автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы

На правах рукописи

003058011

Чан Вьет Хунг

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05 09 03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2007

003058011

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина)

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Токарев Л Н

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Новиков В А кандидат технических наук Григоренко В С

Ведущая организация - ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт Судовой электротехники и технологии (ЦНИИ СЭТ)»

Зашита диссертации состоится « 2-Ъ » /С*.¿13У 2007 г в -/7 часов на заседании диссертационного совета Д 212 238 05 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ» им В И Ульянова (Ленина) по адресу 197376, Санкт-Петербург, ул проф Попова, 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан « ^ » _ _2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Судовая электроэнергетическая система — совокупность взаимосвязанных судовых источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств, соединительных кабелей и потребителей

В судовой электростанции возможны следующие режимы работы

1) Автономная работа с питанием асинхронной и статической нагрузки,

2) Параллельная работа генераторного агрегата с береговой сетью,

3) Параллельная работа генераторных агрегатов в составе судовой электростанции

Аварийные режимы автономной работы возникают при случайном изменении схем распределения электроэнергии или конструкции устройств управления, при неправильных действиях обслуживающего персонала судовых электростанций Например, короткие замыкания происходят при возникновении проводящих путей по поверхности изоляции между фазами Напряжение генератора повышается при обрыве отрицательной обратной связи в системе автоматического регулирования напряжения (обрыве цепи корректора) Перегрузки по активной и реактивной мощности происходят при включении нагрузки генераторов сверх номинальной мощности, при аварии первичного двигателя одного из параллельно работающих генераторов, при заклинивании механизмов мощного асинхронного электропривода

Аварийные режимы параллельной работы генераторного агрегата с береговой сетью возникают, главным образом, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при внезапном значительном изменении уставок системы стабилизации активной или реактивной мощности, при включении генераторного автомата с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений

Аварийные режимы параллельной работы генераторных агрегатов в составе электростанции возникают, главным образом, при коротких замыканиях силовой цепи, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при синхронизации с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений и др

Информация о характере аварийных режимов, о физических величинах, характеризующих соответствующие процессы, необходима для диагностики аварийных состояний судовой электроэнергетической системы, выбора уставок защиты, настройки автоматических систем

Поэтому выбранная тема диссертационной работы «Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы» актуальна

Исследование переходных процессов в сложной системе машин и автоматических регуляторов потребовало совершенствования методики решения систем дифференциальных уравнений с использованием современных пакетов программ До настоящего времени расчет процессов в судовых ЭЭС при проектировании проводится с помощью систем дифференциальных уравнений и методик, приведённых в официальных стандартах судостроительной промышленности СССР и затем Российской Федерации ОСТ5 6030 72 и ОСТ5Р 6181-81 Дальнейшему совершенствованию методов расчета процессов в СЭЭС может способствовать использование новых технических средств расчета переходных процессов в виде пакета МАТЬАВ-ЗнпиИпк

В частности, возможно использование средств этого пакета для повышения точности учета влияния асинхронной нагрузки при расчете токов короткого замыкания В действующей методике все асинхронные двигатели СЭЭС заменяются одним эквивалентным Пакет вишЛшк позволяет более точно рассчитывать токи подпитки от асинхронной нагрузки путем введения в расчетную схему нескольких групп двигателей с соответствующими сопротивлениями в цепях их статоров

Однако, официального разрешения Главного Управления Регистра морского судоходства на применение пакетов типа Б^тиЬпк не имеется Одной из причин этого является отсутствие научных работ по использованию указанного пакета для расчётов при проектировании СЭЭС В доступной соискателю литературе не удалось найти соответствующие работы

Некоторые специалисты высказывают мнение, что с помощью готовых макромодулей электрических машин из библиотеки 8!тРо\уег8уз1ет5 в Зшшкпк можно создать математическую модель электроэнергетической системы Исследования автора показали, что эта задача при настоящем состоянии теории и практики моделирования трудно разрешима по следующим причинам

1 Использовать готовые макромодули из випиНпк затруднительно, так как неизвестно, как они составлены, из каких уравнений, с какой степенью учёта различных физических факторов Не зная математического описания, готовые макромодули трудно соединять с другим электрооборудованием, чтобы получить математические модели сложных судовых электроэнергетических систем с параллельно работающими генераторными агрегатами, асинхронной и статической нагрузкой Трудно, или даже невозможно изменять математическое описание библиотечных макромодулей випиНпк для моделирования процессов в различных аварийных ситуациях

2 Характер процессов в судовой электроэнергетической системе в большей степени определяется структурой и параметрами автоматических регуляторов, чем параметрами синхронных машин Автоматические регуляторы частоты вращения первичных двигателей генераторов, напряжения генераторов, систем автоматического распределения активной и реактивной нагрузки, стабилизации режима параллельной работы с сетью существенно отличаются как структурой, так и конкретной реализацией в машинах, разработанных и поставляемых разными фирмами Следовательно, макромодули регуляторов необходимо создавать для каждой конкретной системы отдельно с учётом конструктивных и схемных особенностей машин, на которые регуляторы воздействуют

3 До настоящего времени не удалось найти ни одной научной работы, в которой была бы реализована возможность математического моделирования судовой (или другой автономной) электростанции с помощью макромоделей синхронных генераторов из библиотеки випикпк Необходимо учитывать, что разные авторы используют различные варианты описания математических моделей электрических машин (например, разные варианты выбора положительных направлений осей) При создании блоков преобразования переменных одной машины к осям координат другой эту особенность необходимо точно знать и учитывать при создании математической модели судовой электростанции

Настоящая диссертационная работа направлена на решение перечисленных задач

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка макромодулей элементов судовых электроэнергетических систем, основанных на полных дифференциальных уравнениях согласно стандарту судостроительной промышленности Российской Федерации Макромодули должны использоваться в виде отдельных блоков (синхронного генератора, автоматических регуляторов напряжения, частоты, активной и реактивной нагрузки, асинхронного двигателя и статической нагрузки) и позволять соединять блоки друг с другом, чтобы получить схемы для расчета переходных процессов, менять структуру и параметры машин и регуляторов для реализации аварийных режимов судовой электроэнергетической системы

С помощью разработанных макромодулей должны быть проведены исследования переходных и стационарных процессов в различных аварийных режимах

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи

1 Выбор, анализ и преобразование математического описания основных элементов СЭЭС для разработки макромодулей

2 Разработка макромодулей отдельных видов электрооборудования судовых электроэнергетических систем, основанных на дифференциальных уравнениях, принятых для расчета переходных процессов в судостроительной промышленности Российской Федерации согласно действующим стандартам

3 Разработка математических моделей системы параллельно работающих дизель-генераторов с автоматической стабилизацией и равномерным распределением реактивной и активной нагрузки с использованием разработанных макромодулей

4 Разработка алгоритмов расчета процессов с логическими переходами СЭЭС из режима в режим

5 С помощью полученных макромодулей расчет и моделирование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы

6 С помощью полученных макромодулей расчет и моделирование процессов подпитки точек короткого замыкания асинхронной нагрузкой с учетом параметров распределительной сети

Методы исследования Теоретические исследования базируются на основных положениях теории режимов работы СЭЭС, теории стационарных и переходных режимов работы машин переменного тока, современных численных методах анализа и вычислительной техники в СЭЭС, математического моделирования, универсального программного пакета MATLAB-Simulink и языков С++ и Power BASIC Экспериментальные исследования проводились на электротехническом стенде

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата теории машин переменного тока, экспериментальными исследованиями переходных процессов в системах натурных судовых машин большой мощности (500 и 1600 кВт)

Научные положения, выносимые на защиту

1 Разработка макромодулей судовой электроэнергетической системы

2 Алгоритмы расчёта и моделирования переходных процессов в аварийных режимах с помощью разработанных математических моделей судовых электроэнергетических систем с использованием разработанных макромодулей

Научная новизна работы:

1 Преобразование систем дифференциальных уравнений машин и автоматических регуляторов судовой электроэнергетической системы для создания макромодулей в среде MATLAB-Simulink

2 Разработка методики математического моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием разработанных макромодулей электрооборудования в среде MATLAB-Simulink

3 Разработка методики введения в математическую модель судовой электростанции изменений структур и параметров, реализующих аварийные режимы

4 Разработка математической модели судовой электроэнергетической системы с большим числом асинхронных двигателей

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1 Выполненное научное обоснование возможности использования пакетов MATLAB-Simulink для моделирования процессов в нормальных и аварийных режимов работы судовых электроэнергетических систем позволяет включить разработанные макромодули и методику моделирования в официальный текст Стандарта судостроительной отрасли

