«ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

ДИЁРОВ РУСТАМ ХАКИМАЛИЕВИЧ

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ

АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ

МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – к.т.н., доцент М.В. Глазырин Новосибирск –

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АГ – асинхронный генератор ГА – гидроагрегат ГК – генераторный комплекс ГЭС – гидроэлектростанция КПД – коэффициент полезного действия КРМ – контур регулирования мощности КРС – контур регулирования скорости МДП – машина двойного питания НА – направляющий аппарат ОДУ – объединнное диспетчерское управление ПЧ – преобразователь частоты РО – радиально-осевая САР – система автоматического регулирования САУ – система автоматического управления СВУ – система векторного управления СГ – синхронный генератор СХ – статическая характеристика ТК – тиристорный короткозамыкатель ЭЭС – электроэнергетическая система

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРНОГО

КОМПЛЕКСА

1.1 Роль мини-ГЭС в энергосистеме

1.2 Способы управления активной мощностью гидроагрегата мини-ГЭС..... 1.3 Математическое описание системы векторного управления МДП........... 1.4 Обзор и выбор типа гидротурбины

1.5 Статические характеристики радиально-осевой гидротурбины................ 1.6 Выводы

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТУРБИНЫ С

НАПОРНЫМ ВОДОВОДОМ

2.1 Динамические характеристики радиально-осевой гидротурбины с напорным водоводом

2.2 Математическое описание гидротурбины в абсолютных величинах........ 2.3 Математическое описание радиально-осевой гидротурбины в относительных величинах

2.4 Выводы

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Вывод передаточных функции гидроагрегата, управляемого по частоте вращения вала

3.2 Анализ динамических свойств объекта управления

3.3 Выводы

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И

МЕТОДИКИ СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРОВ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС

НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

4.1 Разработка структуры системы управления гидроагрегата мини-ГЭС..... 4.2 Методика синтеза контура регулирования скорости гидроагрегата на основе МДП

4.4 Методика синтеза контура регулирования активной мощности гидроагрегата на основе МДП

4.5 Моделирование динамических режимов работы двухконтурной САР активной мощности гидроагрегата на основе МДП

4.6 Выводы

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

РАБОТЫ ГИДРОАГРЕГАТА С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

ВАЛА

5.1 Описание экспериментальной установки

5.2 Статические характеристики экспериментального гидроагрегата.......... характеристик двухконтурной САР активной мощности

5.4 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

ВВЕДЕНИЕ

Современная электроэнергетика столкнулась с проблемой истощения традиционных энергоресурсов при одновременном росте потребления электроэнергии. В результате, в зимнее время Республика Таджикистан испытывает недостаток электроэнергии. Поэтому назрела необходимость в интенсивном освоении возобновляемых источников энергии. Основным таким источником в Республике Таджикистан являются малые реки, имеющие расход порядка 1 м3/с. Горный рельеф местности позволяет создавать гидросооружения ГЭС с перепадом высот от нескольких десятков до нескольких сотен метров.

Предварительные исследования Таджикско-Норвежского Центра по развитию малой энергетики показывают, что в горных районах Таджикистана технически возможно и экономически целесообразно строительство более 900 мини-ГЭС с мощностями гидроагрегатов от 100 до 3000 кВт [1].

Современная ситуация в республике требует экономичной эксплуатации мини-ГЭС. Это наиболее актуально в зимнее время года, которое характеризуется меньшим расходом воды по руслам реки по сравнению с летним периодом. В то же время, в зимний период потребление электроэнергии возрастает по сравнению с летним. Выходом из данной ситуации является создание или модернизация мини-ГЭС с возможностью изменения выработки электроэнергии в соответствии с суточным графиком электрической нагрузки. Такая мини-ГЭС должна иметь бассейн суточного регулирования для запасания воды ночью. В течение суток электроэнергии, чтобы поддерживать баланс между потребляемой и генерируемой активной мощностью.

осуществляют автоматическое регулирование генерируемой активной мощности Pэ путм изменения открытия направляющего аппарата (НА) гидротурбин. В основном режиме работы гидроагрегата его угловая скорость определяется частотой сети, к которой подключен статор синхронного генератора, а требуемое значение Pэ обеспечивается установкой соответствующего угла открытия НА.

Существенной особенностью такого регулирования Pэ является длительный характер переходных процессов. Время их затухания составляет десятки секунд [2,3,4,5], что обусловлено невозможностью быстрого изменения скорости движения воды в водоводе. Уменьшение Pэ производят путм закрытия НА, что вызывает уменьшение кинетической энергии воды в водоводе. Основная часть энергии торможения воды преобразуется турбиной в механическую работу. В результате, закрытие НА сначала (в течение нескольких секунд) приводит к увеличению Pэ, и только потом начинается желаемое снижение величины Pэ.

Аналогичное изменение регулируемой величины, Pэ, на начальном участке переходного процесса в сторону, противоположную управляющему воздействию, наблюдается и при переходе в режим увеличения Pэ.

компенсировать быстрые нарушения баланса между потребляемой и генерируемой активными мощностями в энергосистеме.

