г-> -3)■>

или V = (0,75 1,5)-у„, при которых система стабилизации обеспечивает нормированные показатели качества электроэнергии, удовлетворяющие нормально допустимым значениям.

Получена зависимость коэффициента заполнения от напряжения выпрямителя, аппроксимация которой позволила получить аналитическое выражение, послужившая основой работы ЦСР (рис. 8).

О 400 600 800 1200 1400 1600

Напряжение выпрямителя, В

1 - зависимость коэффициента заполнения от напряжения выпрямителя

2 - аппроксимация степенным полиномом

Рис. 8. Зависимость коэффициента заполнения инвертора от напряжения выпрямителя

а = 1,4595 • 10"12 • ив - 7,3737 • 10-9 ■ и^ +

+ 1,4171-Ю-5-и2 - 0,012555-ив +4,5599.

С использованием разработанной модели проведено исследование влияния импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дана количественная оценка показателей качества электроэнергии генераторной установки с максимальной генерируемой мощностью 20 кВт, по результатам которых доказана правомерность распространения результатов моделирования на установки, мощностью от 4 до 20 кВт.

Проведенный анализ технико-экономических показателей указывает на высокую конкурентоспособность и эффективность производства генераторных установок с импульсной системой стабилизации показателей качества электроэнергии, кроме того, разработанная установка отличается высокими функциональными возможностями и относительной дешевизной эксплуатации.

Четвептая глава посвяшена пповегжи лостовепности основ-

■ ± х • • *

ных положений диссертации. Для проведения экспериментальных исследований предложен комплекс испытательного оборудования, состоящий из двух установок, структурные схемы которых показаны на рис. 9 и рис. 10. Каждая установка состоит из электромеханической, силовой электронной и информационной частей.

¡Ш] кз=г

Тн

ВИСУ

НАШ Ау йг/уе ШЬн 1ф2

°П 60Л£\

ПК

УЫ-52

Рис. 9. Структурная схема экспериментальной установки с максимальной генерируемой мощностью 0,1 кВт

д

о^о

<Д> <33

к коннектору

БИТ

ПЧАС5350

АЛ!П

СИ

Рис. 10. Структурная схема экспериментальной установки с максимальной генерируемой мощностью 4 кВт

Наличие регулируемых источников питания приводных двигателей обусловливает возможность получать механические характеристики первичных преобразователей энергии: гидротурбины, вет-ротурбины, а также ДВС. В ходе исследования режимов работы генераторной установки с максимальной генерируемой мощностью 4 кВт определено влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики (рис. 11). Расхождение кривых тока генератора, полученных при моделировании и в результате эксперимента, не превышает 10 %. По результатам моделирования суммарный КПД генераторной установки с максимальной генерируемой мощностью 4 кВт без учета КПД ПП и МТ составляет (86 87) %, а по результатам эксперимента - (80 + 82)% в зависимости от нагрузки.

ГхГ\ 1 2

1/ \ \ V

) ]

X г4 > 1

\ Л л

0 10 20 30

. : ,.,.,-„,.,г,.. Эрсмя.мс 1 - расчет, 2 - эксперимент Рис. 11. Ток генератора при импульсном токе нагрузки

Незначительные различия в результатах обусловлены наличием дополнительных механических потерь, не учитываемых в математической модели.

Сравнение результатов количественной оценки показателей качества электроэнергии, полученные при моделировании и на основе результатов эксперимента, приведено в таблице.

Показатель качества электроэнергии Моделирование Эксперимент

Отклонение частоты, Гц М—0

Установившееся отклонение напряжения, % от и,Юм 0,05-1,34 0-4,15

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, % Ки—1

Длительность провала напряжения, с 0,01 - 0,03 0,4 - 0,6

Следует отметить, что результаты несколько различаются, однако полученные показатели качества электроэнергии и при моделировании и при эксперименте соответствуют требованиям ГОСТ.

Таким образом, можно утверждать об адекватности модели и достоверности результатов моделирования генераторных установок.

Выработаны следующие рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки:

- при проектировании генераторных установок необходимо учитывать дополнительные потери, обусловленные гармоническим составом тока генератора, которые не превосходят 10 % от суммарных потерь;

- доя уменьшения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в нагрузке необходимо повышать частоту преобразования инвертора, то есть при Гп> 10 кГц, Ки —+ 1 %;

- частота коммутации инвертора и величина коэффициента заполнения определяют гармонический состав тока как в электромеханической части, так и в нагрузке. При Г„ > 10 кГц, АРД0П < 10 % от величины номинальных потерь;

- величина отклонения частоты напряжения, а также установившееся отклонение напряжения в нагрузке зависят от точности работы датчиковой аппаратуры и шага квантования цифровой системы регулирования, то есть при АЫ > 1024 и Д11 < 5 %, АГ —> 0.