2 Полученные в работе результаты исследований аварийных режимов в судовой электроэнергетической системе позволяют приступить к разработке комплекса устройств и систем, существенно расширяющих возможности диагностики СЭЭС

3 Разработанная методика моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием пакетов MATLAB-Simulink позволяет существенно увеличить точность учета токов подпитки от асинхронной нагрузки при расчетах токов короткого замыкания

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ «ЛЭТИ» (Санкт-Петербург, 2005, 2006 и 2007 г ), на расширенных заседаниях кафедры электрификации и автоматизации судов

Публикации По теме диссертационной работы опубликовано 3 научные статьи (1 статья - из перечня изданий, рекомендованных ВАК)

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, и оного приложения Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста Работа содержит 80 рисунков и 2 таблицы

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определен круг решаемых задач, дана краткая характеристика работы

В первой главе выполнен выбор и анализ математического описания всех основных элементов СЭЭС синхронного генератора, асинхронного двигателя, автоматических регуляторов напряжения генератора, частоты вращения первичного двигателя генератора, системы автоматической стабилизации и распределения активной и реактивной мощности, статической нагрузки

При разработке макромодулей исходные дифференциальные уравнения синхронного генератора записываются в осях с1, д, связанных с ротором Положительное направление оси д выбрано перпендикулярно к положительному направлению оси г/, совпадающему с осью обмотки ротора, с отставанием на 90 электрических градусов Такой выбор оказался наиболее удобным

Во второй главе выполнена разработка макромодулей элементов судовой электроэнергетической системы с помощью программы вшшНпк в пакете МАТЬАВ, основанных на полных дифференциальных уравнениях основных элементов СЭЭС, выбранных в первой главе

Разработка макромодуля синхронного генератора. Для разработки макромодуля необходимо преобразовать дифференциальные уравнения синхронного генератора и представить в следующем виде

6 = 7-^—> V = {l-gг)Vf+(\-g\)Vrd,

= £>¥ - х'м , = \Sfrq + Хд1д ,

'гс! 1гЯ

1гд

'«* = 1 [У«/ - £2^/ + (1 ■- £1) ]. V<? = У«? - ^дхч'я ■

ркг **

иа = -г'а + ®х"111а+д——+со\1/ —-рга, (1)

юб 4 шб

рЦ1го х"а

и =-п -со^+соб/ту--Ч-— Р'а >

44 шб <вб 4

РЧ1 =(и/-!/)~, 1/=Н/+ ц^зд -ё1,гс1,

Мэ = 'д + ЧдЧ,

где р - оператор дифференцирования, Q, kf - вспомогательные коэффициенты, yd,

- составляющие потокосцепления статора генератора по осям, xj, x"q - сверхпереходные реактивности по осям, ij, iq - составляющие тока статора генератора по осям, , Vrq

- составляющие потокосцепления демпферной обмотки по осям, Uj, Uq - составляющие

напряжения статора генератора по осям, г - активное сопротивление обмотки статора, tog, и - базисная частота и частота вращения ротора, ird, irq - составляющие тока демпферной обмотки по осям, if, U f, - ток и напряжение на обмотке возбуждения, V/ f - по-токосцепление обмотки возбуждения, \xq, ц'^, g2 - коэффициенты магнитной связи обмоток, Xrf , Хд - синхронные реактивности статора по осям, Trcj, Trq, 7у - постоянные времени демпферной обмотки по осям и обмотки возбуждения, - напряженность поля, Мэ - электромагнитный момент генератора

Для учёта насыщения магнитопровода машины следует обратить внимание на то, что в обычных уравнениях Горева-Парка те величины, которые считаются потокосцепле-ниями, по существу являются магнитодвижущими силами, создаваемыми токами обмоток Например, в уравнении, связывающем потокосцепление у/ с токами статора, возбуждения и демпферной обмотки по продольной оси, вместо у у следует подставить Лу, те

намагничивающую силу В таком случае, найдя МДС, потокосцепление будем искать как нелинейную функцию МДС, характер которой определяется кривой намагничивания синхронной машины Hf = f(y/f)

Блок-схема синхронного генератора в среде Simulink, полученная с помощью указанных уравнений представлена на рис 1

Рис 1 Блок-схема модели синхронного генератора Напряжение на распределительном щите ГРЩ

о

pkr х'. Xfo

Vd0=-rid+<ox4iq+Q—J-+(s>\i/rq- ------ ' - - 6

^ P'd ~ rkgld + xkglq ~ — Pld'

V,

P4rq

qo

* г т ГЦ xq x/cg

-Г1 -WCdld+<üQkf----i-p; ~rkg'q ~Xkg'd--~P'q>

©6 m6 ®6

где Udo, Uq0 - составляющие напряжения на распределительном щите ГРЩ, х^ -

составляющие сопротивления автомата и трассы кабеля, соединяющего клеммник генератора с ГРЩ

Разработка макромодуля автоматического регулятора напряжения генератора

Дифференциальные уравнения автоматического регулятора напряжения (в варианте с прямым амплитудно-фазовым компаундированием) записываются таким образом

Uf = kuUq + k,xdid-!y, (0<Uf <UfJ,

piy =[-iy + kk(U-UH) + kocp\i/f]-jr, (0 <iy<iym),

где iy - ток корректора, T^, kf, - постоянная времени и коэффициент усиления корректора напряжения, Uff — уставка автоматического регулятора напряжения, кос — коэффициент обратной связи, iym, U - величина ограничения сверху тока управления и напряжения возбуждения, ки, к, - коэффициенты усиления регулятора напряжения

Блок-схема АРН для использования в среде Simulink представлена на рис 2

G»

С/л

-КШ1 —»{*>♦

" ЕР

►а

HZK?

и.

—кзэ

Рис 2 Блок-схема автоматического регулятора напряжения

Разработка макромодуля автоматического регулятора частоты вращения дизели Для решения задачи рационально выбрать дифференциальные уравнения регулятора в виде

ра = [мв-{мэ-мх)]±-, 1}

PVP = \rTkpvp -et-dpi.e,-ks)-kp{m-aH)\-^-,

et = et +vpdt, pks = {-ks +et)—,

1d

ls

Если (ш<06) и (ш>1 2), то Ме= 0,

(0<Цр <,\хрт), (Мв > 0),

где (В — частота вращения дизель-генератора, (О^ — уставка регулятора, Мэ - электромагнитный момент генератора на валу дизеля, Мд — вращающий момент дизеля, Мх -момент потерь холостого хода рмр — ускорение хода муфты измерителя частоты, е1 -ход муфты, ¿¡р - временная степень неравномерности, к3 - ход поршня катаракта, кр -коэффициент усиления регулятора, Т^ - постоянная времени катаракта, - постоянная времени, определяемая механической инерцией агрегата, Т5 - постоянная времени гидравлического усилителя, цр - ход рейки топливных насосов

Блок-схема макромодуля автоматического регулятора частоты вращения дизель-генератора непрямого действия в среде 8тш1тк представлена на рис 3

Рис 3 Блок-схема автоматического регулятора частоты вращения дизеля

Основной нелинейностью системы регулирования частоты является ограничение хода рейки топливных насосов Кроме того, при превышении частотой определенной величины, например 20%, должен перекрываться впуск топлива Такая же «отсечка топлива» должна учитываться при снижении частоты вращения ниже, примерно, 20% - 30% от номинала

Топливный насос дизеля устанавливается, как правило, на его же валу Давление и производительность насоса может зависеть от частоты вращения Для учета этого записываем в уравнениях зависимость цр от ю

Разработка макромодуля асинхронного двигателя. Для разработки макромодуля необходимо преобразовать уравнения асинхронного двигателя и представить в следующем виде

= х1а'сЬ+Чгс1а>

1 да

Лза1да

г гда'

1 иха

РУг<1а =~ — Угс1а +——Ча +®б иаУгда>

РЧа ;

Тгс <°б

Тгс

1 Иха

РУгда = - —■У гда + "=Г~ 'да ¡¡аУЫа,

* Г Г

Р>,

да ■

а+хка _

а + хка

Уа,- ь+гьч-

и.

до

га+гка +

Иха ™5Тгс

1Яд

®<5Тга )

'сЬ - + хка ) 'да ~ " 0 "') Чгда

'да + (,ха

~хка)1<1а

<4%

-^- + (1 -'аЪгф,

•da = ¡P'dadl> tqa = ¡P'qadt, la = + Iqa , O O

P<Oa ~ ~Шва ~Mca),

J ja

Mea = Vda'qa ~ Vqa'da .