При более интенсивном использовании гидроэнергоресурсов (отсутствие холостых водосбросов, использование аккумулирующей способности водохранилища) воздействие на направляющие аппараты гидротурбин осуществляется автоматически системой регулирования посредством гидроприводов и гидромеханических блокировок, для работы которых необходима маслонапорная установка. Перечисленное оборудование требует квалифицированного обслуживания.

Наиболее подробно было рассмотрено регулирование вырабатываемой мощности гидроагрегата (ГА) и поддержание частоты вращения гидротурбин, в работах авторов Ю.Е. Гаркави, М.И. Смирнов, Л.Я. Бронштейн, А.Н. Герман, Г.С.

Киселев, Г.И. Кривченко, В.Б. Андреев и др. Их теория в основном, рассматривает крупные ГЭС. Приведеные способы регулирования активной мощности предназначены для крупных ГЭС [2,3,6,7,8].

[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18], входит: радиально осевая (РО) гидротурбина, генератор, затвор, байпас, система подводящих и отводящих водоводов и сервомоторов направляющего аппарата.

вырабатываемой электроэнергии изменением частоты вращения гидротурбины.

Рассмотренные методы регулирования ГА нецелесообразно применять в миниГЭС, т.к. ГА мини-ГЭС должны работать в автоматическом режиме, не имея дежурного персонала.

Регулирование активной мощности путем изменения угловой скорости вала турбины возможно при использовании асинхронных генераторов с короткозамкнутым ротором (АГ) [19,20,21,22], асинхронных генераторов с фазным ротором (АГФР) [23,20,24,25,26] и синхронных генераторов (СГ) [27,28,29,30].

электроэнергии при переменной угловой скорости вала гидротурбины приводят к двум вариантам построения генераторного комплекса (ГК) [31]: с механическими (дифференциальные редукторы, гидромеханические и пневмомеханические устройства) и электрическими (статические преобразователи частоты (ПЧ)) регуляторами. Оба варианта обеспечивают требуемую стабилизацию параметров вырабатываемой электроэнергии, однако второй, отличающийся простотой механической части ГК, более приемлем. В этом случае ГК может быть построен как на базе АГФР с ПЧ в цепи ротора (машина двойного питания (МДП)), так и по схеме АГ с ПЧ в цепи статора, либо СГ с ПЧ в цепи статора. Мощность ПЧ в цепи ротора АГФР для ГК по схеме МДП прямо пропорциональна частоте скольжения.

Мощность ПЧ в цепи статора АГ (СГ) рассчитана на передачу всей активной мощности генератора, что увеличивает капитальные затраты и потери в ПЧ [32,33,31,34]. В связи со сказанным, целесообразно использовать в качестве генератора машину двойного питания с ПЧ в цепи ротора.

Известные из литературы [35,36,37,38] ГК на основе МДП и системы управления ими ориентированы на их применение в ветроэнергетических установках. Применение в качестве первичного двигателя гидротурбины потребует учета е статических и динамических характеристик при синтезе регуляторов системы управления МДП-генератором гидроагрегата.

Повышение качества электроснабжения потребителей требует повышения манвренности генерирующих мощностей электроэнергетической системы [39].

Для оперативного изменения выработки активной мощности в аварийных режимах работы электроэнергетической системы необходимо обеспечить высокое быстродействие САР активной мощности гидроагрегата по отработке внепланового задания генерируемой активной мощности мини-ГЭС. Это позволит быстрее восстанавливать внезапные нарушения баланса между потребляемой и генерируемой активными мощностями в электроэнергетической системе.

Целью диссертационной работы является повышение быстродействия системы автоматического регулирования активной мощности гидроагрегата за счт применения генератора с переменной частотой вращения вала путм формирования требуемого значения электромагнитного момента генератора.

Для достижения постановленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. На основании сравнительного анализа рабочих характеристик гидротурбин обосновать тип гидротурбин, наиболее пригодный для регулирования активной мощности путм изменения числа оборотов.

2. Получить математическую модель радиально-осевой гидротурбины с напорным водоводом для построения систем управления генерируемой активной мощностью гидроагрегата с переменной частотой вращения вала.

3. Обосновать математическую модель управляемой по ротору МДП, адекватную задаче построения систем регулирования скорости и генерируемой активной мощности гидроагрегата.

4. Разработать методику расчета суммарного момента инерции на валу гидроагрегата и постоянной времени напорного водовода для обеспечения работоспособности гидроагрегата в режиме ограничения электромагнитного момента.

5. Разработать методику синтеза регулятора скорости, позволяющую обеспечить приемлемое по быстродействию и колебательности качество гидромеханических переходных процессов.

6. Разработать методику синтеза регулятора генерируемой активной мощности гидроагрегата.

7. Произвести экспериментальную проверку эффективности предложенных методик синтеза регуляторов.

коэффициентом быстроходности для регулирования генерируемой активной мощности путм изменения числа оборотов.

2. На основании общепринятой модели радиально-осевой гидротурбины с напорным водоводом получена модель, предназначенная для моделирования режимов работы с переменной частотой вращения вала, адекватная задаче построения системы регулирования скорости гидроагрегата.

