Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат

Зміст

Вступ

Використання природних поновлюваних енергоресурсів для виробництва теплової та електричної енергії є об’єктивною необхідністю сучасної енергетики. Невичерпність та екологічна чистота поновлюваних джерел енергії (ПДЕ) на тлі стрімкого скорочення запасів органічного палива, все гостріше постають проблеми зміни клімату Землі і забруднення атмосфери, роблять їх найбільш привабливими з усіх існуючих видів енергії. З точки зору діапазону потужностей всі електроустановки, приводним двигуном яких служить енергія вітру або потоків води, можна розділити на електроустановки для великої і малої енергетики. За прийнятою в даний час класифікації до установок класу мікро відносять електростанції встановленою потужністю до 100 кВт. У більшості випадків вони призначені для роботи в автономній системі електропостачання на ізольованого споживача. Більші електростанції, як правило, працюють на електричну мережу. Даний тип електростанцій отримав переважне поширення в економічно розвинених країнах Європи. Відносно невеликі території, висока щільність населення і розвинена інфраструктура роблять даний клас електроустановок економічно привабливішим. Експлуатаційні режим роботи потужних вітро- та гідроелектростанцій близький до оптимального: енергія вітру або потоків води, що знімається з первинного двигуна перетворюється в електричну енергію і передається в електричну мережу. Підвищити ефективність застосування подібних електроустановок можливо тільки за рахунок збільшення коефіцієнта корисної дії перетворення первинної енергії і зниження вартості їх конструкції [1, 2].

1. Акутальність теми

Не заперечуючи перспективності мережевих електростанцій, відзначимо актуальний напрямок використання ПДЕ в децентралізованих системах електропостачання. Низька щільність населення і слабкий розвиток транспортної, енергетичної, виробничої та ін. інфраструктури на більшій частині території країни, очевидно, визначають актуальність і конкурентоспроможність відновлюваної енергетики в децентралізованих зонах. Основною проблемою електроустановок, що використовують ПДЕ, при роботі в складі автономної системи електропостачання є значна мінливість в часі як енергії первинного енергоносія, так і графіка навантаження споживача енергії. І узгодити між собою ці неминучі коливання вхідної і вихідної енергії з об’єктивних причин не представляється можливим. Тому в більшості випадків в складі автономних енергоустановок, що використовують природну відновлювальну енергію, передбачається застосування буферного пристрою накопичення енергії (найчастіше акумуляторної батареї) і резервного джерела енергії (найчастіше дизельної електростанції). У зв’язку з цим, питомі капіталовкладення в електроустановки, що працюють в автономній мережі, виявляються суттєво вище, ніж капзатрати на електростанції, що працюють паралельно з електричною мережею. Однак, при цьому є істотні резерви підвищення ефективності застосування електроустановок, що використовують ПДЕ в автономних системах електропостачання, не тільки за рахунок вдосконалення та розробки нових технічних рішень обладнання станцій, а й за рахунок забезпечення максимально ефективного режиму їх експлуатації [3].

Контур з різними температурними умовами<br>(анімація: 6 кадрів, 10 циклів повторення, 82 кілобайта)

Рисунок 1 – Контур з різними температурними умовами
(анімація: 6 кадрів, 10 циклів повторення, 82 кілобайта)

2. Мета і завдання дослідження

Мета і завдання дослідження: розрахувати процес пуску асинхронного двигуна від синхронного генератора сумірної потужності в автономній системі потужністю в кілька мегават.

Об’єкт дослідження: перехідні процеси при пуску рухового навантаження в автономній системі електропостачання в різних режимах роботи.

Предмет дослідження: параметри, що визначають характер процесу пуску рухового навантаження в автономній системі електропостачання в різних режимах роботи.

3. Розрахунок пуску асинхронного двигуна від генератора сумірної потужності.

Розрахунок процесу пуску асинхронного двигуна від синхронного генератора сумірної потужності в автономній системі потужністю в кілька мегават зробити досить складно, а тим більше з урахуванням усіх діючих факторів. Допустиму потужність двигуна за умовами пуску можна визначити декількома способами, але з великою точністю розрахувати зміну основних режимних параметрів в процесі пуску не вийде. З метою спрощення методики розрахунку вводяться такі припущення, засновані на результатах випробувань: до уваги не береться сверхперехідний процес, так як він триває всього 2-3 періоду, тобто набагато менше, ніж весь пуск; частота обертання ротора турбогенератора вважається постійною (насправді вона змінюється, але в межах зони нечутливості регулювання турбіни, тобто всього на 3-4%).