Mca =(0 2 + 0 72©^)—, от

где , iqa - составляющие тока статора двигателя по осям, xsa = (1 - \i)xa - переходное сопротивление двигателя, га, ха - активное и индуктивное сопротивления статора двигателя, |j - коэффициент магнитной связи статора и ротора двигателя, Тга — постоянная времени ротора двигателя, ^rda > Vrqa ~ составляющие потокосцепления ротора по осям, Sa - (ис - ч>а) — скольжение ротора, \\i¿a, \?qa — составляющие потокосцепления статора двигателя по осям, соа - частота вращения ротора, Tja — постоянная времени инерции ротора, Мва, Мса - вращающий момент и момент сопротивления на валу двигателя, сос -частота вращения сети, гка, х^ — составляющие сопротивления автомата и трассы кабеля, соединяющего двигатель с ГРЩ, от - соотношение мощностей генератора и асинхронного двигателя

Блок-схема асинхронного двигателя в среде Simulink представлена на рис 4

Разработка макромодуля статической нагрузки. Доя разработки макромодуля необходимо преобразовать уравнения статической нагрузки и представить в следующем виде

РЧп = № ¿о ~ [(Ъ + >Ь,) Чп ~(хп + хкп) »9Л >

хп + хкп

р,4» = V Тг {иЯ0 ~[{ГП+Гкп)'яг,+{ХП +хЬ,)Ъп]}> хп "г Хкя

где ign - составляющие тока статической нагрузки по осям, гкп, х^ - составляющие

сопротивления автомата и трассы кабеля, соединяющего статическую нагрузку с ГРЩ

С помощью блок-схем элементов СЭЭС после группирования получили блок-макромодули с входом и выходом, которые позволяют соединять отдельные виды электрооборудования друг с другом, чтобы получить модели СЭЭС

Результаты моделирования переходных процессов при коротком замыкании с помощью разработанной модели показаны на рис 5 (б - масштаб кривых увеличивается) Ниже на рис 6 приведены результаты расчетов той же системы методом численного интегрирования с использованием алгоритмических языков С++ и Power-Basic (а) - кривые, рассчитанные на языке С++, б) - кривые, рассчитанные на языке Power Basic)

При расчете процессов в системе предусмотрены следующие режимные переходы Холостой ход Включение статической нагрузки Пуск асинхронного двигателя Короткое замыкание Отключение КЗ

pJk

а Ра 1 \ п

О 2 4 6 8 10 t(c) 795 797 7 99 8 8 01 8 03 t(c)

а) б)

Рис 5 Процессы при коротком замыкании, рассчитанные с помощью макромодулей

а) б)

Рис 6 Процессы при коротком замыкании, рассчитанные с помощью языков С++ и

Power-Basic

Как следует из сравнения кривых, результаты расчета идентичны Поэтому можно сделать вывод, что с помощью предлагаемых макромодулей можно выполнять моделирования и расчеты переходных процессов в различных аварийных режимах электроэнергетической системы

В третьей главе приведены результаты расчетов процессов в аварийных режимах автономного дизель-генератора в СЭЭС короткого замыкания синхронного генератора с большим количеством асинхронных двигателей, обрыва цепи обмотки возбуждения, обрыва цепи корректора напряжения, перегрузки по активной и реактивной мощности Некоторые результаты расчетов показаны на рис 7

ю ¡(с)

8 10 ¡(с)

4 6

а) б)

Рис 7 Процессы при некоторых авариях автономного дизель-генератора а) — процессы при обрыве обмотки возбуждения генератора, б) — процессы при обрыве цепи корректора напряжения

С помощью макромодулей рассчитаны процессы короткого замыкания асинхронных двигателей, отключённых от сети Некоторые результаты равнения максимальных токов двигателей при пуске от сети и последующем коротком замыкании статора приведены на рис 8 (а) - Результаты сравнения для двигателей серии МАФ, б) - Результаты сравнения для двигателей серии 4А)

па,'(с>0

12*

ю 8 6 4 2 0

1{о.е)

>ак

' 1 !

Тйп 1 4А

20 25 30 б)

I 43.

Рис 8 Результаты сравнения максимальных токов двигателей при пуске от сети и последующем коротком замыкании статора двигателя

Анализ кривых показывает, что во всех, без исключения, случаях ток короткого за-мыклния статора асинхронного двигателя заметно меньше, чем при пуске от сети

В четвертой главе разработаны алгоритмы и модели, с использованием разработанных макромодулей, для расчета переходных процессов в аварийных режимах судовой электростанции при параллельной работе генераторных агрегатов с береговой сетью и друг с другом в составе автономной электростанции

Разработка модели судовой электростанции, работающей параллельно с береговой сетью. Структурная схема параллельной работы синхронного генератора с сетью приведена на рис 9

ГРЩ

НАРЧЬ

ЮГ) оеГ

чС/

ГШ

щ

б)

Рис 9 Схема дизель-генератора, работающего параллельно с сетью

Здесь Д - дизель, СГ - синхронный генератор, СД - серводвигатель, АРЧ - автома гиче-ский регулятор частоты вращения дизель-генератора, АРН — автоматический регулятор напряжения генератора, У - усилитель, ДРТ - датчик реактивного тока, ДАТ - датчик активного тока, 1гео, 1аео - уставки системы автоматического распределения реактивной и активной нагрузки, С/ - напряжение генератора, 1/с - напряжение сети

Для математического описания синхронного генератора в данном режиме используются уравнения, отличные от тех, которые были приведены в (1)

P'd

_ юб

Р'Ч

Xd+Xkg

~Udcs-{r + rkg)id +(ах"д +xkg),q + Q^-+cùWrq ~Uqcs -{г + 1g ) - (ш + ) 'ci + ® -

б

vdes = Uqc sm(5) + Udc cos(6), Uqcs = Uqc cos(5) - Udc Sin(8),

J = a>-œc, p5 = cogs, C/6=|sm(^)|, где Udcs, UgCS - составляющие напряжения сети, приведенные к генератору, юс - частота сети, j - скольжение генератора относительно сети, 5 - угол между вектором напряжения сети и осью ротора генератора, Щ - напряжение биений

Уравнения автоматического регулятора напряжения генератора и устройства автоматической стабилизации реактивной нагрузки

Р'у = {~1у + h [U-{Uн - AUH )] + косруу} , Uf^kJJq + k^lj-ly,

AUH =kre{Ire-Ireo),

Ire=UqId~Ud'q.

где AUи — разность напряжений сети и генератора, 1ге — реактивная составляющая "ока, кге — коэффициент усиления системы стабилизации реактивного тока

Уравнения автоматического регулятора частоты вращения дизель-генератора и устройства автоматической стабилизации активной нагрузки

PV-p = {-V-P -kp\jù-{aH - Дшя)]}-!-,

А(аН = \Usdt > Us = kaeVae ~ heo)> О

Iae=Uqlq+Udld>

где Мс - момент сопротивления нагрузки на валу дизеля, Дю# - разность частот сети и генератора, Us - напряжение на серводвигателе, 1ае - активная составляющая тока, 1ае-коэффициент усиления системы стабилизации активного тока Некоторые результаты расчета показаны на рис 10

Рис 10 Некоторые процессы при аварии дизель-генератора, работающего с сетью а) - процессы при синхронизации и включении системы автоматического распределения активной и реактивной нагрузки, б) - аварийный обрыв обмотки возбуждения генератора

Разработка моделей судовой электростанции с параллельно работающими дизель-генераторами Основной особенностью математического описания системы параллельно работающих синхронных генераторов является преобразование координат напряжений и токов статоров Каждый вектор может быть определён либо в осях, связанных с осями ротора своей машины, либо с осями другой Векторная диаграмма преобразования координат при параллельной работе генераторов приведена на рис 11

Рис 1! К приведению векторов напряжения и тока второй машины к осям первой 5 - угол между осями роторов генераторов

Уравнения относительно производных токов статоров параллельно работающих генераторов, асинхронных двигателей и статической нагрузки

ха1 + хк\ хп+хЫ , ■. , . . Л Р^п

' "ял=-(11^1+4^1

юб С0б 4 4 Шд

шб <Об ®б

-(Ъ+'Ь V - (ХП + хкп )'с!п .

