Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат

Содержание

Введение

Использование природных возобновляемых энергоресурсов для производства тепловой и электрической энергии является объективной необходимостью современной энергетики. Неисчерпаемость и экологическая чистота возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на фоне стремительного сокращения запасов органического топлива, все более остро встающих проблем изменения климата Земли и загрязнения атмосферы, делают их наиболее привлекательными из всех существующих видов энергии. С точки зрения диапазона мощностей все электроустановки, приводным двигателем которых служит энергия ветра или потоков воды, можно разделить на электроустановки для большой и малой энергетики. По принятой в настоящее время классификации к установкам класса микро относят электростанции установленной мощностью до 100 кВт. В большинстве случаев они предназначены для работы в автономной системе электроснабжения на изолированного потребителя. Более крупные электростанции, как правило, работают на электрическую сеть. Данный тип электростанций получил преимущественное распространение в экономически развитых странах Европы. Относительно небольшие территории, высокая плотность населения и развитая инфраструктура делают данный класс электроустановок экономически более привлекательным. Эксплутационный режим работы мощных ветро- и гидроэлектростанций близок к оптимальному: вся снимаемая с первичного двигателя энергия ветра или потоков воды преобразуется в электрическую энергию и передается в электрическую сеть. Повысить эффективность применения подобных электроустановок возможно только за счет увеличения коэффициента полезного действия преобразования первичной энергии и снижения стоимости их конструкции [1, 2].

1. Актуальность темы

Не отрицая перспективности сетевых электростанций, отметим актуальное направление использования ВИЭ в децентрализованных системах электроснабжения. Низкая плотность населения и слабое развитие транспортной, энергетической, производственной и др. инфраструктуры на большей части территории страны, очевидно, определяют актуальность и конкурентоспособность возобновляемой энергетики в децентрализованных зонах. Основной проблемой электроустановок, использующих ВИЭ, при работе в составе автономной системы электроснабжения является значительная изменчивость во времени как энергии первичного энергоносителя, так и графика нагрузки потребителя энергии. И согласовать между собой эти неизбежные колебания входной и выходной энергии по объективным причинам не представляется возможным. Поэтому в большинстве случаев в составе автономных энергоустановок, использующих природную возобновляемую энергию, предусматривается применение буферного устройства накопления энергии (чаще всего аккумуляторной батареи) и резервного источника энергии (чаще всего дизельной электростанции). В связи с этим, удельные капиталовложения в электроустановки, работающие в автономной сети, оказываются существенно выше, чем капзатраты на электростанции, работающие параллельно с электрической сетью. Однако, при этом имеются существенные резервы повышения эффективности применения электроустановок, использующих ВИЭ в автономных системах электроснабжения, не только за счет совершенствования и разработки новых технических решений оборудования станций, но и за счет обеспечения максимально эффективного режима их эксплуатации [3].

Контур с различными температурными условиями<br>(анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, 82 килобайта)

Рисунок 1 – Контур с различными температурными условиями
(анимация: 6 кадров, 10 циклов повторения, 82 килобайта)

2. Цель и задачи исследования

Цель и задачи исследования: рассчитать процесс пуска асинхронного двигателя от синхронного генератора соизмеримой мощности в автономной системе мощностью в несколько мегаватт.

Объект исследования: переходные процессы при пуске двигательной нагрузки в автономной системе электроснабжения в разных режимах работы.

Предмет исследования: параметры, определяющие характер процесса пуска двигательной нагрузки в автономной системе электроснабжения в разных режимах работы.

3. Расчет пуска асинхронного двигателя от генератора соизмеримой мощности

Расчет процесса пуска асинхронного двигателя от синхронного генератора соизмеримой мощности в автономной системе мощностью в несколько мегаватт произвести достаточно сложно, а тем более с учетом всех действующих факторов. Допустимую мощность двигателя по условиям пуска можно определить несколькими способами, но с большой точностью рассчитать изменение основных режимных параметров в процессе пуска не получится. С целью упрощения методики расчета вводятся следующие допущения, основанные на результатах испытаний: не учитывается сверхпереходный процесс, так как он длится всего 2-3 периода, т. е. намного меньше, чем весь пуск; частота вращения ротора турбогенератора считается постоянной (на самом деле она изменяется, но в пределах зоны нечувствительности регулирования турбины, т. е. всего на 3-4%).