В заключении сформулированы основные выводы по работе.

В приложениях приведены параметры генераторных установок, характеристики интеллектуальных ключей, характеристики микроконтроллеров микропроцессорного обеспечения, листинг программы дискретного преобразования Фурье, результаты оценки технико-экономических показателей и акты внедрения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны уточненное аналитическое описание, новая структурная схема и математическая модель первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса, полученные на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Получены уточненные аналитические выражения и математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которых учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Предложена математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Исследовано влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дана количественная оценка показателей качества электроэнергии, получены диапазоны изменения нагрузки и скорости потока, при которых разработанная система стабилизации обеспечивает нормированные показатели качества электроэнергии, соответствующих требованиям ГОСТ, получена аналитическая зависимость а = :Г(ив) генераторных установок мощностью (4 ^ 20) кВт. Доказана правомерность распространения результатов моделирования на установки исследуемого диапазона мощностей. Определены технико-экономические показатели.

5. Разработаны основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки.

6. Предложен комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторных установок малой мощности. Достоверность основных положений диссертации подтвердилась сравнением результатов моделирования и экспериментальных исследований.

7. Выработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Рекомендации по использованию полученных результатов:

- результаты диссертации могут быть использованы в качестве типового решения при проектировании генераторных установок малой мощности;

- основные результаты диссертации использованы при разработке лабораторного практикума по дисциплине «Электроснабжение».

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Беляков П. Ю. Математическая модель поперечной турбины свободнопоточной микроГЭС гирляндного типа в среде имитационного моделирования Simulink / П. Ю. Беляков, А. В. Куксин // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал.-2010. № 1 (17).-С. 2-6.

2. Куксин А. В. Модель генераторной установки с импульсной системой стабилизации показателей качества электроэнергии / А. В. Куксин // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. -2011. № 1 (21). - С. 19-22.

Статьи и материалы конференций

3. Куксин А. В. Моделирование автономной системы электроснабжения / А. В. Куксин // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы VIII Междунар. науч.-метод. конф. - Воронеж: ВГУ, 2008. Т. 1. - С. 337-341.

4. Куксин А. В. Автоматизированная система управления двигателями постоянного тока с использованием MATLAB / А. В. Куксин, Д. Ю. Рябов, С. Ю. Кобзистый // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж: ВГТУ, 2009. - С. 170.

5. Куксин А. В. Результаты сравнительного моделирования стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения гироаккуму-лирующего модуля / А. В. Куксин, П. Ю. Беляков // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж: ВГТУ, 2009. - С. 22-23.

6. Куксин А. В. Физическая модель микроГЭС под управлением MATLAB / А. В. Куксин, А. И. Шиянов, П. Ю. Беляков // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. - 2009. № 3 (15). - С. 38-42.

7. Куксин А. В. Автоматизированный научно-исследовательский комплекс для измерения режимных параметров возобновляемых источников энергии / А. В. Куксин // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments - 2009: труды VIII Междунар. науч.-пракг. конф. - М.: РУДН, 2009. - С. 261-263.

8. Куксин А. В. Математическая модель микроГЭС, реализованная^ в среде MATLAB / А. В. Куксин, П. Ю. Беляков // Электротехнические комплексы и системы управления: науч.-техн. журнал. -2009. №4 (16). С. 49-52.

9. Куксин А. В. Математическая модель турбины свободнопо-точной микроГЭС гирляндного типа / А. В. Куксин // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы X Междунар. науч.-метод. конф. - Воронеж: ВГУ, 2010. Т. 1. - С. 384-389.

10. Куксин А. В. Лабораторная установка для исследования режимных параметров ВИЭ / А. В. Куксин, Ахмед Райсан Хусейн // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: Междунар. науч. конф. - Воронеж: МИКТ, 2010. Ч. 3. -С. 76-81.

11. Куксин А. В. Исследование системы стабилизации частоты и амплитуды выходного напряжения электрогенерирующей установки / А. В. Куксин, А. И. Шиянов // Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике: Междунар. науч. конф. - Воронеж: МИКТ, 2010. Ч. 3. - С. 82-86.