хс12 + *А2 „, „„„«ч ^ ХЯ2 + хк2 .... х„+ х^

-РЧ1 соб(о) + -р, 2 зт(5) + -рчп

Щ а>б сод

= + Гк2)с°^) + (ХЬ + хА2)8т(5)]^2 -[(Г2 + ГА2 ) 51П(8) " (^2 + ) С05(б)]

+ 8Ш(5) + + у,?2 соб(6) -(г„ + + (*„ + ,

хг12+хк2 /с-ч ха2+хк2 хп+хкп --01-рш 5Ш(5) + _ч--+ _п-от

Шб Ш6 4 (Вб

= -[(^ + )с08(8) + {^2 + )81П(8)] 1?2 -[-а + Ъг)5Ш(3) + (х%2 + гк2)с08(5)]42 руга 2 (¿2Рк[2

--— со5(6) + £>гк/2 соь(5)--— вт(5) - уг„2 зт(8) - (г„ + гы К„ - (*„ + хы ,

©б

р1л + ^ = + ^ )гл + ц- + ^ )г + у + ^

СОд СОд СОд

СОд * СОд 4 Шд

"Оя + 'Ьг + V - О™ - ^ + - О ~ ■«а ,

/"Л + РЧ2 соз(5) + Р1Ч2 зт(5) - р:^ -ру„='с12 5т(б)р5 -гд2 со$(8)р8, /"<г1 - РЧг 5Ш(8) + Р'д2 С0й(5) - Р'^а - /V = г?2 2т(5)р5 + соэ(6)р5

Уравнения автоматических регуляторов напряжения с системой автоматического распределения реактивной нагрузки, преобразованные таким образом, чтобы исключить напряжения, представлены ниже

Р'у\ = {-'у] + кк\ - (уЯ1 - Д[7Я1>] + Кс\ РУ/1} . 2к\+Ч2+кге\

где Д£/я - разность напряжений генераторов, 1ге - реактивная составляющая тока СГ, кге ~ коэффициент усиления системы автоматического распределения реактивной нагрузки

Уравнения дизелей с автоматическими регуляторами частоты вращения и системой автоматического распределения активной нагрузки записываем таким образом

ТА

РРр\ = ~кр1 К -(юш -Ашя1)]}~. дшЯ1=\ил*, ил = 1а^1а:1 >

О гк\+гк2+кае\

где Дсоя — разность частот генераторов, и$ — напряжение на серводвигателе, 1ае — активная составляющая тока СГ, кае - коэффициент усиления системы автоматического распределения активной нагрузки

Для второго дизель-генератора уравнения записываются аналогично

С помощью разработанных макромодулей выполнен расчет процессов при аварии судовой электростанции Некоторые результаты расчета показаны на рис 12

_ '

гч Г*— г

. (/¿ква

!(с)

4 6 8 10 б)

Рис 12 Некоторые результаты расчета при аварии а) - аварийный обрыв цепи обмотки возбуждения и одного из генераторов, б) - аварийное откл ючение одного из генераторов от шин ГРЩ

При разработке модели судовой электростанции с тремя дизель-генераторами приведение осей иллюстрируется диаграммами на рис 13

92 92

Рис 13 Векторные диаграммы, иллюстрирующие приведение осей генераторов

С помощью векторных диаграмм можно записать следующие соотношения ис!25 =ич2вт(512)+ис12С05(8п), =с/<?2со5(612)5т(812), и4Ъ* =1/,38ш(51з)+1/<п«»(8«), и^г,=соБ(8и)-и^5ш(513), РгЛ2з = Р\г 51п(512) + г?2/7512со5(812) + ^2 со8(812)-1</2р5128т(512)> Р'ч2! = Р1Ч2 с05(512)-г?2р512 51П(812)-р^2 8Ш(5\2)~142РЬ\2 с0!!(512). РЧЪ! = Р'ч 3 8т(813)+1?з^513 С08(513) + ^3 СО5(813)-/л/5513 Бт(б13), Р'ч31 = Р1ч3 соб(5п)-/9ЗР513 81п(51з)-р/^з 81П(813)-¡¿ъРЬп со5(51з)

В пятой главе представлены результаты экспериментальных исследований и срав-нениг результатов расчёта и эксперимента

Экспериментальные исследования проводились на электротехническом стенде Для экспериментов использованы судовые и синхронные генераторы мощностью 500 и 1600 кВт Асинхронная нагрузка создавалась трёхфазным короткозамкнутым двигателем мощностью 200 кВт Короткозамыкатели находились в специально оборудованной камере коротких замыканий Для получения максимальных значений апериодической составляю-

щей тока использованы специально разработанные устройства, включающие расцепи тель автомата в соответствующую начальную фазу напряжения генератора

Изменения физических переменных в результате переходных процессов регистрировались с помощью штатной цифровой регистрирующей аппаратуры с запоминанием и обработкой результатов на вычислительной машине В качестве измерительных преобразователей тока короткого замыкания использовались фирменные пояса Роговского

Эксперимент в режиме пуска асинхронного двигателя мощностью 200 кВт от городской сети с последующим отключением и коротким замыканием статора Результат эксперимента показал, что величина тока короткого замыкания двигателя, отключённого от сети (3,3 кА) существенно ниже максимального пускового тока (4,5 кА)

Эксперимент в режиме короткого замыкания генератора мощностью 500 кВт и 1600 кВт, предварительно нагруженного асинхронным двигателем Результаты эксперимента приведены на рис 14 (а) - генератор мощностью 500 кВт, б) - генератор мощностью 1600 кВт)

а) б)

Рис 14 Осциллограмма процессов короткого замыкания генераторов

Сравнение результатов расчета и эксперимента для генераторов МСК 500 кВт и СГБ 1600 кВт приведены в следующих таблицах

Таблица 1 Результаты сравнения для генератора МСК 500 кВт

,{кА) Дг(%) ,к{кА) Д '*(%) Д '„(%)

Эксперимент 12 2 0 15 8 0 35 0

Математическая модель 11 8 -3 4 15 3 -3 2 3 6 +2 Г,

Аналитический метод 12 7 +4 15 7 -0 6 3 01 -14

Таблица 2 Результаты сравнения для генератора СГБ 1600 кВт

,(кА) Д1(%) гк(М) Д '*(%) 1а{кЛ) Д>„(%)

Эксперимент 34 6 0 37 7 0 3 5 0

Математическая модель 35 1 +1 4 37 3 -1 3 36 -4

Аналитический метод 35 1 +1 4 38 1 +1 3 01 -14

На основании результатов сравнения можно сделать вывод о том, что решение ^ иф-ференциальных уравнений, описывающих электроэнергетическую систему, с помощью математической модели обеспечивает расхождение расчётных и экспериментальных данных не более 5%

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом

1 Разработаны макромодеяи электрооборудования судовой электростанции, включающие синхронный генератор с автоматическим регулятором напряжения, дизель-генератор с автоматическим регулятором частоты вращения, асинхронные и статические нагрузки

2 Впервые на основе разработанных макромодулей судовых синхронных генераторов, работающих параллельно с береговой сетью и друг с другом в составе автономной электростанции, с учетом систем автоматического распределения реактивной и активной нагрузки, созданы математические модели судовой ЭЭС с большим числом асинхронных двигателей

3 Разработан инженерный метод расчета переходных процессов в аварийных режимах СЭЭС, возникающих при отказе устройств управления

4 Разработана методика реализации в среде MATLAB-Simulink логических условий для перехода системы из нормального режима к аварийному

5 Выполнены расчеты процессов в важных аварийных режимах СЭЭС Результаты расчетов позволяют производить диагностику состояния систем при авариях и обеспечить безопасную эксплуатацию судна в случае отказов тех или иных устройств и систем генерирования, систем передачи и распределения электроэнергии

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Токарев, Л Н Расчет токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с помощью пакета MATLAB [текст]/ Л Н Токарев, Чан Вьет Хунг Изв СПбГЭТУ «ЛЭ-ТИ» (Известия государственного электротехнического университета), Сер Автоматизация и управление - СПб , 2006 - Вып 1 - С 18 - 23

2 Токарев, Л Н Сравнение результатов расчета токов короткого замыкания с помощью ОСТ5Р и пакета MATLAB [текст]/ Л Н Токарев, Чан Вьет Хунг Научно-технический сборник - СПб Изд-во Российский морской регистр судоходства, 2006 №29 - С 294-306

3 Токарев, Л Н Макромодули для расчета переходных процессов в судовой электростанции [текст]/ Л Н Токарев, Чан Вьет Хунг// Естественные и технические науки -ISSN 1684-2626 ,2006 № 6 - С 181 - 187

» Подписано в печать 12 04 07 Формат 60*84 1/16 Бумага офсетная Печать офсетная Печ л 1,0 Тираж 100 экз Заказ 18

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии Издательства СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ" 197376, С -Петербург, ул Проф Попова, 5

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I: МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

1.1. Дифференциальные уравнения синхронного генератора в осях d, q.

