автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Режимы работы и выбор параметров систем бесперебойного электроснабжения потребителей первой категории особой группы

На правах рукописи

Булыгин Дмитрий Александрович

РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПЕРВОЙ КАТЕГОРИИ ОСОБОЙ ГРУППЫ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061077 Магнитогорск-2013

005061077

Работа выполнена на кафедре электрификации горных предприятий ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель

Официальные оппоненты:

Карякин Александр Ливиевич, доктор технических наук, ст. научн. сотр., зав. каф. ЭГП ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Зюзёв Анатолий Михайлович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры ЭиАПУ ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Николаев Александр Аркадьевич, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры ЭПП ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», г. Пермь

Защита состоится «28» июня 2013 г. в 16 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.111.04 при ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, Челябинская область, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, ауд. 227.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФБГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 455000, Челябинская область, г. Магнитогорск, пр. Ленина, д. 38, на имя секретаря диссертационного £Овета.

Ученый секретарь диссертационного совета, канд. техн. наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Электротехнические комплексы электроснабжения потребителей первой категории особой группы используются в центрах хранения данных, многофункциональных высотных зданиях, нефтяной и газодобывающей промышленности, геологоразведке, других отраслях промышленности и народного хозяйства. Отличительной особенностью таких систем является наличие дополнительного питания от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания, в качестве которого применяют источник бесперебойного электропитания (ИБП) на основе аккумуляторных батарей и дизельные генераторы, объединённые в дизельную электростанцию. Для некоторых видов объектов такой способ электропитания является единственным.

Одной из основных задач проектирования комплексов электроснабжения потребителей первой категории особой группы является выбор количества и мощности дизель-генераторных установок (ДГУ) в составе дизельной электростанции (ДЭС), от правильного решения которой зависит эффективность электротехнического комплекса на этапах его реализации и эксплуатации. Поэтому исследования, направленные на решение задачи выбора параметров ДГУ в составе дизельной электростанции, на этапе проектирования, являются актуальными.

Степень научной разработанности проблемы. Вопросам проектирования и эксплуатации автономных электротехнических комплексов производства электроэнергии посвящены работы Артюхова И.И., Гринкруг Я.С., Ершова М.С., Завалишина В.В., Зюзёва A.M., Лукутина Б.В., Меньшова Б.Г., Меркулова М.В., Олешко A.C., Хватова О.С. и других авторов. Центрами исследований являются Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, Российский государственный геологоразведочный университет им. Серго Орджоникидзе, Томский политехнический университет и ряд других организаций.

Несмотря на широкий спектр работ, в них не рассмотрены вопросы выбора оптимальных параметров ДГУ в составе дизельных электростанций с использованием теории оптимизации, бесспорно имеющие свою специфику.

Идея работы заключается в снижении капитальных затрат на создание дизельной электростанции путем выбора оптимальных режимов работы, ко-

личества и номинальных мощностей дизель-генераторных установок, входящих в ее состав, из ряда доступных номинальных мощностей в условиях заданного диапазона выходной мощности дизельной электростанции и коэффициентов загрузки ее ступеней.

Целью работы является разработка и исследование методики выбора оптимальных по критерию стоимости и максимальной загрузки параметров ДГУ, обладающей возможностью учитывать диапазон изменения нагрузки электростанции, дискретность ряда номинальной мощности ДГУ, и позволяющей на этапе проектирования минимизировать стоимость электростанции и повысить ее КПД, что приводит к экономии материальных и природных ресурсов государства.

Для достижения сформулированной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи исследования:

1. Разработка параметрической модели дизельной электростанции для решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ.

2. Определение оценки нижней границы количества ДГУ в составе ДЭС для заданных коэффициентов максимальной и минимальной загрузки ДГУ и известных максимальной и минимальной мощности нагрузки.

3. Разработка алгоритма и программы решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в дискретной форме. Результатом решения должно быть минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, выбираемые из стандартного ряда номинальных мощностей.

4. Постановка задачи дискретной оптимизации количества и мощности ДГУ по критерию минимальной суммарной стоимости. Разработка алгоритма и программы решения задачи, решение которой определит минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, из стандартного ряда номинальных мощностей.

5. Разработка формальной процедуры поиска решения задачи оптимизации.