.,. 12, Куксин А. В. Генераторная установка с электронной системой стабилизации параметров качества электроэнергии / А. В. Куксин, А. И. Шиянов, А. Н. Анненков // Автоматизация и роботизация технологических процессов: материалы регион, науч.-техн. конф. Воронеж: ВГТУ, 2010. С. 110-115.

13. Куксин А. В. Математическая модель генераторной установки с импульсной стабилизацией показателей качества электроэнергии / А. В. Куксин // Информатика: проблемы, методология, технологии: материалы, XI Междунар. науч.-метод. конф. - Воронеж: ВГУ, 2011. Т. 1,-С. 409-412. ,jj f¡

Подписано в печать 21.04.2011. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 85 экз. Заказ № 8.

НОУ ВПО

«Международный институт компьютерных технологий» 394026, Воронеж, ул. Солнечная, 29 б

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК.

1.1 Состав, структура и характеристики генераторных установок малой мощности.

1.2 Варианты структурных схем генераторных установок малой мощности.

1.3 Цифровые системы регулирования и особенности их микропроцессорного обеспечения.

1.4 Методы и средства моделирования генераторных установок.

1.5 Выводы, цель и задачи диссертации.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

2.1 Математическая модель электромеханической части.

2.2 Математическая модель силовой электронной части.

2.3 Реализация математической модели генераторной установки в пакете прикладных программ МАТЬАВ.

2.4 Выводы.

3 МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ.

3.1 Исследование влияния импульсного тока нагрузки на работу генераторной установки.

3.2 Режимные параметры генераторной установки с импульсной системой стабилизации показателей качества электроэнергии.

3.3 Количественная оценка энергетики и показателей качества электроэнергии генераторной установки с импульсной системой стабилизации. Технико-экономические показатели.

3.4 Исследование режимов работы, количественная оценка энергетики и показателей качества электроэнергии генераторной установки с максимальной генерируемой мощностью 20 кВт.

3.5 Выводы.

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Комплекс испытательного оборудования: состав, структура, функциональная связь элементов.

4.2 Результаты экспериментальных исследований.

4.2.1 Исследование влияния импульсного тока нагрузки на работу генераторной установки.

4.2.2 Исследование режимных параметров, количественная оценка энергетики и показателей качества электроэнергии генераторной установки.

4.3 Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований. Выработка научно-обоснованных рекомендаций по выбору аппаратной части генераторных установок.

4.4 Выводы.

Актуальность работы

Увеличение спроса на автономные источники электроэнергии послужило причиной начала серийного производства генераторных установок малой мощности (до 20 кВт). Наибольшее распространение получили бензо- и дизель-генераторные установки, работающие на органическом топливе. Кроме того, ряд зарубежных и отечественных организаций выпускают гидро- и ветроэнергетические установки, работающие от возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

Нестабильность показателей качества электроэнергии является существенной проблемой для всех типов генераторных установок, работающих с переменной нагрузкой. Особенно остро эта проблема стоит в установках на базе ВИЭ, в которых наряду с изменением нагрузки свойственно изменение скорости вращения первичного преобразователя энергии.

Анализ опыта проектирования и производства генераторных установок указывает на разнообразие зарекомендовавших себя на практике схемотехнических решений, которые в той или иной мере способны обеспечить нормированные показатели качества электроэнергии при определенных энергетических характеристиках. Наиболее перспективными в этом отношении считаются установки на базе синхронных генераторов с возбуждением от постоянных магнитов, имеющие наилучшие эксплуатационные характеристики. Стабилизация показателей качества электроэнергии в таких установках обеспечивается силовыми электронными преобразователями и цифровой системой регулирования.

Большой вклад в развитие силовых электронных преобразователей внесен отечественными учеными Н. Ф. Ильинским и В. Ф. Козаченко. В создании современной теории применения и практического использования силовых электронных преобразователей в электроэнергетике принимали участие В. В. Чи-биркин, А. В. Конюхов, В. А. Воронин, А. Е. Фёдоров. Значительный вклад в развитие проектирования и производства генераторных установок внесли М. П.

Головин и Я. И. Бляшко. Среди зарубежных ученных, данной тематикой занимались А. МхгсбЫ, Л. .ГоШшшегш, V. Яо§ег, О. Gergaud, С. 8аис1етоп1:, Ь. Ье-с1егся, В. КоЬуш, С. С1тиса, М. М. ЯасШезси.

Следует отметить, что количественная оценка показателей качества электроэнергии, а также влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики изучено недостаточно хорошо. В связи с этим разработка методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторных установок, разработка соответствующего оборудования для исследования, а также проведение самих исследований является весьма актуальной задачей.