При аналізі перехідних процесів синхронних генераторів враховуються також такі припущення: відсутність активних опорів елементів системи; відсутність насичення магнітної системи генератора. Основною величиною, що визначає характер процесу пуску і зміни інших параметрів, є напруга статора генератора. Для його визначення запишемо диференціальне рівняння ланцюга обмотки збудження генератора в системі відносних одиниць у вигляді:

<
form1

де Eqe – е. р. с., обумовлена вимушеним струмом збудження: при автоматичному регулюванні збудження вона є змінною величиною.

Знайдемо е. р. с. синхронного генератора з урахуванням прийнятих припущень:

form2

З іншої сторони,

form3

Опір зовнішнього ланцюга

form4

де xн – опір попереднього навантаження генератора, xк – опір двигуна, що запускаємо.

Численні досліди показали, що напруга генератора внаслідок швидкодії АРЗ відновлюється до номінального значно раніше моменту різкого збільшення опору пускаємого від нього двигуна. Тому при розрахунку зміни напруги генератора можна приймати опір пускаємого двигуна постійним і рівним в відносних одиницях наведених до номінальних параметрів генератора:

form5

Таке припущення значно спрощує розрахунки і, головне, дозволяє знайти аналітичне вираження для визначення зміни напруги статора генератора при пуску від нього асинхронного двигуна.

Підставивши (3) в (2), отримуємо:

form6

Аналогічно для перехідної е. р. с. генератора запишемо:

form7

де

form71

Підставивши в (1) замість Eq і Eq' їх висловлювання з (6) і (7) і виконавши ряд перетворень, отримуємо остаточний вид диференціального рівняння:

form8

В цьому рівнянні прийнято:

form9
form10

Залежність наростання напруги збудження при форсуванні для збудника електромашинного типу з самозбудженням замінимо експоненційною функцією з деякою постійною часу Te

form11

де t1 – час запізнювання дії АРЗ, побічно враховуюче той проміжок часу, протягом якого протікає перехідний процес в збудника.

Значення Te і t1 зазвичай визначаються з досвіду. Для вітчизняних турбогенераторів з електромашинним збудженням і для типових пристроїв АРЗ можна прийняти Te = 0,3-0,6 сек., t1 = 0,1-0,5 сек. Останнім часом для генераторів, що застосовуються як автономні джерела живлення, широко використовуються системи збудження, виконані на напівпровідниках. Такі системи практично: безінерційні, тобто при форсуванні напруга на кільцях обмотки збудження синхронної машини зростає до граничного значення стрибком. Для розрахунку перехідних процесів можна приймати, що напівпровідникова система збудження є окремим випадком електромашинного збудження, у якого Te = 0 [4, 5].

Застосувавши рівняння Горева – Парку для синхронної машини без демпферних обмоток з чисто індуктивним навантаженням, з урахуванням (11) отримуємо тимчасову залежність зміни струму збудження:

form12

де If0 – струм збудження генератора до моменту форсування; ΔIfпр=Ifпр - If0 – збільшення струму збудження генератора при форсуванні до граничного струму збудження.

З урахуванням прийнятих вище припущень в відносних одиницях Eqe = Ift. Підставивши вираз для струму збудження (12) замість Eqe в диференціальне рівняння (8) і вирішивши останнє, знаходимо аналітичний вираз, що визначає зміну напруги генератора при пуску від нього асинхронного двигуна сумірної потужності:

form13

де U0 – значення напруги генератора в момент включення двигуна;

При частоті обертання ротора, що дорівнює 70-80% номінальної, повний активний опір асинхронного двигуна сумірний з індуктивним і впливає на процес пуску.

Відповідно до формули (13) з допомогою математичної програми MathCAD був проведений розрахунок для двигуна потужністю 850 кВт і генератора потужністю 4 МВт. В результаті розрахунку було отримано графік схожий з тим, який ми повинні отримати в результаті подальшої роботи. На рисунку 1 наведена крива аналітичної розрахункової залежності, визначена за вищевикладеною методикою.