3. Получены расчтные соотношения для выбора постоянной времени напорного водовода и момента инерции гидроагрегата из условий устойчивости и апериодического характера переходных процессов в режиме ограничения электромагнитного момента генератора.

4. На основании метода последовательной коррекции разработана методика синтеза регуляторов скорости и генерируемой активной мощности гидроагрегата.

1. Разработанная методика синтеза регуляторов скорости и генерируемой активной мощности гидроагрегата может быть применена при создании гидроагрегатов мини-ГЭС на основе МДП, подключенной по цепи статора к электроэнергетической системе.

электроэнергетической системы. Предложенная САР позволит снизить объм холостых водосбросов за счт использования аккумулирующей способности водохранилища.

3. Результаты исследования динамических характеристик гидроагрегата в режиме ограничения электромагнитного момента МДП-генератора позволяют выработать рекомендации по выбору сечения напорного водовода и расчту момента инерции маховика, устанавливаемого на валу гидроагрегата.

Методы исследований. Диссертационная работа выполнена с применением теории автоматического управления, теории электропривода, теории гидроэнергетики. Проверка работоспособности разработанной САР произведена методом цифрового моделирования в пакете программ Matlab/Simulink и путм натурного эксперимента.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Методика синтеза регуляторов скорости и генерируемой активной мощности гидроагрегата, учитывающая статические и динамические свойства радиально-осевой гидротурбины и инерционность масс воды в напорном водоводе.

2. Методика расчета значений суммарного момента инерции на валу гидроагрегата и постоянной времени напорного водовода, необходимых для сохранения работоспособности гидроагрегата в режиме ограничения электромагнитного момента генератора.

3. Структура САР активной мощности гидроагрегата мини-ГЭС на основе машины двойного питания, работающей на сеть бесконечной мощности.

Личный вклад автора в научные работы, опубликованные в соавторстве с научным руководителем, заключается в постановке частных задач исследования, в разработке САР активной мощности ГА мини-ГЭС, в получении расчтных соотношения для выбора постоянной времени напорного водовода и момента инерции гидроагрегата, в разработке методики синтеза регуляторов скорости и генерируемой активной мощности гидроагрегата на основании метода последовательной коррекции, в исследовании синтезированной САР и анализе полученных результатов. В остальных работах, опубликованных в соавторстве, автором осуществлены постановка задач исследования, выбор методов их решения и анализ результатов.

Реализация результатов работы. Научные результаты, связанные с разработкой ресурсо- и энергосберегающих технологий для гидроагрегатов миниГЭС с возможностью изменения частоты вращения вала, работающих на электроэнергетическую систему, легли в основу создания методики проектирования и реконструкции действующих мини-ГЭС. Данная методика рассматривается для дальнейшего применения в Республике Таджикистан.

Результаты, полученные в диссертационной работе, используются в учебном процессе кафедры «Электропривод и автоматизация промышленных установок»

Новосибирского государственного технического университета (НГТУ):

1. При чтении лекций по курсам: «Автоматизированный электропривод типовых производственных механизмов», «Моделирование электромеханических систем» для студентов 3, 4 и 5 курсов;

2. В научно-исследовательских работах студентов, при выполнении курсовых и дипломных работ.

«Электропривод и автоматизация промышленных установок» при подготовке научно-исследовательских работ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих семинарах и конференциях: XVIII Международной научно-практической конференции студентов и молодых учных «Современные техника и технологии», Томск 2012 г.; Восьмой Международной теплофизической школы «Теплофизические исследования и измерения в энерго- и ресурсосбережении, при контроле и управлении качеством процессов, продукции и услуг» Душанбе – Тамбов 2012 г.; на Днях Науки Новосибирского государственного технического университета (НГТУ) в 2013 г., 2014 г. Отдельные результаты исследования докладывались и обсуждались на кафедре «Электропривод и автоматизация промышленных установок» Новосибирского государственного технического университета (НГТУ).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 6 печатных работ, 4 из которых – в центральных журналах, рекомендованных списком ВАК, – материалы научных конференций.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и четырх приложений; содержит 143 стр. основного текста, включая 90 рисунков, 2 таблицы, и библиографический список использованной литературы из 85 наименований.

В первой главе диссертационной работы произведен обзор силовых схем генераторных комплексов переменного тока, предназначенных для работы при переменной частоте вращения вала на сеть бесконечной мощности. По результатам обзора предложена силовая схема на основе МДП. Данная силовая схема широко применяется в ветроэнергетических установках, работающих на сеть бесконечной мощности.

Современные системы управления электромагнитным моментом и активной мощностью МДП строятся как системы векторного управления (СВУ) с ориентированием результирующего вектора токов ротора по вектору потокосцепления статора асинхронной машины. СВУ позволяет регулировать активную мощность МДП со стороны генератора путм изменения его электромагнитного момента независимо от частоты вращения вала.

Произведн анализ рабочих характеристик гидротурбин. Показано, что для эффективной работы ГА мини-ГЭС следует применять гидротурбины радиальноосевого (РО) типа с низким коэффициентом быстроходности. При повышении частоты вращения ГА центробежная сила увеличивает противодавление, препятствующее прохождению воды через направляющий аппарат турбины на рабочее колесо, что позволит наполнять водохранилище ГЭС во время суток, когда потребление электроэнергии минимально.

