Моделирование генераторного режима работы магнитоэлектрической синхронной машины электроэнергетической установки с газотурбинным двигателем

В.Д. Сергеев, Н.С. Телешова
Дальневосточный федеральный университет,
г. Владивосток

Перспективным направлением в современном электроснабжении является использование автономных электроэнергетических установок на базе высокоскоростных газотурбинных двигателей с газовыми подшипниками. В качестве преобразователей механической энергии в электрическую в них служат синхронные генераторы с возбуждением от высококоэрцитивных постоянных магнитов (СГПМ), вырабатывающие напряжение в несколько кГц. При этом генератор работает на потребитель постоянного тока через выпрямитель, а на потребитель переменного тока – через преобразователь частоты обычно со звеном постоянного тока [1]. Система управления генератором и приводным двигателем должна обеспечивать стабильные требуемые значения напряжения и частоты.

Высокое качество вырабатываемого напряжения обеспечивается наличием электронной системы контроля с векторным законом частотного управления с использованием соответствующих идентификаторов регулируемых неизмеряемых координат системы. В систему управления закладываются математические модели СГПМ и наблюдателей регулируемых координат – скорости вращения ротора (), потокосцепления статора ().

Целью данной работы является изучение поведения СГПМ при совместном функционировании с газотурбинным двигателем и двухзвенным преобразователем частоты и напряжения (ДПЧН) путём моделирования основных процессов (сброс/наброс нагрузки). Исследование переходных процессов, анализ качественных и количественных характеристик энергетических процессов выполняется в среде имитационного моделирования Matlab&Simulink на предложенной виртуальной модели рассматриваемой электромеханической системы.

Теоретический анализ. На основании теоретических сведений [1,2] и полученного математического описания СГПМ и идентификаторов регулируемых координат системы на рис. 1 представлена структурная схема имитационной модели генераторного режима работы, используемая при моделировании в среде Matlab&Simulink.

Входными сигналами управления для СУ АИН с ШИМ являются синусоидальные сигналы , , , которые определяются в блоке преобразователя координат (ПК dq-abc) путем преобразования входных сигналов, поступающих с выходов регуляторов напряжений РН_d и РН_q. На входах соответствующих регуляторов напряжений сравниваются между собой сигналы задания напряжений , поступающие от САУ МТУ (DSP), и действительные значения напряжений на нагрузке , поступающие на блок сравнения через соответствующий преобразователь координат ПК abc-dq.

Рис. 1. Структурная схема управления СГПМ:

РС – пропорционально-интегральный регулятор скорости; – момент турбины; Модель СГПМ – имитационная модель синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов; БАБ 2 – блок аккумуляторных батарей, для парирования нагрузки; СУ АИН с ШИМ – система управления автономныого инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией; f₁…f₆ – сигналы управления соответствующими вентилями АИН; ДТ_А, ДТ_В, ДТ_С – датчики тока; ДН_АВ, ДН_ВС, ДН_СА – датчики напряжения; РН_d, РН_q – регулятор напряжения по продольной и поперечной оси; САУ МТУ (DSP) – система автоматического управления микротурбинной установкой (цифровой сигнальный процессор DSP); индексом звездочка (*) обозначены сигналы задания

Система стабилизации напряжения генератора осуществляется с помощью АИН с ШИМ. При значительном набросе нагрузки, когда из-за провала скорости генератор совместно с ШИМ АИН не может обеспечить требуемое напряжение, параллельно генератору в работу вступает буферный блок аккумуляторов БАБ 2. При сбросе нагрузки избыточная энергия генератора поступает в БАБ 2 для зарядки. Управление режимом работы БАБ 2 производится по сигналам DSP.

Структура и параметры соответствующих регуляторов определяются из условий стандартных настроек согласно рекомендациям, изложенным в литературе [3].

Моделирование. На базе структурной схемы векторного управления СМПМ в генераторном режиме работы (рис. 1) с учетом оптимизации контуров регулирования, в среде Matlab&Simulink моделируется соответствующая имитационная модель системы «ГТД-СГПМ-ДПЧН».

При моделировании процессов использованы данные магнитоэлектрического синхронного генератора 500 кВт: номинальное фазное напряжение 400 В, ток якоря 784.3 А, число полюсов 8 частота вращения 40 000 об/мин (4.189•10³ рад/с), активное сопротивление 5.851•10^-4 Ом, индуктивности по осям d и q соответственно 8.293•10^-6 и 2.28•10^-5Гн. Суммарный момент инерции агрегата составляет 0.276•10^-3 кг•м², коэффициент пропорциональности ГТД 0.316 Н•м/м³/ч, коэффициент усиления РС 10, постоянная времени интегрирования 0.07с, постоянная времени апериодического звена АИН с ШИМ 3.33•10^-5с.