При анализе переходных процессов синхронных генераторов учитываются также следующие допущения: отсутствие активных сопротивлений элементов системы; отсутствие насыщения магнитной системы генератора. Основной величиной, определяющей характер процесса пуска и изменения остальных параметров, является напряжение статора генератора. Для его определения запишем дифференциальное уравнение цепи обмотки возбуждения генератора в системе относительных единиц в виде:

form1

где Eqe – э. д. с., обусловленная принужденным током возбуждения: при автоматическом регулировании возбуждения она является переменной величиной.

Найдем э. д. с. синхронного генератора с учетом принятых допущений:

form2

С другой стороны,

form3

Сопротивление внешней цепи

form4

где xн – сопротивление предварительной нагрузки генератора, xк – сопротивление пускаемого двигателя.

Многочисленные опыты показали, что напряжение генератора вследствие быстродействия АРВ восстанавливается до номинального значительно раньше момента резкого увеличения сопротивления пускаемого от него двигателя. Поэтому при расчете изменения напряжения генератора можно принимать сопротивление пускаемого двигателя постоянным и равным в относительных единицах приведенных к номинальным параметрам генератора:

form5

Такое допущение значительно упрощает расчеты и, главное, позволяет найти аналитическое выражение для определения изменения напряжения статора генератора при пуске от него асинхронного двигателя.

Подставив (3) в (2), получаем:

form6

Аналогично для переходной э. д. с. генератора запишем:

form7

где

form71

Подставив в (1) вместо Eq и Eq' их выражения из (6) и (7) и выполнив ряд преобразований, получаем окончательный вид дифференциального уравнения:

form8

В этом уравнении принято:

form9
form10

Зависимость нарастания напряжения возбуждения при форсировке для возбудителя электромашинного типа с самовозбуждением заменим экспоненциальной функцией с некоторой постоянной времени Te

form11

где t1 – время запаздывания действия АРВ, косвенно учитывающее тот промежуток времени, в течении которого протекает переходный процесс в возбудителе.

Значения Te и t1 обычно определяются из опыта. Для отечественных турбогенераторов с электромашинным возбуждением и для типовых устройств АРВ можно принять Te = 0,3-0,6 сек., t1 = 0,1-0,5 сек. В последнее время для генераторов, применяющихся в качестве автономных источников питания, широко используются системы возбуждения, выполненные на полупроводниках. Такие системы практически: безынерционны, т. е. при форсировке напряжение на кольцах обмотки возбуждения синхронной машины возрастает до предельного значения скачком. Для расчета переходных процессов можно принимать, что полупроводниковая система возбуждения является частным случаем электромашинного возбуждения, у которого Te = 0 [4, 5].

Применив уравнение Горева – Парка для синхронной машины без демпферных обмоток с чисто индуктивной нагрузкой, с учетом (11) получаем временную зависимость изменения тока возбуждения:

form12

где If0 – ток возбуждения генератора до момента форсировки; ΔIfпр=Ifпр - If0 – приращение тока возбуждения генератора при форсировке до потолочного тока возбуждения.

С учетом принятых выше допущений в относительных единицах Eqe = Ift. Подставив выражение для тока возбуждения (12) вместо Eqe в дифференциальное уравнение (8) и решив последнее, находим аналитическое выражение, определяющее изменение напряжения генератора при пуске от него асинхронного двигателя соизмеримой мощности:

form13

где U0 – значение напряжение генератора в момент включения двигателя;

При частоте вращения ротора, равной 70-80% номинальной, полное активное сопротивление асинхронного двигателя соизмеримо с индуктивным и оказывает некоторое влияние на процесс пуска.

Согласно формуле (13) с помощью математической программы MathCAD был произведен расчет для двигателя мощностью 850 кВт и генератора мощностью 4 МВт. В результате расчета был получен график схожий с тем, который мы должны получить в результате дальнейшей работы. На рисунке 2 приведена кривая аналитической расчетной зависимости, определенная по вышеизложенной методике.