1.2. Уравнения автоматического регулятора напряжения.

1.3. Дифференциальные уравнения асинхронного двигателя в осях d, q.

1.4. Уравнение статической активно-индуктивной нагрузки.

1.5. Уравнения автоматического регулятора частоты вращения первичных двигателей.

1.6. Уравнения устройств автоматической подгонки частот синхронизируемых генераторов.

1.7. Уравнения устройств автоматического распределения активной и реактивной нагрузок.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА II: РАЗРАБОТКА МАКРОМОДУЛЕЙ СУДОВЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПОМОЩЬЮ ПАКЕТА MATLAB - Siraulink.

2.1. Общие сведение по Simulink.

2.2. Разработка макромодуля синхронного генератора.

2.3. Разработка макромодуля автоматического регулятора напряжения.

2.4. Разработка макромодуля автоматического регулятора частоты вращения дизели.

2.5. Разработка макромодуля асинхронного двигателя.

2.6. Разработка макромодуля статической нагрузки.

2.7. Проверка правильности и способности применения получающихся макромодулей для исследования переходных процессов в СЭЭС.

ГЛАВА III: АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ АВТОНОМНОГО ДИЗЕЛЬ -ГЕНЕРАТОРА В СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

3.1. Расчёт процессов короткого замыкания автономного дизель-генераторабб

3.1.1. Расчет короткого замыкания на шинах ГРЩ.

3.1.2. Расчет короткого замыкания автономного дизель-генератора с асинхронной и статической нагрузкой.

3.1.3. Расчет токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с учетом сопротивления кабелей.

3.1.4. Расчет токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с двумя распределенными щитами и при большим числе асинхронных двигателей нагрузки.

3.2. Расчет процессов в аварийных режимах автономного дизель-генератора

3.2.1. Обрыв цепи обмотки возбуждения генератора.

3.2.2. Обрыв цепи корректора напряжения в автоматическом регуляторе напряжения.

3.2.3. Обрыв цепи гибкой обратной связи в системе автоматического регулирования напряжения.

3.2.4. Перегрузка по активной и реактивной мощности генератора.

3.2.4.1. Перегрузка по активной мощности.

3.2.4.2. Перегрузка по реактивной мощности.

3.3. Расчёт, с помощью разработанных макромодулей, процессов короткого замыкания асинхронных двигателей, отключённых от сети.

Выводы по 3 главе.

ГЛАВА IV: АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ГЕНЕРАТОРНЫХ АГРЕГАТОВ В СУДОВОЙ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ.

4.1. АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ДИЗЕЛЬ

ГЕНЕРАТОРА С БЕРЕГОВОЙ СЕТЬЮ.

4.1.1. Математическое описание установки. Расчёт угловой характеристики при параллельной работе дизель-генератора с береговой сетью.8В

4.1.2. Разработка макромодуля дизель-генератора, работающего параллельно с сетью. Расчёт ведётся по полным уравнениям.

4.1.3. Обрыв цепи КН автоматического регулятора напряжения синхронного генератора при параллельной работе с береговой сетью.

4.1.4. Аварийное отключение контактора гашения поля синхронного генератора.

4.1.5. Обрыв цепи ДАТ системы автоматической стабилизации активной нагрузки при параллельной работе СГ с сетью.

4.1.6. Обрыв цепи ДРТ системы автоматической стабилизации реактивной нагрузки при параллельной работе СГ с сетью.

4.1.7. Внезапное изменение напряжения и частоты береговой сети.

4.2. АВАРИЙНЫЕ РЕЖИМЫ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ

4.2.1. Структура физических взаимодействий при параллельной работе синхронных генераторов.

4.2.2. Математическое описание установки. Расчёт угловой характеристики при параллельной работе дизель-генераторов друг с другом.

4.2.3. Разработка модели судовой электростанции с двумя параллельно работающими дизель-генераторами с использованием разработанных макромодулей.

4.2.4. Короткое замыкание при параллельной работе двух синхронных генераторов.

4.2.5. Обрыв цепи датчика реактивного тока системы распределения реактивной мощности при параллельной работе генераторов.

4.2.6. Обрыв цепи датчика активного тока системы распределения активной нагрузки.

4.2.7. Обрыв цепи КН автоматического регулятора напряжения одного из параллельно работающих синхронных генераторов.

4.2.8. Обрыв цепи обмотки возбуждения одного из генераторов при параллельной работе.

4.2.9. Аварийное отключение одного из генераторов от шин ГРЩ.

4.2.10. Аварийное отсоединение рейки топливных насосов дизеля при параллельной работе синхронных генераторов.

4.2.11. Разработка модели судовой электростанции с тремя параллельно дизель-генераторами.

Выводы по 4 главе.

ГЛАВА V: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЁТА И ЭКСПЕРИМЕНТА.

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.2. Эксперименты с коротким замыканием отключённых от городской сети и выбегающих асинхронных двигателей мощностью 200 кВт.

5.3. Эксперименты для синхронного генератора типа МСК мощностью 500 кВт.

5.3.1. Пуск асинхронного двигателя мощностью 200 кВт от генератора 500 кВт.

5.3.2. Короткое замыкание генератора мощностью 500 кВт, предварительно нагруженного асинхронным двигателем.

5.4. Эксперименты для синхронного генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт.

5.4.1. Пуск асинхронного двигателя мощностью 200 кВт от генератора типа СБГ 1600 кВт.

5.4.2. Короткое замыкание одиночного генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт.

5.4.3. Короткое замыкание генератора СБГ мощностью 1600 кВт, предварительно нагруженного асинхронным двигателем.

5.5. Расчёты на ПЭВМ переходных процессов режимах короткого замыкания судовых синхронных генераторов.

5.5.1. Расчёт процессов КЗ генератора типа МСК мощностью 500 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт с помощью математической модели.

5.5.2. Расчёт процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт с помощью математической модели.

5.5.4. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа МСК мощностью 500 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт

5.5.5. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт с асинхронной нагрузкой мощностью 200 кВт

5.5.6. Результаты аналитического расчёта процессов КЗ генератора типа СБГ мощностью 1600 кВт без подпитки от АД.

5.6. Сравнение результатов расчёта токов короткого замыкания с помощью ПЭВМ и аналитического с данными экспериментальных исследований. 139 Выводы по V главе.

Актуальность работы. Судовая электроэнергетическая система - совокупность взаимосвязанных судовых источников электроэнергии, преобразователей, распределительных, регулирующих и управляющих устройств, соединительных кабелей и потребителей.

В судовой электростанции возможны следующие режимы работы:

1) Автономная работа с питанием асинхронной и статической нагрузки;

2) Параллельная работа генераторного агрегата с береговой сетью;

3) Параллельная работа генераторных агрегатов в составе судовой электростанции.

Переходные процессы в нормальном режиме автономной работы возникают при включении и отключении статической нагрузки, при пуске и реверсе асинхронных двигателей, в том числе соизмеримой мощности.

Аварийные режимы автономной работы возникают при случайном изменении схем распределения электроэнергии или конструкции устройств управления, при неправильных действиях обслуживающего персонала судовых электростанций. Например, короткие замыкания происходят при возникновении проводящих путей по поверхности изоляции между фазами. Напряжение генератора повышается при обрыве отрицательной обратной связи в системе автоматического регулирования напряжения (обрыве цепи корректора). Перегрузки по активной и реактивной мощности происходят при включении нагрузки генераторов сверх номинальной мощности, при аварии первичного двигателя одного из параллельно работающих генераторов, при заклинивании механизмов мощного асинхронного электропривода,

В нормальном режиме параллельной работы генераторного агрегата с береговой сетью необходимо рассчитывать процессы при синхронизации, при изменении уставки систем автоматического регулирования частоты вращения первичного двигателя генератора, при колебаниях напряжения и частоты сети.

Переходные процессы в нормальном режиме параллельной работы генераторного агрегата с береговой сетью возникают, например, при подгонке частоты перед синхронизацией, при включении генераторного агрегата на параллельную работу, при изменении уставки системы автоматической стабилизации активной или реактивной мощности.

Аварийные режимы возникают, главным образом, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при внезапном значительном изменении уставок системы стабилизации, при включении генераторного автомата с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений.

Переходные процессы в нормальном режиме параллельной работы генераторных агрегатов возникают при включении и отключении статической нагрузки, при пуске и реверсе асинхронных двигателей, в том числе соизмеримой мощности, при подгонке частот перед синхронизацией, при включении генераторных агрегатов на параллельную работу.