Вторая глава посвящена математическому описанию гидроагрегата (ГА) мини-ГЭС как объекта управления.

Автором предложен новый взгляд на математическое описание и управление ГА, который позволяет спроектировать САУ с высоким быстродействием по генерируемой активной мощности.

Математическое описание радиально-осевой гидротурбины при переменной частоте вращения ГА получено на основании применяемой проектными организациями модели гидротурбины, работающей на одном валу с синхронным генератором при постоянном значении частоты сети.

Предлагаемая математическая модель составлена при допущениях о неэластичности стенок водовода, несжимаемости воды и о том, что гидротурбина работает на участке характеристики, где е КПД практически не зависит от частоты вращения вала.

В третьей главе произведена линеаризация динамической модели ГА в малой окрестности рабочей точки. Получены передаточные функции ГА, описывающие его динамические свойства:

1. по угловой скорости вала ГА в зависимости от электромагнитного момента МДП-генератора;

2. по генерируемой активной мощности в зависимости от угловой скорости вала ГА.

Разработана методика выбора параметров объекта управления, обеспечивающая устойчивость и апериодический характер переходных процессов по угловой скорости вала ГА.

Оба эти условия обеспечиваются увеличением суммарного момента инерции ГА и площади поперечного сечения напорного водовода.

Четвертая глава посвящена разработке методики синтеза регуляторов угловой скорости вала и генерируемой активной мощности ГА мини-ГЭС.

Система управления ГА мини-ГЭС построена в виде многоконтурной системы подчиненного регулирования координат. САУ ГА мини-ГЭС содержит внутренний контур регулирования скорости, необходимый для ограничения напряжения на выводах ПЧ со стороны ротора путм ограничения скольжения асинхронной машины, внешний контур регулирования уровня воды в водохранилище и промежуточный контур регулирования активной мощности (Р), от которого требуется к высокое быстродействие при отработке внепланового задания в аварийных режимах работы электроэнергетической системы (ЭЭС).

Разработана методика синтеза регулятора скорости, позволяющая обеспечить приемлемое по быстродействию и колебательности качество гидромеханических переходных процессов.

Разработана методика синтеза регулятора генерируемой активной мощности гидроагрегата.

работоспособности предлагаемой инженерной методики синтеза регуляторов ГА мини-ГЭС в характерных режимах работы.

Результаты моделирования подтвердили адекватность разработанной инженерной методики синтеза регуляторов САР активной мощностью ГА.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований САР активной мощности ГА микро-ГЭС на базе серийной электрической машины постоянного тока.

В приложении к диссертации содержатся технические данные одной из действующих мини-ГЭС Республики Таджикистан, востребованные на этапе цифрового моделирования, а также материалы, подтверждающие внедрение и использование результатов исследований.

ГЛАВА 1. ОБОСНОВАНИЕ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ГЕНЕРАТОРНОГО

КОМПЛЕКСА

В диссертационной работе рассмотрена мини-ГЭС с водохранилищем суточного регулирования, подсоединнная к электрической сети бесконечной мощности. Данный тип гидроэлектростанций является составной частью единой электроэнергетической системы (ЭЭС).

Электрические станции, работающие совместно на общую электрическую сеть, линии передачи, повышающие и понижающие подстанции, составляют ЭЭС.

Высоковольтные линии электропередачи, связывая между собой отдельные системы, позволяют создавать объединенные энергосистемы. Для назначения режима и оперативного управления работой ГЭС и сетей организованы Объединенные диспетчерские управления (ОДУ) и диспетчерские управления систем.

Мини-ГЭС могут быть использованы в энергосистеме:

1. для выработки электрической энергии;

2. для покрытия небольших пиков электрической нагрузки ЭЭС.

В данной работе рассматриваются только суточные колебания электрической нагрузки энергосистемы (т.к. водохранилище мини-ГЭС мало), которые определяются неравномерным режимом потребления электрической энергии населением. Данные колебания нагрузки происходят при одновременном росте потребления электрической энергии, происходящем вследствие присоединения новых потребителей.

На рисунке 1.1 показан суточный график электрической коммунальнобытовой нагрузки. Суточный график электрической нагрузки характеризуется изменением нагрузки Рнаг в течение суток.

Рисунок 1.1 – График суточной нагрузки энергосистемы.

Данные графики (рисунок 1.1) приведены для зимнего и летнего времени. Из графиков видно, что пик нагрузки приходится на утреннее и вечернее время. В зимнее время расход электроэнергии больше чем в летнее время года. Вместе с тем, зимой водосток в разы меньше чем летом.