6. Получение математической модели дизельного двигателя на основе индикаторной развернутой диаграммы для учета всех основные особенности преобразования энергии газов в механическую энергию.

7. Разработка методики определения параметров схемы замещения явнополюсных синхронных генераторов средней мощности в составе ДГУ, основанную на использовании значения отношения короткого замыкания.

8. Разработка имитационной модели дизель-генераторной установки с учетом контуров регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения синхронного генератора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались принципы системного подхода, положения теории электротехники, электрических машин, автоматического управления, методы решения задач непрерывной и дискретной оптимизации. Теоретические исследования сопровождались разработкой различных математических моделей, реализованных на ПЭВМ в виде программных средств в системе МаЛаЬ. Исследование алгоритмов выполнено на примере исходных данных серийно выпускаемых дизель-генераторных установок.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена параметрическая модель дизельной электростанции, с использованием которой поставлены задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в непрерывной и дискретной формах. Целевая функция определяет суммарную мощность ДЭС, ограничения описывают условия работы ДГУ в терминах введенных понятий максимальной и минимальной загрузки ДГУ. Для модели в непрерывной форме получено аналитическое выражение для оценки нижней границы количества ДГУ в составе ДЭС для заданных коэффициентов максимальной и минимальной загрузки ДГУ и известных максимальной и минимальной мощности нагрузки. На основе результатов решения задачи оптимизации в непрерывной форме разработан алгоритм решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в дискретной форме. Результатом решения является минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, выбираемая из стандартного ряда номинальных мощностей.

2. Поставлена и решена задача дискретной оптимизации количества и мощности ДГУ по критерию минимальной суммарной стоимости. Решение определяет минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, принадлежащую стандартному ряду номинальных мощностей, доставляющие минимум функции стоимости ДЭС. Выполнена редукция задачи дискретной оптимизации к задаче поиска в алфавите. Разработана формальная процедура поиска, представленная в виде коммуникационной диаграммы.

3. Предложена динамическая модель работы дизельного двигателя на основе индикаторной развернутой диаграммы. Модель учитывает все основ-

ные особенности преобразования энергии газов в механическую энергию и может быть использована для оценки влияния пульсаций механического момента на работу генератора, а также в других приложениях, связанных с исследованиями динамических явлений в электротехнических комплексах.

4. Предложена имитационная модель дизель-генераторной установки. Система управления имеет контуры регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения синхронного генератора. Выполнено моделирование режимов нагружения генератора от 10% мощности до 100 и 115%. Показано, что ДГУ обеспечивает выполнение требований к качеству генерируемого напряжения при превышении мощности нагрузки на 15% выше номинальной.

Практическая ценность.

1. Результатом выполненных исследований является комплексная методика, которая лежит в основе выбора оптимальных параметров ДГУ в составе ДЭС, основанная на параметрической модели дизельной электростанции. Разработанная методика позволяет определять рациональные параметры дизель-генераторных установок по критерию номинальной загрузки во всех режимах работы и минимальной стоимости, основными из которых являются количество и мощность каждой ступени ДЭС, что ведет к экономии финансовых средств на этапах реализации и эксплуатации комплекса. Защищаемые научные положения позволяют проводить достаточно точный расчет рациональных параметров ДЭС, пересмотреть установленные подходы к проектированию, производить уточнение результатов решения оптимизационных задач на динамических моделях электротехнического комплекса ДГУ. Разработанные принципы проектирования, а также предложенные модели могут использоваться для условий различных объектов, установок и комплексов.

2. Получены результаты расчета параметров схемы замещения явнополюсных синхронных генераторов средней мощности в составе ДГУ, основанные на использовании значения отношения короткого замыкания. Результаты могут быть использованы на этапе проектирования, до выбора конкретного типа ДГУ. Погрешность расчета параметров схемы замещения по продольной и поперечной осям не превышает 16,% и 12% соответственно.

Обоснованность и достоверность научных положений подтверждена корректным применением классических методов математической статистики, апробированных математических моделей элементов электротехнического комплекса, использованием обучающих множеств, объединяющих фактиче-

ские данные измерений, контроля и наблюдений за три года, численными экспериментами на ЭВМ с использованием контрольного и тестового множеств.