Аварийные режимы возникают, главным образом, при коротких замыканиях силовой цепи, при обрывах тех или иных цепей устройств автоматического управления, при синхронизации с большой ошибкой по углу, разности частот или напряжений и др.

Информация о характере аварийных режимов, о физических величинах, характеризующих соответствующие процессы, необходима для диагностики аварийных состояний судовой электроэнергетической системы, выбора уставок защиты, настройки автоматических систем.

Поэтому выбранная тема диссертационной работы: «Исследование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы» актуальна.

Исследование переходных процессов в сложной системе машин и автоматических регуляторов потребовало совершенствования методики решения систем дифференциальных уравнений с использованием современных пакетов программ. До настоящего времени расчёт процессов в судовых ЭЭС при проектировании проводится с помощью систем дифференциальных уравнений и методик, приведённых в официальных стандартах судостроительной промышленности СССР и затем Российской Федерации: ОСТ5.6030.72 и ОСТ5Р.6181-81. Дальнейшему совершенствованию методов расчёта процессов в СЭЭС может способствовать использование новых технических средств расчёта переходных процессов в виде пакета MATLAB-Simulink. (Simulink является приложением к пакету MATLAB).

В частности, возможно использование средств этого пакета для повышения точности учёта влияния асинхронной нагрузки при расчёте токов короткого замыкания. В действующей методике все асинхронные двигатели СЭЭС заменяются одним эквивалентным. Пакет Simulink позволяет более точно рассчитывать токи подпитки от асинхронной нагрузки путём введения в расчётную схему нескольких групп двигателей с соответствующими сопротивлениями в цепях их статоров.

Однако, официального разрешения Главного Управления Регистра морского судоходства на применение пакетов типа Simulink не имеется. Одной из причин этого является отсутствие научных работ по использованию указанного пакета для расчётов при проектировании СЭЭС. В доступной соискателю литературе не удалось найти соответствующие работы.

Некоторые специалисты высказывают мнение, что с помощью готовых макромодулей электрических машин из библиотеки SimPowerSystems в Simulink можно создать математическую модель электроэнергетической системы. Исследования автора показали, что эта задача при настоящем состоянии теории и практики моделирования трудно разрешима по следующим причинам. 1. Использовать готовые макромодули из Simulink затруднительно, так как неизвестно, как они составлены, из каких уравнении, с какой степенью учёта различных физических факторов. Не зная математического описания, готовые макромодули трудно соединять с другим электрооборудованием, чтобы получить математические модели сложных судовых электроэнергетических систем с параллельно работающими генераторными агрегатами, асинхронной и статической нагрузкой. Трудно, или даже невозможно изменять математическое описание библиотечных макромодулей Simulink для моделирования процессов в различных аварийных ситуациях.

2. Характер процессов в судовой электроэнергетической системе в большей степени определяется структурой и параметрами автоматических регуляторов, чем параметрами синхронных машин. Автоматические регуляторы частоты вращения первичных двигателей генераторов, напряжения генераторов, систем автоматического распределения активной и реактивной нагрузки, стабилизации режима параллельной работы с сетью существенно отличаются как структурой, так и конкретной реализацией в машинах разных фирм. Следовательно, макромодули регуляторов необходимо создавать для каждой конкретной системы отдельно с учётом конструктивных и схемных особенностей машин, на которые регуляторы воздействуют.

3. До настоящего времени не удалось найти ни одной научной работы, в которой была бы реализована возможность математического моделирования судовой (или другой автономной) электростанции с помощью макромоделей синхронных генераторов из библиотеки Simulink. Необходимо учитывать, так же, что разные авторы дифференциальных уравнений синхронных машин пользуются разными вариантами выбора положительных направлений осей. При создании блоков преобразования переменных одной машины к осям координат другой эту особенность необходимо точно знать и учитывать при создании математической модели судовой электростанции.

Настоящая диссертационная работа направлена на решение перечисленных задач.

Цели и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка макромодулей элементов судовых электроэнергетических систем, основанных на полных дифференциальных уравнениях согласно стандарту судостроительной промышленности Российской Федерации. Макромодули должны использоваться в виде отдельных блоков (синхронного генератора, первичных двигателей генераторов, автоматических регуляторов напряжения, частоты, активной и реактивной нагрузки, асинхронного двигателя и статической нагрузки) и позволять соединять блоки друг с другом, чтобы получить схемы для расчёта переходных процессов, менять структуру и параметры машин и регуляторов для реализации аварийных режимов судовой электроэнергетической системы.

С помощью разработанных макромодулей должны быть созданы модели систем и проведены исследования переходных и стационарных процессов в различных аварийных режимах.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Выбор, анализ и преобразование математического описания основных элементов СЭЭС для разработки макромодулей.

2. Разработка макромодулей отдельных видов электрооборудования судовых электроэнергетических систем, основанных на дифференциальных уравнениях, принятых для расчёта переходных процессов в судостроительной промышленности Российской Федерации согласно действующим стандартам.

3. Разработка, с использованием разработанных макромодулей, математических моделей системы параллельно работающих дизель-генераторов с автоматической стабилизацией и равномерным распределением реактивной и активной нагрузки Разработка алгоритмов расчета процессов с логическими переходами СЭЭС из режима в режим.

4. С помощью полученных макромодулей расчёт и моделирование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы.

5. С помощью полученных макромодулей расчёт и моделирование процессов подпитки точек короткого замыкания асинхронной нагрузкой с учётом параметров распределительной сети.

6. Экспериментальные исследования. Сравнение результатов расчёта с экспериментом

Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории режимов работы СЭЭС, теории стационарных и переходных режимов работы машин переменного тока, современных численных методах анализа и вычислительной техники в СЭЭС, математического моделирования, универсального программного пакета MATLAB-Simulink и языков С++ и Power BASIC. Экспериментальные исследования проводились на электротехническом стенде.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием математического аппарата теории машин переменного тока, экспериментальными исследованиями переходных процессов в системах натурных судовых машин большой мощности (500 и 1600 кВт). Научные положения, выносимые на защиту:

1. Разработка макромодулей судовой электроэнергетической системы.

2. Создание математических моделей судовой электроэнергетической системы с использованием разработанных макромодулей.

3. Алгоритмы расчет и моделирование переходных процессов в аварийных режимах судовой электроэнергетической системы.

Научная новизна работы:

1. Преобразование систем дифференциальных уравнений машин и автоматических регуляторов судовой электроэнергетической системы для создания макромодулей в среде MATLAB-Simulink.

2. Разработка методики математического моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием разработанных макромодулей электрооборудования в среде MATLAB-Simulink.

3. Разработка методики введения в математическую модель судовой электростанции в среде MATLAB-Simulink изменений структур и параметров, реализующих аварийные режимы.

4. Повышение точности расчёта токов короткого замыкания за счёт разработки математической модели судовой электроэнергетической системы с большим числом асинхронных двигателей.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

1. Выполненное научное обоснование возможности использования пакетов MATLAB-Simulink для моделирования процессов в нормальных и аварийных режимов работы судовых электроэнергетических систем позволяет включить разработанные макромодули и методику моделирования в официальный текст Стандарта судостроительной отрасли.

2. Полученные в работе результаты исследований аварийных режимов в судовой электроэнергетической системе позволяют приступить к разработке комплекса устройств и систем, существенно расширяющих возможности диагностики СЭЭС.

3. Разработанная методика моделирования судовой электроэнергетической системы с использованием пакетов MATLAB-Simulink позволяет существенно увеличить точность учёта токов подпитки от асинхронной нагрузки при расчётах токов короткого замыкания.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на 58 и 59 научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава университета 2005 и 2006 г., на заседаниях кафедры электрификации и автоматизации судов.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 научные статьи [78, 79, 80] (1 статья - из перечня изданий, рекомендованных ВАК).

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, списка литературы, включающего 90 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 138 страницах машинописного текста. Работа содержит 80 рисунков и 2 таблицы.

Основные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Разработаны макромодули электрооборудования судовой электростанции, включая синхронный генератор с автоматическим регулятором напряжения, дизель-генератор с автоматическим регулятором частоты вращения, асинхронные и статические нагрузки.

2. Впервые на основе разработанных макромодулей судовой электростанции, работающей параллельно с береговой сетью и друг с другом в составе автономной электростанции с учетом систем автоматического распределения реактивной и активной нагрузки, созданы математические модели судовой ЭЭС с большим числом асинхронных двигателей.

3. Разработан инженерный метод расчета переходных процессов в аварийных режимах СЭЭС, возникающих при отказе устройств автоматического управления.