Пуск двигуна 850 кВт від генератора потужністю 4 МВт

Рисунок 2 – Пуск двигуна 850 кВт від генератора потужністю 4 МВт

4. Реалізація схеми автономної системи в середовищі Simulink.

Simulink – це графічне середовище імітаційного моделювання, що дозволяє за допомогою блок-діаграм у вигляді направлених графів, будувати динамічні моделі, включаючи дискретні, безперервні і гібридні, нелінійні і розривні системи. Інтерактивне середовище Simulink, дозволяє використовувати вже готові бібліотеки блоків для моделювання електросилових, механічних і гідравлічних систем, а також застосовувати розвинений модельно-орієнтований підхід при розробці систем управління, засобів цифрового зв’язку і пристроїв реального часу. Додаткові пакети розширення Simulink дозволяють вирішувати весь спектр завдань від розробки концепції моделі до тестування, перевірки, генерації коду і апаратної реалізації. Simulink інтегрований в середу MATLAB, що дозволять використовувати вбудовані математичні алгоритми, потужні засоби обробки даних і наукову графіком. Simulink Library Browser (Засіб перегляду Бібліотеки Simulink) містить в собі бібліотеку блоків найбільш часто використовуваних для моделювання систем.

В цю бібліотеку входять:

Можна виконувати симуляцію динамічних властивостей системи і переглядати результати, як тільки симуляція почалася. Щоб гарантувати задану швидкість симуляції і точність, Simulink надає ODE вирішувачі з фіксованим і змінним кроком, графічний відладчик і підпрограму оцінки часу виконання окремих функцій моделі.

Вирішувачі – це числові алгоритми інтегрування, які обчислюють динаміку системи протягом певного проміжку часу, використовуючи інформацію, що міститься в моделі. Simulink надає вирішувачі для симуляції широкого діапазону типів систем, включаючи системи безперервного часу (аналогові), дискретного часу (цифрові), гібридні (змішаний сигнал) і системи з різними періодами дискретизації будь-якого розміру. За допомогою решателей в Simulink можна виконувати симуляцію жорстких систем і систем з розривами. Можна задавати опції симуляції, включаючи тип і властивості вирішувача, час початку і кінця симуляції і виконувати завантаження або збереження даних симуляції. Можна також налаштовувати оптимізаційну і діагностичну інформацію. Разом з моделлю можна зберігати різні опціональні комбінації.

Ключові особливості Simulink

На рисунку 2 наведена схема автономної системи. Генератор, що працює на активне навантаження. Дана схема була побудована в Simulink і взята за основу в подальшому розгляді поставленої мети.

Схема автономної системи. Генератор, працюючий на активне навантаження

Рисунок 3 – Схема автономної системи. Генератор, працюючий на активне навантаження

Висновки

Результати дисертаційної роботи:

1. Проаналізував енергетичну систему обмеженої потужності, а саме: автономні системи електропостачання на основі СГ, автономні системи електропостачання ТЕС і АЕС, автономну ПГУ, ГТУ, мініГЕС.

2. Склав схему електричних з’єднань, вибрав основне обладнання, розрахував параметри схем заміщення, провів розрахунок усталених режимів роботи і струмів КЗ.

3. Дослідив включення рухового навантаження на генератор сумірної потужності без урахування сверхперехідних процесів.

4. Змоделював автономну енергетичну систему в системі Simulink. Дослідив режими змодельованої системи.

*При написанні даного реферату дисертаційна робота ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2017 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.

Перелік посилань

  1. Попель О. С., Туманов В. Л., Відновлювані джерела енергії: стан і перспективи розвитку / Міжнародний науковій журнал Альтернативна енергетика та екологія, АЭЭ, № 2(46) (2007) – 135 с.
  2. Електронне джерело: http://lektsii.org.
  3. Магомедов А. М., Нетрадиційні відновлювані джерела енергії, Юпітер, 1996 р., 245 с.
  4. Сиромятніков І. А., Режим роботи асинхронних і синхронних електродвигунів. Госенерговидат, 1963 р.
  5. Ульянов С. А., Електромагнітні перехідні процеси в електричних системах, Енергія, 1964 р., 519 с.
  6. Електронне джерело MATLAB і Simulink центр компетенції компанії Mathworks: http://matlab.ru.
  7. Черних І. В., Simulink: Інструмент моделювання динамічних систем, 2008 р.