Реализация работы. Результаты диссертационной работы использованы при создании системы электроснабжения первой категории особой группы центра хранения данных ФГУП «Восход», г. Москва.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях Уральского государственного горного университета в 2008-2012 гг., V Всероссийской научно-технической конференции «Инновационная энергетику», г. Пермь, 2011 г., VII Международной (XVII Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2012, г. Иваново

Публикации. По теме диссертации опубликовано четыре печатные работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав с выводами, заключения, библиографического списка из 94 наименований и четырех приложений. Объем работы составляет 113 страниц, включая 23 рисунка и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулирована цель, раскрыта научная новизна, практическая ценность, приведены результаты апробации и реализации теоретических и практических исследований с обоснованием достоверности.

В первой главе описаны состояние вопроса, сформулированы задачи проводимого исследования и намечены предполагаемые методы их решения. Опираясь на полученные ранее результаты исследований, выполненный обзор работ, опубликованных в отечественной и зарубежной технической литературе, посвященных созданию моделей и выбору параметров дизель-генераторных установок, была предложена комплексная методика оптимального проектирования ДЭС.

Нагрузка

z(y) e Z

Параметрическое описание ДЭС

Динамическая

модель системы

р = f(Ar,pjn\PJ3C.cjry.z)

х = f(x,u,p.z.f)

Оптимальное проектирование

Режимы работы

к = Р

дэс

/Г

ИБП

На рис. 1 приведена функциональная структура комплексной методики, которая лежит в основе выбора оптимальных количества и параметров ДГУ в составе ДЭС, на которой параметрическая модель ДЭС представлена вектор-функцией параметров

Рис. 1. Функциональная структура ком- р — f(N, рдгу, РДК , сдгу, z) , где

плексной методики выбора оптималь- ., „„., пгу

N- количество ДГУ, р -

ных параметров ДГУ в составе ДЭС множество мощностей отдельных ДГУ, Рдэс - суммарная мощность ДЭС, сдгу - множество стоимостей отдельных ДГУ, z - вектор параметров нагрузки ДЭС; вектор оптимальных для данных потребителей и условий нагруже-ния количества и параметров ДГУ рор( = arg min У(р) ; динамические модели дизеля, генератора и потребителей представлены дифференциальными уравнениями в форме Коши х = f(x,ü,p,z,/) ; вектор оптимальных в данных условиях нагружения режимов работы ДГУ иор1 = argminjip,) .

Вторая глава посвящена оптимизации количества и мощности ДГУ в составе ДЭС. Постановка и решение задачи оптимизации выполнены с использованием предложенной в работе параметрической модели ДЭС при допущениях: дизельная электростанция состоит из N ДГУ мощностью на /-ой ступени Pi^ry , индекс / соответствует порядку включения в работу соответствующей ДГУ; источник бесперебойного электропитания обеспечивает питание нагрузки в режимах перехода от основного источника к ДЭС; система управления ДЭС реализует заданный алгоритм управления включением и отключением ДГУ. Тогда модель содержит уравнения:

— конечное множество стандартных номинальных мощностей

Рдэс = [рхдгу , L , Р*ГУ):УР„ДГУ (Р^ е Рдэс Рдгу е РДгу ), (1)

- номинальная мощность ступени ДЭС

где п - номер ступени; N - общее число ступеней ДЭС; N - множество натуральных чисел; Рдэс - номинальная мощность ДЭС на n-ой ступени,

л

jjpv

9 ''min >^тах минимальная и максимальная мощность ДЭС

(=1

при длительной работе,

- образ номинальной мощности на множестве стоимостей

ЭС«,.*:^ ^ ^ст(стеС„лст=<р(рс^)), (3) где Сст - упорядоченный набор значений стоимости ДГУ; <р - отображение множества Р^на множество Сст; ст - стоимость ДГУ с номинальной мощностью P^J,

- коэффициент минимальной загрузки ступени ДЭС, равен минимальному отношению мощности, потребляемой нагрузкой, к текущей номинальной мощности ДЭС, при котором исключается холостой ход дизельных двигателей, включенных в работу к™*? = min \Р„отр(г)/Рпдэс };

- коэффициент максимальной загрузки ступени ДЭС определяет отношение мощности, потребляемой нагрузкой, к текущей номинальной мощности ДЭС, при котором осуществляется переключение ДЭС на следующую по мощности ступень = шах [Рпотр(/)/Рпдэс}.