Осенний - зимний водосток одной из крупных рек, которая характеризует весь водосток Таджикистана, представлена на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 – Среднегодовой речной сток реки Вахш за 39 лет сконцентрированы все крупные ГЭС. Река Вахш имеет ледниково-снеговое питание с водосборной площади равной 39 тыс. кв. км, при отметках горизонтов воды в начале 1151 и 316 у устья и длине 355 км. В средних числах октября устанавливается меженное (минимальный водосток) состояние реки с расходами порядка 150-250 м3/сек. Максимальные расходы воды на реке Вахш - могут изменяться от 1780 м3/с (30. 05. 1951г.) до 3780 м3/с. (10. 07. 1953г.). Из рисунка 1.2 видно, что основной сток воды реки Вахш приходит в период с мая по сентябрь и составляет 76,0 % от годового стока [40]. Отсюда следует, что в зимний период водосток рек уменьшается, а потребность электроэнергии увеличивается (рисунок 1.1), а при проектировании мини-ГЭС для расчетов берут зимний сток воды, что занижает установленную мощность мини-ГЭС.

генерируемую активную мощность и покрывать суточный график электрической нагрузки энергосистемы, необходимо строить мини-ГЭС с водохранилищем суточного регулирования, для покрытия пиков электрической нагрузки энергосистемы.

минигидроэлектростанций в покрытии максимума нагрузки системы, снизить потребность в мощности других электростанций и улучшить режим их работы. В меженный период при круглосуточной работе на постоянном приточном расходе гидроэлектростанция может развивать сравнительно небольшую мощность. При работе с суточным регулированием мини-ГЭС с суточным водохранилищем в часы пиковой нагрузки развивает повышенную мощность, а в часы минимальной нагрузки снижает свою мощность и аккумулирует воду в водохранилище.

1.2 Способы управления активной мощностью гидроагрегата мини-ГЭС Существуют несколько вариантов регулирования активной мощности миниГЭС. Рассмотрим поочередно все варианты.

Балластным сопротивлением. На автономных мини-ГЭС устанавливают гидротурбины без маслонапорных установок, направляющий аппарат устанавливают на номинальный режим работы гидротурбины, что не позволяет экономить воду при малом потреблении электроэнергии. В качестве генератора используют машины переменного тока. Автономные мини-ГЭС, как правило, не имеют дежурного персонала. Изменение генерируемой активной мощности Pэ производится вручную воздействием на направляющие аппараты гидротурбин во время текущего осмотра оборудования мини-ГЭС. Баланс между генерируемой и потребляемой активными мощностями обеспечивается путм «выбрасывания»

излишней вырабатываемой электроэнергии на реостаты [41,42,43]. Уровень воды в верхнем бьефе водохранилища ограничивается путм холостого водосброса.

Данный способ регулирования вырабатываемой электроэнергии не энергоэффективнен.

Регулирование активной мощности с помощью НА. Рассмотрим мини-ГЭС с одним ГА на основе СГ, подключенного к сети бесконечной мощности.

Мощность СГ очень мала по сравнению с сетью бесконечной мощности.

Изменение режима работы СГ не может практически повлиять на величину напряжения или частоты электроэнергетической системы. При параллельной работе СГ с сетью бесконечной мощности напряжение U С и частота fС на выводах СГ жестко заданы режимом всей сети и не зависят от тока возбуждения, тока нагрузки и мощности самого СГ [44].

Итак, частота вращения СГ определена частотой сети бесконечной мощности, что следует из соотношения где рп - число пар полюсов СГ.

Мини-ГЭС, как правило, не имеют дежурного персонала. При работе СГ параллельно с сетью бесконечной мощности наиболее часто реализуются два режима:

1. первый режим характеризуется изменением (регулированием) активной мощности генератора при постоянном возбуждении;

2. второй режим характеризуется изменением возбуждения (регулированием реактивной мощности) при постоянстве активной мощности генератора.

При параллельной работе СГ с сетью бесконечной мощности изменение (увеличение / уменьшение) генерируемой активной мощности, вырабатываемой СГ, производится двумя способами:

1) вручную воздействием на НА гидротурбин, во время текущего осмотра оборудования мини-ГЭС;

2) в автоматическом режиме воздействием на НА с помощью гидроприводов.

Регулирование активной мощности ГА с помощью НА не позволяет получить высокое быстродействие, которое ограничено гидромехначеской инерцией системы.

Синхронный генератор с двухзвенным ПЧ. Регулирование активной мощности при переменой частоте вращения вала можно осуществить с помощью СГ с двухзвенным преобразователем частоты (ПЧ) в цепи статора. Данные системы обладают большим быстродествием, но имеют существенный недостаток: мощность ПЧ в статоре СГ рассчитана на передачу всей мощности генератора, что увеличивает капитальные затраты и электирческие потери.

Одним из вариантов решения этой проблемы является использование асинхронных генераторов с фазным ротором (АГФР). Требования к стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии при переменной частоте вращения вала ГА приводят к варианту построения ГК с электрическими регуляторами [45].

В нашем случае ГК может быть построен на базе АГ с ПЧ в роторной цепи (машина двойного питания).

Машиной двойного питания. Принципиально новые возможности для быстрого изменения генерируемой активной мощности, Pэ, предоставляют генераторные комплексы на основе машины двойного питания.

исследователей, работающих в области систем генерирования электроэнергии.

Общее признание в этом направлении получили работы А.А. Иванова, Ю.Д.

Зубкова, С.К. Бохяна, В.И. Радина, И.Д. Торопцева, M.Л. Костырева, А.В.