4. Разработана методика реализации в среде MATLAB-Simulink логических условий для перехода системы из нормального режима к аварийному.

5. Выполнен расчет процессов в важных аварийных режимах СЭЭС. Результаты расчетов позволяют производить диагностику состояния систем при авариях и обеспечить безопасную эксплуатацию судна в случае отказов тех или иных устройств и систем генерирования, систем передачи и распределения электроэнергии.

6. С помощью макромоделей получен комплекс кривых переходных процессов при авариях СЭЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Авраменко, Н.В. Расчет на ЦВМ электромеханических переходных процессов энергосистемы с учетом АРВ и насыщения. Моделирование и автоматизация электрических систем Текст./ Н.В. Авраменко // Киев: Наукова думка, 1966. -С. 108.

2. Авраменко, Н.В. Анализ при помощи ЭЦВМ электромеханических переходных процессов в сложной энергосистеме с учетом полных уравнений Го-рева-парка Текст./ Н.В. Авраменко, Л.В. Цукерник // Электричество. -1967.- №4.-С. 7.

3. Алябьев, М.И. Уравнения электрических машин переменного тока в физических и относительных единицах Текст./ М.И. Алябьев // Электричество. -1960.-№ 1.-С.18-26.

4. Алябьев, М.И. Общая теория судовых электрических машин Текст. /М.И. Алябьев. Л.: Судостроение, 1965. - 392 с.

5. Архангельский, B.C. Регуляторы частоты вращения судовых дизелей Текст. /B.C. Архангельский. Л.: Судостроение, 1982. -189 с.

6. Базуткин, В.В. Расчёты переходных процессов и перенапряжений Текст./ В.В. Базуткин, Л.Ф. Дмоховская. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 328 с.

7. Баранов, А.П. Автоматическое управление судовыми электроэнергетическими установками Текст./ А.П. Баранов. М.: Транспорт, 1981. - 255 с.

8. Баранов, А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы Текст./ А.П. Баранов. М.: Транспорт, 1988. - 328 с.

9. Баранов, А.П. Моделирование судового электрооборудования и средств автоматизации: Учеб. для вузов Текст./ А.П. Баранов, М.М. Раимов. СПБ.: Элмор, 1997.-232 с.

10. Браславский, М.И. Судовые дизель-генераторы малой мощности Текст./ М.И. Браславский. Л.: Судостроение, 1968. - 174 с.

11. П.Брунав, Я.П. Судовые электрические сети Текст./ Я.П. Брунав, Ю.Г. Тать-янченко. Л.: Судостроение, 1982. - 230 с.

12. Быков, Ю.М. Моделирование автономного синхронного генератора как объекта регулирования Текст./ Ю.М. Быков, Н.В. Бодягин // Электричество. -1989.-№ 12.-С.9.

13. И.Ваганов, М.А. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст.: учеб пособие/ М.А. Ваганов, Д.В. Замятин. СПб.: изд-во СПбГЭТУ «ЛЭ-ТИ», 2005.-87 с.

14. Важнов, А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока Текст./ А.И. Важное. Л.: Энергия. Ленингр. отд-ние, 1980. - 256 с.

15. Веников, В.А. Моделирование энергетических систем Текст./ В.А. Веников. Электричество. - 1971. —№ 1— С.5.

16. Веников, В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах Текст./ В.А Веников. М.: Высшая школа, 1985. - 538 с.

17. Веретенников, Л.П. Моделирование, вычислительная техника и переходные процессы в судовых электроэнергетических системах Текст./ Л.П. Веретенников, А.И. Потавкин, М.М. Раимов. Л.: Судостроение, 1964. - 384 с.

18. Веретенников, Л. П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы Текст./ Л.П. Веретенников. Л.: Судостроение, 1975. - 375 с.

19. Веретенников, Л.П Переходные процессы в электроэнергетических системах кораблей Текст./ Л.П. Веретенников. Л.: ВМА, 1982. - 627 с.

20. Вилесов, Д.В. Электрооборудование судов Текст./ Д.В. Вилесов. Л.: Судостроение, 1982. -182 с.

21. Воскобович, В.Ю. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств Текст./ В.Ю. Воскобович, Т.Н. Королева, В.А. Павлова. СПБ.: Элмор, 2001. - 384 с.

22. Гандин, Б.Д. Пуск асинхронных электродвигателей Текст./ Б.Д. Гандин, Г.Р. Гревнин, Н.А. Лазаревский. Л.: Судостроение, 1980. - 192 с.

23. Герман-Галкин, С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем Матлаб 6.0 Текст.: Учеб. пособие/ С.Г. Герман-Ганкин. СПБ.: КО1. РОНА, 2001.-320 с.

24. Глинкон, Б.А. Автоматизация судовых электроэнергетических установок Текст./ Б.А. Глинкон. А.Г. Яворский. М.: Транспорт, 1966. - 200 с.

25. Гольдберг, О. Д. Испытания электрических машин Текст./ О.Д. Гольдберг. М.: Высшая школа, 1990. - 255 с.

26. Гольдберг, О.Д. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах и вопросы их проектирования Текст./ О.Д. Гольдберг. М.: Высшая школа, 2001.

27. Гордин, А.В. Переходные процессы судовых синхронных генераторов с различными системами возбуждения Текст./ А.В. Гордин: Дис. . канд. техн. наук. Л.: изд-во АО «Электросила», 1990.

28. Горский, JI.K. Исследование надежности судовых систем с помощью ЭЦВМ Текст./ JI.K. Горский. Д.: Судостроение, 1972. - 279 с.

29. Гультяев, А. Визуальное моделирование в среде MATLAB: учебный курс -СПБ Текст./ А. Гультяев. СПб.: Питер, 2000. - 432 с.

30. Гуревич, Ю.Е. Расчёты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах Текст./ Ю.Е. Гуревич, Л.Е. Либова, А.А. Окина. М.: Энер-гоатомиздат, 1990.-390 с.

31. Жадобин, Н.Е. Элементы и функциональные устройства судовой автоматики Текст. /Е.Н. Жадобин, А.П. Крылов, В.А. Малышев. СПб.: Элмор, 1998.-440 с.

32. Жданов, П.С. Вопросы устойчивости электрических систем: Под ред. Л.А. Жукова Текст./. М.: Энергия, 1979. - 456 с.

33. Жуковский, Д.В. О несинхронном включении судовых генераторов переменного тока на параллельную работу через добавочные сопротивления (реакторы) Текст./ Д.В. Жуковский // Судовая электротехника и связь. 1960. -№ 10. - С. 41 -48.

34. Калявин, В.П. Организация системы диагностирования судового оборудования Текст./ В.П. Калявин. Л.: Судостроение, 1991. - 166 с.

35. Кетнер, К.К. Алгоритмизация расчетов переходных процессов автономных электроэнергетических систем Текст./ К.К. Кетнер, И.А. Козлова, В.М. Сендюров. Рига.: Зинатне, 1981. - С 166.

36. Климов, Е.Н. Основы технической диагностики энергетических установок Текст./ Е.Н. Климов М.: Транспорт, 1980. - 148 с.

37. Коварский, Е.М. Испытание электрических машин Текст./ Е.М. Коварский, Ю.И. Янко. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

38. Константинов, В.Н. Системы и устройства автоматизированных судовых электроэнергетических установок Текст./ В.Н. Константинов. JL: Судостроение, 1977. - 352 с.

39. Константинов, В.Н. Синхронизация синхронных генераторов (Теория и метод расчета) Текст./ В.Н. Константинов. JL: Судостроение, 1978.-216 с.

40. Константинов, В.Н. Система и устройство автоматизации судовых электроэнергетических установок Текст./ В.Н. Константинов. Л.: Судостроение, 1988.-220 с.

41. Копылов, И.П. Математическое моделирование электрических машин Текст./ И.П. Копылов. М.: Высшая школа, 2001.

42. Краснов, В.В. Основы теории и расчёта судовых электроэнергетических систем Текст./ В.В. Краснов, П.А. Мещанинов, А.П. Мещанинов. JL: Судостроение, 1989. - 328 с.

43. Лазарев Ю. Моделирование процессов и систем в Матлабе. Учебный курс Текст./ Ю. Лазарев. СПБ.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005. -512 е.: ил.

44. Ланчуковский, В.И. Автоматизированные системы управления судовых дизельных и газотурбинных установок Текст./ В.И. Ланчуковский, А.В. Козь-миных: Учебник. -М.: Транспорт, 1983. 320 с.