Предложены следующие формальные постановки задачи оптимизации

(JL _.Л n

Задача I: найти min F

Ne. R

ILip* l KS *** *b, (4)

V 1=1 ) (=1

где N - общее число ступеней ДЭС, Рдгу е [ Рд™, Рд™ J.

Задача II: найти minF^g рП™ j, < g р?™, рЛ™ <b, (5)

где еJ,m = l,A/ - стандартная мощность ступени ДГУ.

Задача III: найти min S,

( N

Ne R

N

z

<=1

(6)

V/=1

N T3

Задача IV: S2 = jc%"(t)c& mm .

<*i о

(7)

Для решения задачи оптимизации описаны ограничения на загрузку ДЭС и определены границы значений номинальных мощностей ее ступеней. Тогда условие минимальной загрузки первой ступени ДЭС

С7 - к^Р^0, условие загрузки для последующих ступеней ДЭС:

Из этого выражения можно выразить условие минимальной загрузки по мощности ДГУ на п -ой ступени:

V«

ие(l,N]nNл JV > 1 рНУ <

n-l Л

кзагр j t mm Ifi**

v M J

(9)

Ограничения мощности отдельных ДГУ, в соответствие с условиями на загрузку ступеней ДЭС, описываются системой неравенств:

рДГУ < 1 рнагр. 1 ~ ¿.min min > "■гагр

рДГУ<

fpr^pzt-

i-min \ загр

п-1

£/?дгу, И е [2,A']nNA JV ä 2; i=l

(10)

Выполнена оптимизация количества ДГУ для условия непрерывности значений мощности ДГУ (задача I). Показано, что максимальная допустимая номинальная мощность ступени ДЭС в функции номера ступени:

V«

IДэс _

f £max Y 1 рнагр

чагр Л«;«

.mir

\ загр

загр

(П)

Тогда число ступеней ДЭС определяется неравенством

»min

у к загр

рнагр min > рнагр ».min — max кзагр

(12)

Последнее выражение позволяет произвести оценку нижней границы числа ступеней ДЭС и, следовательно, числа ДГУ при заданном диапазоне мощности нагрузки:

N>-

1п£тах -In ¿-тш 111 Кзагр ш Кзагр

(13)

Предложен алгоритм поиска оптимального числа ступеней и мощности ДГУ с учетом дискретности Р/1™ (решение задачи II). Алгоритм основан на последовательном выборе мощности отдельных ДГУ в соответствии с системой неравенств (10), при этом расчетная мощность ДГУ округляется до ближайшего меньшего значения из ряда стандартных значений номинальной мощности. После каждого шага делается проверка ДЭС на способность обеспечить энергией максимальную нагрузку, что соответствует последнему выражению системы (10). На последнем этапе мощность ДГУ последней ступени корректируется: она соответствует наименьшей стандартной мощности, превышающей разность между мощностью максимальной длительной нагрузки и номинальной мощностью предпоследней ступени ДЭС.

В работе дано решение задачи оптимизации мощности ДГУ по критерию минимума стоимости ДЭС (задача III). Пусть стандартный ряд мощности представлен вектором PjJry = [Р^, • • •, -Pf"' }, каждый элемент которого характеризуется стоимостью, определяемой согласно (3). Решением задачи является вектор, компонентами которого являются стандартные значения номинальной мощности ДГУ

рдэс =[рхдгуу ..., ) е р?™ е Р*г у). (14)

Тогда пространство возможных решений

РГ)\^РпЧГУ е РДЭС РпДП/ е Р^ГУ} = У)" (15)

можно представить матрицей, где строка представляет возможное решение, а номер столбца соответствует номеру ступени ДЭС.

В пространстве Б была выделена область допустимых решений, удовлетворяющих системе неравенств (10). Для этого в пространстве IIЛ , представляющем собой и-ную декартовую степень множества действительных чисел, определена область Я , которую можно интерпретировать как множество удовлетворяющих системе (10) векторов рдэс , компоненты которых являются действительными числами:

ЛГУ

рнагр.