Новикова и др. [19,25,27,24,46,20,47,23,48,49].

Новый этап в исследовании асинхронных ГК связан с использованием для этой цели МДП. Благодаря широким регулировочным возможностям МДПгенератор занимает равноправное место в ряду альтернативных ГК, а по некоторым показателям имеет существенные преимущества. Глубокие научные и практические исследования в области МДП проведены научным коллективом ВИИИ электроэнергетики под руководством М.М. Ботвинника и Ю.Г. Шакаряна, отражены также в работах Г.Б. Онищенко, В.Г. Титова, А.Е. Загорского и др.

ученых [35,50,51,52,53,54,36,55,56]. Новые перспективы пременения МДПгенератор получил благодаря последним достижениям в области силовой электроники, созданию современных преобразователей частоты, которые обеспечивают практически синусоидальную форму токов в фазах электрической машины.

Работы по исследованию и внедрению МДП-генератора в ветроэнергетику, судовые валогенераторные установки ведутся и за рубежом. Например, в Японии фирмой Hitachi, в Норвегии - ABB KraftAs и ABB Corporate Research, в Австралии -Rainbow Power Company, в Германии - AKW, Siemens [57,31]. Накоплен значительный мировой опыт в разработке и исследовании МДП-генераторов.

В данной работе задача построения системы автоматического управления активной мощностью МДП-генератора для гидроагрегата мини-ГЭС рассматривается в свете проблемы создания автоматического электропривода, работающего в генераторном режиме, как базового элемента автоматизированной системы управления [58] технологическим процессом выработки электроэнергии в объединнной электроэнергетической системе Таджикистана.

Упрощенная силовая схема ГК на основе МДП показана на рисунке 1.3.

Генератор представляет собой асинхронную машину с фазным ротором (АМ), полупроводникового преобразователя частоты (ПЧ) [24,31,59]. Напряжение ПЧ по цепи ротора АМ практически прямо пропорционально частоте скольжения.

Изменяя частоту питания ротора, можно регулировать угловую скорость вала генератора при синхронной работе ГК с прилегающей энергосистемой. Это позволяет регулировать мощность Pэ, отдаваемую в сеть.

ветроэнергетических установках, имеющих диапазон регулирования примерно 1:2. ПЧ строят по силовой схеме, позволяющей передавать активную мощность в обоих направлениях. Установленная мощность ПЧ прямо пропорциональна максимально допустимой частоте скольжения. Данный ГК позволяет в темпе электромагнитных переходных процессов регулировать Pэ путм изменения электромагнитного момента генератора. Таким образом, появляется возможность в десятки раз уменьшить время переходных процессов Pэ t по сравнению с эксплуатируемыми в настоящее время ГК на основе синхронных генераторов работающих параллельно с сетью.

Основное преимущество мини-ГЭС на базе машины двойного питания состоит в том, что управление генератором осуществляется за счт преобразования не всей, как в СГ с двухзвенным ПЧ, а лишь части электрической энергии, от мощности генератором.

В Российской научно-технической литературе вопросы построения систем управления асинхронной машиной с фазным ротором при помощи ПЧ в цепи ротора рассмотрены в работах научных коллективов под руководством М.М. Ботвинника, Ю.Г. Шакаряна и, в последние два десятилетия, О.С. Хватова.

Данная силовая схема широко применяется в ветроэнергетических установках, работающих на сеть бесконечной мощности. Регулирование генерируемой активной мощности производится изменением частоты вращения ветротурбины.

В своих работах авторы предшествующих работ рассматривали два алгоритма управления: для автономного режима и для работы на энергосистему мощность, которой превышает мощность МДП в 10 раз [31]. Предлагаемые ими алгоритмы больше всего подходят к двигателям внутреннего сгорания, ветроустановкам и к мини-ГЭС с активными гидротурбинами, где изменение М э никак не влияет на гидросистему.

Был проведен анализ работ научной группы О.С. Хватова. Были выявлены следующие не решенные вопросы.

В системе управления МДП в качестве ПЧ был выбран двухзвенный АИТ, что является недостатком данной силовой схемы – низкое быстродействие по М э вследствие инерционности дросселя (рисунок 1.4).

Авторами предшествующих работ не решены следующие задачи:

- не изучены и не учтены статические характеристики гидротурбины;

- не учтены динамические свойства гидротурбины с водоводом, а именно, не принята во внимание кинетическая энергия воды в водоводе;

- рассмотренная система управления МДП не ограничивает скольжение асинхронной машины в установившихся и динамических режимах;

- не разработана методика синтеза регуляторов скорости и активной мощности.

Рисунок 1.4 – Функциональная схема ГА на основе МДП с АИТ Необходимо продолжение этих работ в направлениях, связанных с анализом автоматического регулирования МДП-генератора, влиянием на характеристики генератора типа преобразователя частоты и др. Взаимодействие гидротурбины и МДП исследовано недостаточно.

По результатам произведнного обзора в ГА мини-ГЭС предлагается применять систему векторного управления (СВУ) на основе машины двойного питания [37,60]. Современные СВУ электрическими машинами переменного тока, характеризуются высоким быстродействием по электромагнитному моменту.