45. Лейкин, B.C. Судовые электрические станции и сети Текст./ B.C. Лейкин. -М.: Транспорт, 1982. 254 с.

46. Лейкин, B.C. Автоматизированные электроэнергетические системы промыеловых судов Текст./ B.C. Лейкин, В.А. Михайлов. М.: Агропромиздат, 1987.-327 с.

47. Мелешкин, Г.А. Переходные режимы судовых электроэнергетических систем Текст./Г.А. Мелешкин.-Л.: Судостроение, 1971.

48. Михайлов, В.А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов Текст./В.А. Михайлов. Л.: Судостроение, 1977. - 512 с.

49. Михайлов, В.А. судовые электростанции и электродвижение судов Текст./ В.А. Михайлов, К. А. Чеку нов Л.: Судостроение, 1973. - 216 с.

50. Мозгалевский, А.В. Системы диагностирования судового оборудования Текст./ А.В. Моэгалевский, В.П. Калявин. Л.: Судостроение, 1987. - 221 с.

51. Никифоровский, Н.Н. Судовые электрические станции и сети Текст./ Н.Н. Никифоровский, В.И. Норневский. М.: Транспорт, 1974. - 432 с.

52. Новиков, Ю.В. Пакет программ расчётов электроэнергетических систем Текст./ Ю.В. Новиков. //Судостроение. 1987. - № 2. - С. 30.

53. Осин, И.Л. Электрические машины: Синхронные машины Текст. / И.Л. Осин, Ю.Г. Шакарян. -М.: Высшая школа, 1990.-304 с.

54. ОТС5.6030-72. Системы судовые электроэнергетические. Обозначения основных величин Текст. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов.

55. ОТС5.6181-81. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчёта переходных процессов Текст. М.: Госстандарт СССР: Изд-во стандартов.

56. Проектирование электрических машин Текст./ И.П. Копылов и др. М.: Высшая школа, 2002. - 757 с.

57. Раимов, М.М. Моделирование элементов корабельных электроэнергетических систем Текст./ М.М. Раимов. Л.: МВОЛА, 1971.

58. Ремезовский, В.М. Переходные процессы в электроэнергетических системах промысловых судов Текст.: Учеб. пособие/ A.M. Ремезовский, Л.Н. Токарев. -МГТУ.: Мурманск, 1996.

59. Самойлов, В.Г. Автоматизация судовых электроустановок Текст./ В.Г. Самойлов. JI.: Судостроение, 1972. - 288 с.

60. Собоев, М.А. Аварии и неисправности в судовых электроустановках Текст./ М.А. Собоев, А.В. Хайкин, Б.А. Шеинцев. Л.: Судостроение, 1980.-192 с.

61. Соловьев, И.И. Автоматические регуляторы синхронных генераторов Текст. / Под ред. Н. И. Овчаренко. -М.: Энергоиздат, 1981. 248 с.

62. Справочник судового электротехника. Судовые электроэнергетические системы и устройства Текст./ Под ред. Г. И. Китаенко. Л.: Судостроение, 1980.-528 с.

63. Справочник судового электротехника. Судовое электрооборудование Текст. / Под ред. Г. И. Китаенко. Л.: Судостроение, 1980. - 624 с.

64. Страхов, С.В. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих машины переменного тока Текст./ С.В. Страхов. М.: Госэнергоиздат, 1960.-247 с.

65. Судовые электроустановки и их автоматизация Текст./ К.Т. Витюк и др. -М.: Транспорт, 1986, 448 с.

66. Супрун, Г.Ф. Синтез систем электроэнергетики судов Текст./ Г.Ф. Супрун. Л: Судостроение, 1972. - 328с.

67. Сыромятников, И.А. Режим работы асинхронных и синхронных электродвигателей Текст./ И.А. Сыромятников. М.: Госэнергоиздат, 1963. -528 с.

68. Таганов, С.И. Инженерные расчёты переходных процессов в судовых электростанциях Текст./ С.И. Таганов. Л.: Судостроение, 1970. - 136 с.

69. Токарев, Л.Н. Расчёт напряжений и токов синхронного генератора с помощью уравнений Горева-Парка Текст./ Л.Н. Токарев, О.Н. Климанов. // Электричество. 1968. -№ 1. - С. 15-19.

70. Токарев, Л.Н. Математическое описание, расчёт и моделирование физических процессов в судовых электростанциях Текст./ Л.Н. Токарев. Л.: Судостроение, 1980. - 119 с.

71. Токарев, Л.Н. Программы для моделирования электромеханических систем

72. Текст.: Учеб. пособие/ Л.Н. Токарев, Н.В. Шиу. СПб.: изд-во СПБГЭТУ (ЛЭТИ), 1999.-152с.

73. Токарев, Л.Н. Введение в электроэнергетику. Физические процессы, устройства и системы автоматического управления Текст./ Л.Н. Токарев. СПБ.: АЛЕС, 1999.-223 с.

74. Токарев, Л.Н. Системы автоматического управления. Примеры схем и структур, статические и динамические модели, элементы теории Текст./ Л.Н. Токарев. СПБ.: НОТАБЕНЕ, 2001. - 191 с.

75. Токарев, Л.Н. Программы расчёта характеристик асинхронных двигателей Текст./ Л.Н. Токарев. СПб.: б/и, 2002.

76. Токарев, Л.Н. Программы расчёта процессов и характеристик в системах автоматического регулирования Текст./ Л.Н. Токарев. СПБ.: Береста, 2002. - 83 с.

77. Токарев, Л.Н. Синхронные генераторы. Теория и практика расчётов переходных процессов и статических характеристик Текст./ Л.Н. Токарев. -СПБ.: б/и, 2002.-91 с.

78. Токарев, Л.Н. Судовая электротехника и электромеханика Текст./ Л.Н. Токарев. СПБ.: Береста, 2006. - 324 с.

79. Токарев, Л.Н. Расчёт токов короткого замыкания автономного дизель-генератора с помощью пакета Matlab Текст./ Л.Н. Токарев, Чан Вьет Хунг. Изв. СПБГЭТУ «ЛЭТИ», Сер. «Автоматизация и управление», СПб., 2006. -Вып. 1.-С 18-23.

80. Токарев, Л.Н. Сравнение результатов расчёта токов короткого замыкания с помощью ОСТ5Р и пакета Matlab Текст./ Л.Н. Токарев, Чан Вьет Хунг. Научно-технический сборник, СПб.: Изд-во Российский морской регистр судоходства, 2006. - № 29. - С. 294 - 306.

81. Токарев, Л.Н. Макромодули для расчета переходных процессов в судовой электростанции Текст./ Л.Н. Токарев, Чан Вьет Хунг // Естественные и технические науки. ISSN 1684-2626., - 2006. - № 6. - С. 181-187.

82. Топорков, В.П. Корабельные электрические машины: Учеб. пособие / В.П. Топорков. ~ Л.: ВМА, 1992.

83. Финагин, В.И. Расчет на ЦВМ токов короткого замыкания в автономной электроэнергетической системе с токоограничивающим устройством дискретного действия: Методика Текст./ И.Р. Финагин, Л.И. Рясков, В.Ф. Кособокое.-Л.: ВМА, 1979.

84. Фрейдзон, И.Р. Судовые автоматизированные электроприводы и системы Текст./ И.Р. Фейдзон. Л.: Судостроение, 1988. - 472 с.

85. Целемецкий, В.А. Расчёт токов при коротких замыканиях в автономных электроэнергетических системах с трансформаторами на ЭЦВМ Текст./ В.А. Целемецкий, М.В. Минкин. Энергетика. - 1972 - № 3. - С. 102

86. Цыркин, М.И. Автоматизированные управление судовыми дизельными установками Текст./ М.И. Цыркин. Л.: Судостроение, 1977. - 264 с.

87. Хомяков, Н.М. Судовые электроэнергетические установки Текст./ Н.М. Хомяков, В.В. Денисов, П.А. Мещанинов. Л.: Судостроение, 1966. - 399 с.

88. Юрий Лазарев. Моделирование процессов и систем в Матлабе Текст.: Учебный курс/ Юрий Лазарев. СПБ.: Питер; Киев: Издательская группа BHV, 2005-512 е.: ил.

89. Яковлев, С.Г. Судовые электроэнергетические системы Текст./ С.Г. Яколев. -Л.: Судостроение, 1987.-272 с.

90. Ясаков, Г.С. Корабельные электроэнергетические системы Текст./ С.Г. Ясаков. СПБ.: ВМА, 1999. - 640 с.90. http://matlab.exponenta.ru/simulink/default.php