ТП1П '

, тга

кзагр

рнагр тт

Л

/ / ' »шах ^ п-\

рнагр. 1ШП ' кзагр ^ > 1шп ттг

V Ч ^ "■загр /=1

¡=1

/J

(16)

Множество допустимых решений О определяется пересечением этих множеств О = в п К. Для решения задачи оптимизации нужно выбрать вектор из множества О такой, чтобы стоимость элементов

¿у

Р^рдэс ^ _ '^<р(рЛГУ) этого вектора была наименьшей:

Геометрическая интерпретация множества Я как области в Ы-мерном гильбертовом пространстве, ограниченной гиперплоскостями согласно системе неравенств (10), для случая трех ступеней ДЭС, представлена на рис. 2.

Из представленного на рис. 2 построения следует, что область Я ограничена четырьмя плоскостями, в то время как система (10) для трехмерного случая содержит семь неравенств.

В работе показано, что ограничение на нижнее значение мощности ДГУ «-ной ступени в функции номинальных мощностей предыдущих ступе-

ней: V«

ие [2;#]пN —>>

<агр I шах ^загр )

и-1

рп агр _ур,

шах / ■ /

ДГУ

, тогда область

допустимых решений для любой ступени ДЭС при известном количестве ступеней:

эДГУ

эДГУ

рнагр рнагр. пнп пип ' , щтп

^ загр

пР:

ДГУ

1. 1ШП загр »шах

V загР У

рнагр _ у1 пДГУ . тах / . /' »

|тах , тт

V загР У

п

(18)

Рисунок 2 - Трехмерная область Я черный - Р1тМ, пурпурный - Р2тт, голубой -Р3тЬг, зеленый - Р1тах, красный - Р2та„ синий - РзпИХ, желтый (Р,+Р2+Рз)тш

Разработана абстрактная модель задачи поиска оптимального решения в области О. Модель основана на кодировании допустимых решений, т.е. построении отображения, переводящего множество допустимых решений 8 во множество кодировок . Тогда ЗСВ с :С0 = у/(0) <=> О = (Сс), где - множество допустимых кодировок. Показано, что задача тождественна задаче поиска в конечном множестве кодировок, состоящем из закодированных в алфавите А строк фиксированной длины К такой строковой кодировки которая обеспечивает экстремальное значение функции цели

1

иска представлена на диаграмме (рис. 3).

Связь заДачи оптимизации с задачей по-

F(p № p

1 Vil >—>r,

Рис. 3- Коммуникационная диаграмма

На основе предложенного метода разработана программа для поиска оптимальных параметров ДЭС в

постановке III. Алгоритм работы программы решения задачи оптимизации: 1) из множеств Р„ГУ и Сст формируют матрицы, соответствующие областям S и Cs таким образом, что соответствующие друг другу элементы этих матриц имеют одинаковые индексы; 2) из областей S и С5 удаляются решения, которые не удовлетворяют системе (18), и получают матрицы, соответствующие областям D и CD ; 3) в матрице, изображающей область CD , отыскиваются строки с минимальной суммой элементов. Эти строки являются образами одноименных строк из матрицы, которой представлена область D , которые и являются решением задачи оптимизации.

Произведен выбор оптимальных параметров ДГУ в составе ДЭС для следующих исходных данных: производитель ДГУ - Wilson, ряд мощностей ДГУ - [11 14,4 17,6 26,4 40 44 52 70,4 88 120 132 160 20 220 280 320 400] кВт, функции стоимости ДГУ Wilson для различных исполнений (по данным открытых источников) представлены на рис. 4. Результаты решения задачи оптимизации приведены в табл. 1. Из анализа полученных результатов следует, что существенное влияние на количество ДГУ в составе ДЭС и распределение их мощности оказывает соотношение минимальной и максимальной мощности ДЭС при длительной работе и , а также вид функцио-

нальной зависимости стоимости ДГУ от мощности. Увеличение стоимости в случае использования нескольких ДГУ меньшей мощности оправдывается значительным улучшением условий функционирования ДГУ при малых нагрузках дизельной электростанции и уменьшением эксплуатационных затрат на приобретение топлива.