Постоянная времени СВУ МДП по электромагнитному моменту, а соответственно и по активной мощности, для современных СВУ электрическими машинами переменного тока большой мощности составляет от 0,005 до 0,02 сек.

Противо-ЭДС ротора прямо пропорциональна величине абсолютного скольжения асинхронной машины. Поэтому выходное напряжение, на которое должен быть рассчитан преобразователь частоты, определяется преимущественно величиной максимального скольжения из рабочего диапазона скоростей. Кроме того, за счт управления током ротора асинхронной машины можно обеспечить минимум суммарных потерь.

Итак, МДП с СВУ характеризуются высокой экономичностью при работе на околосинхронных частотах вращения ротора асинхронной машины. Обычно частота вращения ротора изменяется от -40% до +30% от синхронной скорости.

Эти требования определяют диапазон варьирования мощности силового преобразователя - в пределах 30 40% от номинального значения мощности МДП-генератора. Применение машины двойного питания особенно эффективно там, где требуется длительная работа на скоростях, превышающих синхронную для генератора, и полной, в частности, номинальной механической нагрузке [31].

В этих режимах МДП генерирует по цепям статора и ротора электрическую энергию. В режимах, где МДП работает ниже синхронной скорости, МДП генерирует по цепи статора электрическую энергию, а по цепи ротора потребляет.

Вследствие ограниченной мощности современных ПЧ, создание ГК на основе МДП перспективно, в первую очередь, для мини-ГЭС.

Автором ставится задача исследовать возможности регулирования основных технологических параметров мини-ГЭС путм изменения частоты вращения гидроагрегата.

Обзор справочной литературы по гидротурбинам [12,13,14] показывает, что для гидротурбин с жстко закреплнными лопастями увеличение угловой скорости примерно в два раза по сравнению с номинальной, приводит к снижению мощности, развиваемой гидротурбиной, до нуля (рисунок 1.5) [61].

Цель регулирования частоты вращения ГА в основном режиме поддержание максимального значения напора мини-ГЭС, но без холостого водосброса.

Управляющее воздействие на ГА в таких мини-ГЭС – электромагнитный момент генератора M э.

Рисунок 1.5 – Характеристики РО гидротурбины.

- относительное открытие НА; / H - относительный КПД;

Система автоматического регулирования (САР) угловой скорости ГА должна быть внутренним контуром регулирования в САР генерируемой активной мощности Pэ (рисунок 1.6). Быстродействующий внутренний контур – САР необходим, прежде всего, для ограничения в переходных процессах при внезапных внеплановых заданиях по мощности Pэ. Поскольку напряжение на выводах ПЧ по цепи ротора АМ практически прямо пропорционально частоте скольжения, ограничение минимальной и максимальной величин позволит защитить ПЧ от превышения допустимых значений напряжения по цепи ротора.

ветроэнергетических установках. МДП с СВУ имеет каналы воздействия для управления передаваемой в сеть активной и реактивной мощностями.

Система векторного управления электропривода на основе машины двойного питания представляет собой двухканальную САУ. Управляющими воздействиями в ней являются компоненты вектора сигналов задания на токи, либо напряжения ротора генератора. При этом одна из компонент вектора используется для регулирования скорости (момента).

РС САР АИН

Задача построения контуров регулирования и синтеза регуляторов системы управления активной мощностью ГА мини-ГЭС на основе МДП требует математического описания процессов в электрической машине и преобразователей электрической энергии уравнениями их двухфазной модели.

Переменными данной модели должны являться регулируемые координаты СВУ и проекции вектора управляющих воздействий на оси декартовой системы координат, вращающейся синхронно с полем двигателя.

1.3 Математическое описание системы векторного управления МДП Машиной двойного питания в данной работе называется асинхронная машина с фазным ротором, управляемая с помощью преобразователя частоты, причм статор генератора подключен к сети переменного тока, а ротор - к выходам преобразователя. Асинхронная машина может быть как серийной, с трхфазными обмотками, так и специально спроектированной, в частности, иметь двухфазную обмотку на роторе.

Асинхронный генератор с фазным ротором является неявнополюсной симметричной в магнитном и электрическом отношении машиной. Его математическое описание во вращающейся с произвольной угловой скоростью k декартовой системе координат может быть представлено следующими векторноматричными уравнениями:

Уравнение равновесия напряжений статорной цепи Уравнение равновесия напряжений цепи ротора Уравнения магнитной цепи Выражение для электромагнитного момента двигателя Здесь s  , r,U s,U r, I s, I r - двумерные векторы-столбцы потокосцеплений, напряжений и токов вида X i [ xi1, xi 2 ]T ; xi1, xi 2 - компоненты вектора X i, являющиеся его проекциями на соответствующие оси декартовой системы координат 1,2. Индекс i означает, что переменная относится к обмотке статора i s или ротора i r ; T - символ транспонирования вектора-столбца. m вектор потокосцеплений, характеризующий магнитный поток в воздушном зазоре, m [  m1, m 2 ]T. D - матрица преобразования вектора-столбца, Rs, Rr - активные сопротивления обмоток статора и ротора, Lm - главная индуктивность двигателя, Ls, Lr - собственные индуктивности обмоток статора и ротора, где L s, L r - индуктивности рассеяния. - скорость вращения системы координат 1, 2 относительно ротора, При условии, что система координат 1, 2 вращается синхронно с магнитным полем статора, в (1.7) является частотой скольжения. М Э - электромагнитный момент, с - конструктивная постоянная генератора. Далее в работе будем полагать, что двухфазная модель асинхронного генератора составлена с использованием инвариантного по мощности преобразования физических переменных [62]. Тогда c pn.