Диссертация выполнена в рамках основного научного направления ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные электротехнические комплексы».

Цель и задачи работы

Целью диссертации является теоретические и экспериментальные исследования влияния импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, а также количественная оценка показателей качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи.

1. Разработать аналитическое описание электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки.

2. Создать математическую модель для исследования режимов работы генераторной установки.

3. Провести моделирование режимов работы генераторной установки, исследовать влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, дать количественную оценку показателей качества электроэнергии.

4. Выполнить экспериментальные исследования генераторной установки малой мощности для подтверждения достоверности основных положений диссертации.

5. Разработать научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Методы исследования

Исследования проводились с помощью уравнений математической физики, теории автоматического управления и методов теории электромеханического преобразования энергии. Инструментом для моделирования выбран пакет прикладных программ МАТЬАВ, представляющий собой универсальное средство для технических вычислений. Достоверность основных положений диссертации подтверждается сравнением результатов моделирования и экспериментальных исследований.

Научная новизна

1. Разработано уточненное математическое описание первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Получена математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Создана математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Предложены основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки с импульсной системой стабилизации.

Практическая значимость работы

1. Разработана математическая модель для исследования режимов работы генераторной установки малой мощности.

2. Предложен комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторных установок малой мощности.

3. Получены энергетические и динамические характеристики, а также показатели качества электроэнергии генераторных установок малой мощности.

4. Выработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту

1. Уточненное аналитическое описание, новая структурная схема и математическая модель первичного преобразователя энергии типа ротор Савониуса, полученная на основе подхода оценки КПД в функции быстроходности.

2. Уточненные аналитические выражения и математическая модель электромеханической и силовой электронной частей генераторной установки, в которой учитывается влияние гармонического состава тока на энергетические характеристики.

3. Математическая модель цифровой системы регулирования генераторной установки, закон управления в которой определяется как функция импульсного тока нагрузки и угловой скорости генератора.

4. Результаты исследования влияние импульсного тока нагрузки на энергетические характеристики, количественной оценки показателей качества электроэнергии, диапазоны изменения нагрузки и скорости потока, а также аналитическая зависимость а = f (ив) генераторных установок мощностью (4 20) кВт.

5. Комплекс испытательного оборудования для проведения экспериментальных исследований генераторных установок малой мощности.

6. Основы методики количественной оценки энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии генераторной установки.

7. Содержание научно-обоснованных рекомендаций по выбору аппаратной части генераторной установки, направленные на повышение удельных энергетических характеристик и показателей качества электроэнергии.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты диссертации получили внедрение в опытно-конструкторскую работу «Разработка электроустановки для опорно-поворотного устройства», выполненной в 2008 — 2010 гг. НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» для ОАО «Концерн «Созвездие» (г. Воронеж), а также в проектные работы ЗАО «Электроагрегат» (г. Воронеж). Основные результаты диссертации используются в учебном процессе кафедры электроэнергетики НОУ ВПО «Международный институт компьютерных технологий» (г. Воронеж) при подготовке инженеров по специальности 140205 «Электроэнергетические системы и сети».

Внедрение результатов диссертации в производство, в проектные работы и в учебный процесс подтверждено соответствующими актами, а также благодарностью от правительства Воронежской области, подписанной губернатором А. В. Гордеевым. (Приложение Е).

Апробация работы

Диссертация обсуждалась и получила одобрение на семинарах кафедры робототехнических систем ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет».

Основные положения диссертации рассматривались на Всероссийской научно-технической конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2009); Международных научно-методических конференциях «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2008, 2010, 2011), Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab View технологии National Instruments» (Москва, 2009), Международной научной конференции «Информационные технологии в связи, вычислительной технике и энергетике» (Воронеж, 2010), Региональной научно-технической конференции «Автоматизация и роботизация технологических процессов» (Воронеж, 2010) и «Технологической конференции MATLAB и Simulink 2010» (Москва, 2010). Экспериментальная установка принимала участие в «XVIII областном конкурсе на соискание премий в области науки и образования для ученых высших учебных заведений и научных организаций» (Воронеж, 2009).

Основное содержание диссертации опубликовано в 13 научных работах [8, 49 - 60] , в том числе 2 - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объём работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 165 наименований и 6 приложений. Диссертация изложена на 175 страницах машинописного текста, содержит 102 рисунка и 43 таблицы.