к 10

0 - Opened box, [] - Proofed box

150. 2Ш. 250 300 P.kWt

Рис, 4 -Функции стоимости ДГУ Wilson для различных исполнений

Таблица 1 - Результаты решения задачи выбора оптимальных параметров

ДГУ в составе дизельной электростанции

р . 1 min» кВт р 1 шах> кВт Исполнение ДГУ

Открытое Защищенное

Pi, кВт Стоимость, руб Pi; кВт Стоимость, руб

ТсП 100 [11 И 26.4 521 2 023 824,0 [17.6 17.6 52 14.4] 2 457 659,0

- - [17.6 17.6 14.4 52] 2 457 659,0

- - [17.6 14.4 17.6 52] 2 457 659,0

- - [14.4 17.6 17.6 52] 2 457 659,0

20 100 [40 52 11] 1 653 069,0 [40 52 111 2 038 641,0

[40 11 52] 1 653 069,0 [40 11 52] 2 038 641,0

30 100 [52 521 1 321 518,0 [52 52] 1 626 306,0

40 100 [52 521 1 321 518,0 [88 14.4] 1 608 635,0

>48 100 [120] 896 214,0 [120] 1 323 795,0

В третьей главе рассмотрены динамические модели дизельного двигателя, используемого в составе ДГУ (табл. 2).

Детально исследована динамическая модель нецентрального криво-шипно-шатунного механизма (КШМ), расчетная схема которого представлена на рис. 5.

Таблица 2 - Динамические модели дизельного двигателя

Наименование модели Область использования

1. Упрощенная на основе алгоритмических передаточных функций по основным каналам Моделирование работы двигателя в составе электротехнического комплекса

2. Детальная линеаризованная модель на основе передаточных функций структурных звеньев Синтез регуляторов системы управления дизельным двигателем

3. Динамическая модель кривошипно-шатунного механизма Исследование влияния пульсаций момента двигателя

Основными уравнениями и зависимостями модели являются следующие: скорости и ускорения поршня, сил инерции, силы давления газов на поршень, индикаторной диаграммы, хода поршня и объема, образованного под поршнем, от угла поворота кривошипа силы давления газов на поршень от угла поворота кривошипа, крутящего момента на валу двигателя. На рис. 6 представлена структурная схема модели одного цилиндра дизельного двигателя при постоянстве индикаторной диаграммы.

Рис. 5 - Расчетная схема нецентрального кривошипно-шатунного механизма

Использованный в работе аналитический метод построения развернутой индикаторной диаграммы, основанный на аналитическом решении дифференциального уравнения, определяющего приращение линейного перемещения поршня по углу поворота кривошипа, позволил построить модель дизельного двигателя, которая учитывает нелинейность и трансцендентный характер процессов.

БВУП - блок вычисления ускорения поршня; РИДЦ - блок, моделирующий развернутую индикаторную диаграмму дизеля; БВМ - блок вычисления момента Рис. 6 -Структурная схема модели одного цилиндра дизельного двигателя при постоянстве индикаторной диаграммы

Четвертая глава посвящена анализу параметров схемы замещения синхронных генераторов (СГ), применяемых в современных дизель-генераторных установках. Приведена классификация математических моделей синхронных машин: 1) по объекту исследования - переходные процессы в энергосистеме, переходные процессы в электрической машине, электромеханические переходные процессы; 2) по виду режима работы генератора -симметричный установившийся режим, режим к.з., работа при постоянном скольжении; 3) модели для исследования систем регулирования частоты и

^_у

Рис. 7 - Паспортные и расчётные значения полного индуктивного сопротивления статора по продольной и поперечной осям в функции мощности СГ

мощности. Определён класс синхронных машин в составе ДГУ - явнополюс-ные средней мощности без демпферной обмотки. Представлено математическое описание синхронной машины без учета демпфирующих свойств, для которого приведены методика расчета параметров схемы замещения по

15.2МШ3.4И/А

Рис. 8 - Имитационная модель электротехнического комплекса ДГУ известным паспортным и конструктивным параметрам и приближённый расчет индуктивного сопротивления по продольной и поперечной осям по отношению короткого замыкания (ОКЗ). На рис. 7 показаны графики значений паспортного и расчётного полного индуктивного сопротивления статора по

продольной и поперечной осям в функции мощности синхронного генератора

X, Ха

(40..2000 кВт). Установлена погрешность расчета значении а и 4 по величине ОКЗ для рассматриваемых генераторов, которая составила 16,3% и 12,3%.

В пятой главе приведены результаты разработки математической модели электротехнического комплекса ДГУ и исследования на полученной модели режимов работы ДГУ. Структурная схема имитационной модели

представлена на рис. 8. Показано, что набросе нагрузки на 15% выше номинальной ДГУ обеспечивает выполнение требований к качеству генерируемого напряжения.