Исследования на предложенной имитационной модели генераторного режима работы магнитоэлектрической синхронной машины проводились для двух вариантов изменения уровня нагрузки. В исходном состоянии установка работала в установившемся режиме при номинальной частоте вращения.

В первом варианте исследования модели система работает при полной нагрузке, равной 500 кВт. В определенный момент времени мощность нагрузки падает до нуля, а затем по прошествии 20 с происходит наброс 100% нагрузки. Переходные процессы показаны на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Переходные процессы изменения скорости при сбросе/набросе 100 % нагрузки

Рис. 3. Напряжение на выходе АИН при сбросе/набросе 100 % нагрузки

При этом мгновенные изменения скорости составляют порядка (13…15) % номинального значения. По истечении 10…12 с значение скорости восстанавливается с погрешностью 0.5 %.

Во втором варианте имитационного исследования система работает сначала при полной нагрузке, затем в момент времени, равный 2 с, происходит мгновенный сброс нагрузки на 50 %, а по истечению 20 с – наброс на ту же величину. Диаграммы переходного процесса представлены на рис. 4 и рис. 5.

Рис. 4. Переходные процессы изменения скорости при сбросе/набросе 50 % нагрузки

Рис. 5. Напряжение на выходе АИН при сбросе/набросе 50 % нагрузки

Мгновенные изменения скорости составляют (8…10)% номинального значения. Время восстановления с точностью 0.5 % составляет (5…7) с.

При автоматическом регулировании, в соответствии с требованиями ГОСТ 29328-95 и ГОСТ 13109-97, напряжение на зажимах генератора должно поддерживаться с точностью ±(5…10) % от номинального значения и восстанавливаться не более чем за 1с.

Исследования модели показали, что при сбросе/набросе 100 % нагрузки отклонение напряжения составило порядка (10…13) % номинального значения, время восстановления порядка 5 с. Во втором случае, при сбросе/набросе 50 % нагрузки отклонение напряжения составило (5…6) % номинального значения и время восстановления порядка 2…3 с.

Важным аспектом при исследовании предложенной имитационной системы генераторного режима работы является спектральный анализ кривых тока и напряжения на выходе преобразователя (АИН с ШИМ). Согласно ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии, нормальные и предельно допустимые коэффициенты искажения синусоидальности кривой напряжения составляют 8 и 12 % соответственно.

Спектры выходного напряжения АИН с ШИМ при различном характере 100 % нагрузки представлены на рис. 6.

Улучшение гармонического состава выходного напряжения АИН достигается применением ШИМ на несущей частоте с синусоидальным моделирующим сигналом. В этом случае, как можно видеть из представленных спектров, высшие гармоники в выходном напряжении смещаются в область высоких частот и располагаются в области частот, кратных несущей частоте (в данном случае 30 кГц).

Рис. 6. Спектры выходного напряжения:

а) при трехфазной LR-нагрузке (cosφ=0,866); б) при активной нагрузке;

U₍₁₎ – амплитуда первой гармоники напряжения

То есть данный спектр не содержит относительно низкочастотных гармонических составляющих, кроме первой (на частоте 50 Гц), присутствуют только высокочастотные, последующая гармоника наблюдается на частоте порядка 650 Гц. В соответствии с рекомендациями, изложенными в [4], подобные гармоники можно легко отфильтровать, используя обычный LC – фильтр. Кроме этого, в спектре выходного напряжения трехфазного автономного инвертора отсутствуют все четные гармоники, а также гармоники, кратные трем.

Коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения при активной нагрузке составляет менее 10 %, а при активно-индуктивной 14 %.

Вывод. Предложенная виртуальная модель позволяет всесторонне исследовать поведение установки с магнитоэлектрической синхронной машиной в генераторном режиме работы, наблюдать и регистрировать значения интересуемых параметров, а также анализировать качество вырабатываемой электроэнергии. В дальнейшем конкретная модель может быть использована в составе виртуальной модели МТУ.

Список литературы

1. Телешова Н.С. Моделирование системы «Синхронная машина с постоянными магнитами – двухзвенный преобразователь частоты и напряжения» / Вестник УГАТУ. – Уфа: УГАТУ, 2009. – 162-166 с.

2. Телешова Н.С. Математическая модель магнитоэлектрической синхронной машины / Науч.-технич. конф. Вологдинские чтения. – Владивосток: ДВГТУ, 2009.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием. – М.: Энергоатомиздат, 2006. - С. 265.

4. Климов В.П., Москалев А.Д., Способы подавления гармоник в системах электропитания // Практическая силовая электроника. – 2003. – №6

Назад к списку