Пуск двигателя 850 кВт от генератора мощностью 4 МВт

Рисунок 2 – Пуск двигателя 850 кВт от генератора мощностью 4 МВт

4. Реализация схемы автономной системы в среде Simulink

Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы. Интерактивная среда Simulink, позволяет использовать уже готовые библиотеки блоков для моделирования электросиловых, механических и гидравлических систем, а также применять развитый модельно-ориентированный подход при разработке систем управления, средств цифровой связи и устройств реального времени. Дополнительные пакеты расширения Simulink позволяют решать весь спектр задач от разработки концепции модели до тестирования, проверки, генерации кода и аппаратной реализации. Simulink интегрирован в среду MATLAB, что позволят использовать встроенные математические алгоритмы, мощные средства обработки данных и научную графику. Simulink Library Browser (cредство просмотра Библиотеки Simulink) содержит в себе библиотеку блоков наиболее часто используемых для моделирования систем.

В эту библиотеку входят:

Можно выполнять симуляцию динамических свойств системы и просматривать результаты, как только симуляция началась. Чтобы гарантировать заданную скорость симуляции и точность, Simulink предоставляет ODE решатели с фиксированным и переменным шагом, графический отладчик и подпрограмму оценки времени выполнения отдельных функций модели.

Решатели – это числовые алгоритмы интегрирования, которые вычисляют динамику системы в течение определенного промежутка времени, используя информацию, содержащуюся в модели. Simulink предоставляет решатели для симуляции широкого диапазона типов систем, включая системы непрерывного времени (аналоговые), дискретного времени (цифровые), гибридные (смешанный сигнал) и системы с различными периодами дискретизации любого размера. При помощи решателей в Simulink можно выполнять симуляцию жёстких систем и систем с разрывами. Можно задавать опции симуляции, включая тип и свойства решателя, время начала и конца симуляции и выполнять загрузку или сохранение данных симуляции. Можно также настраивать оптимизационную и диагностическую информацию. Вместе с моделью можно сохранять разные опциональные комбинации.

Ключевые особенности Simulink

На рисунке 3 приведена схема автономной системы. Генератор, работающий на активную нагрузку. Данная схема была построена в Simulink и взята за основу в дальнейшем рассмотрении поставленной цели.

Cхема автономной системы. Генератор, работающий на активную нагрузку

Рисунок 3 – Cхема автономной системы. Генератор, работающий на активную нагрузку

Выводы

Результаты диссертационной работы:

1. Проанализировал энергетическую систему ограниченной мощности, а именно: автономную систему электроснабжения на основе СГ, автономную систему электроснабжения ТЭС и АЭС, автономную ПГУ, ГТУ, МиниГЭС.

2. Составил схему электрических соединений, выбрал основное оборудование, рассчитал параметры схем замещения, произвел расчет установившихся режимов работы и токов КЗ.

3. Исследовал включение двигательной нагрузки на генератор соизмеримой мощности без учета сверхпереходных процессов.

4. Смоделировал автономную энергетическую систему в системе Simulink. Исследовал режимы смоделированной системы.

*При написании данного реферата диссертационная работа еще не завершена. Окончательное завершение: май 2017 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. Попель О. С., Туманов В. Л., Возобновляемые источники энергии: состояние и перспективы развития / Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология, АЭЭ, № 2(46) (2007) – 135 с.
  2. Электронный источник: http://lektsii.org.
  3. Магомедов А. М., Нетрадиционные возобновляемые источники энергии, Юпитер, 1996 г., 245 с.
  4. Сыромятников И. А., Режим работы асинхронных и синхронных электродвигателей. Госэнергоиздат, 1963 г.
  5. Ульянов С. А., Электромагнитные переходные процессы в электрических системах, Энергия, 1964 г., 519 с.
  6. Электронный источник MATLAB и Simulink центр компетенций компании Mathworks: http://matlab.ru.
  7. Черных И. В., Simulink: Инструмент моделирования динмических систем, 2008 г.