В заключении представлены основные результаты исследований, достигнутые в ходе выполнения работы.

1. С использованием предложенной параметрической модели дизельной электростанции поставлены задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в непрерывной и дискретной формах. Целевая функция определяет суммарную мощность ДЭС, ограничения описывают условия работы ДГУ в терминах введенных понятий максимальной и минимальной загрузки ДГУ.

2. Получено аналитическое выражение для оценки нижней границы количества ДГУ в составе ДЭС для заданных коэффициентов максимальной и минимальной загрузки ДГУ и известных максимальной и минимальной мощности нагрузки.

3. Разработаны алгоритм и программа решения задачи оптимизации количества и мощности ДГУ в дискретной форме. Результатом решения является минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, выбираемые из стандартного ряда номинальных мощностей.

4. Поставлена задача дискретной оптимизации количества и мощности ДГУ по критерию минимальной суммарной стоимости. Разработаны алгоритм и программа решения задачи. Решение определяет минимальное число ступеней ДЭС и мощность ДГУ на каждой ступени, принадлежащую стандартному ряду номинальных мощностей. Выполнено решение тестовой задачи выбора оптимальных параметров ДГУ для различного соотношения минимальной и максимальной длительной мощности ДЭС.

5. Выполнена редукция задачи дискретной оптимизации к задаче поиска в алфавите. Разработана формальная процедура поиска. Процедура представлена в виде коммуникационной диаграммы.

6. Рассмотрена задача построения математических моделей дизельного двигателя. Определены области применения моделей. В работе предложена динамическая модель работы дизельного двигателя на основе индикаторной развернутой диаграммы. Модель учитывает все основные особенности преобразования энергии газов в механическую энергию и может быть использована для оценки влияния пульсаций механического момента на работу гене-

ратора, а также в других приложениях, связанных с исследованиями динамических явлений в электротехнических комплексах.

7. Получены результаты расчета параметров схемы замещения явнополюсных синхронных генераторов средней мощности в составе ДГУ, основанные на использовании значения отношения короткого замыкания. Результаты могут быть использованы на этапе проектирования, до выбора конкретного типа ДГУ. Погрешность расчета параметров схемы замещения по продольной и поперечной осям не превышает 16,3% и 12,3%.

8. Составлена имитационная модель дизель-генераторной установки. Система управления имеет контуры регулирования частоты и амплитуды выходного напряжения синхронного генератора. Выполнено моделирование режимов нагружения генератора от 10% мощности до 100 и 115%. Показано, что ДГУ обеспечивает выполнение требований к качеству генерируемого напряжения при превышении мощности нагрузки на 15% выше номинальной.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

В изданиях из перечня ВАК

1. Параметрическая модель дизельной электростанции / Карякин АЛ, Булыгин Д.А., Носырев М.Б., Корюков А.А.//Аннотированная депонированная рукопись (№ 874/3-12 от 26.12.2011 г.) М.: МГТУ/ Горный информационно-аналитический бюллетень (научно технический журнал), 2012, №3-5 С.

2. Выбор параметров электротехнического комплекса дизельной электростанции для систем питания потребителей первой категории особой группы / Карякин A.JL, Булыгин Д.А. // Современные проблемы науки и образования. - 2013. -№ 2; URL: http://www.science-education.ru/108-9073.

В других изданиях

■3. Булыгин Д.А., Карякин А.Л. Выбор оптимальных параметров дизельной электростанции для систем питания электротехнических комплексов потребителей первой категории особой группы / VII Международная (XVIII Всероссийская) конференция по автоматизированному электроприводу АЭП-2012. Иваново, 2-4 октября 2012 г. - С. 500-503.

4. Оптимальное проектирование дизельных электростанций для систем питания потребителей первой категории особой группы / Карякин А.Л., Булыгин Д.А., Корюков A.A. // Материалы V Всероссийской научно-технической интернет-конференции «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике», г. Пермь, Изд-во ПНИТУ, 2012.-С. 117-125.

Подписано в печать 24.05.2013 г. Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная. Печать на ризографе. Печ. л. 1,0 Тираж 120 экз. заказ №3/2.

Издательство Уральского государственного горного университета 620144, г.Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30. ФГБОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»