Уравнение механического движения имеет вид где M T - момент гидротурбины, М Э - электромагнитный момент МДПгенератора, a J - суммарный момент инерции ГА, приведнный к валу генератора.

Уравнения (1.1) - (1.6) математического описания асинхронного генератора с фазным ротором составлены в системе общепринятых допущений [24,62]:

1. обмотки статора и ротора электрической машины расположены симметрично относительно оси вращения, а также относительно друг друга при любом угловом положении вала;

2. взаимные индуктивности фаз статора и ротора являются гармоническими функциями углового положения ротора; неравномерность воздушного зазора, обусловленная пазами, не учитывается;

3. характеристика намагничивания является кусочно-линейной;

4. не учитывается эффект вытеснения тока и активное сопротивление цепи намагничивания;

5. нет демпферных контуров на роторе;

6. отсутствуют мкости внутри обмоток и между ними, а следовательно, энергия электростатического поля принимается равной нулю.

При построении системы регуляторов электропривода в качестве силовых воздействий на генератор со стороны управляющей части ГА мини-ГЭС будем рассматривать средние за период коммутации силового преобразователя значения токов ir1, ir 2 либо напряжений ur1, ur 2. Указанные переменные представляют собой проекции обобщнных векторов тока, либо напряжения ротора, соответственно, на оси 1, 2 вращающейся синхронно с полем генератора ортогональной системы координат. Современный уровень развития полупроводниковой и преобразовательной техники позволяет строить системы электроприводов переменного тока, в которых в качестве управляющих воздействий выступает обобщнный вектор тока, либо напряжения на выходе силового преобразователя [63,62,51,56]. Это означает, что быстродействие систем регулирования токов (напряжений) таких ЭП как минимум на порядок выше быстродействия внешних контуров регулирования ГА мини-ГЭС.

Построение систем векторного управления ЭП будем производить, считая преобразователь электрической энергии безынерционным элементом САУ электропривода. Математическое описание системы регулирования токов ротора асинхронного генератора примем в виде где kУТ - коэффициент усиления "безынерционного" источника тока;

I rz [ir1, ir 2 ]T ; ir1, ir 2 - сигналы задания токов на выходе внешних регуляторов СВУ.

регулирования напряжений:

здесь kУН - коэффициент усиления источника напряжения;

ur1, ur 2 - напряжения на выходе внешних регуляторов системы векторного управления МДП.

Электромагнитный момент M Э генератора определяется произведением величины тока ротора I r (1.9) и амплитуды потокосцепления статора S.

Следовательно, в режимах работы ЭП со стабилизацией магнитного состояния ( s const ) мгновенное значение M Э будет прямо пропорционально ir 2 и выражение для M Э будет иметь вид, где k s - безмерный коэффициент, ks m Математическое описание (1.11) системы регулирования электромагнитного момента асинхронного генератора примем в виде, электромагнитного момента кМ pn s, M Э - напряжение на выходе внешнего регулятора СВУ.

На рисунке 1.7 представлена мини-ГЭС, которая состоит из водохранилища суточного регулирования, напорного водовода и гидроагрегата. Гидроагрегат состоит из гидравлической турбины и генератора переменного тока.

Гидротурбина – это гидравлический первичный двигатель, предназначенный для преобразования подводимой к нему энергии потока в механическую энергию на его валу. Таким образом, гидравлическая энергия сначала преобразуется в гидротурбине в механическую, а затем при помощи генератора переменного тока - в электрическую энергию [64].

Одной из проблем при проектировании мини-ГЭС является выбор гидротурбины.

Мощность гидротурбины PT, равна произведению момента гидротурбины М Т на угловую скорость ГА Мощность гидротурбины изменяется при изменении расхода воды Q и напора H. Выражение для расчета мощности гидротурбины имеет вид [64,11,65] где H - напор воды, подведенной к гидротурбине, м; Q - расход воды, м3 / с ;

Т - коэффициент полезного действия (КПД) гидротурбины.

Величина КПД гидротурбины зависит от ее конструкции и размеров и изменяется при изменении нагрузки гидротурбины. Для малых гидротурбин диаметром примерно 1м наибольшая величина КПД составляет 0,88 – 0,91.

Номинальная мощность РТН определяется при номинальном напоре Н Н и номинальной пропускной способности QН.

установившихся режимах мощность генератора равна мощности гидротурбины за вычетом потерь в генераторе, где ген - КПД генератора.

При выборе гидротурбин необходимо обратить внимание на то, что гидротурбины делятся на два типа:

кинетическом виде (рисунок 1.8. а) - реактивные гидротурбины (рисунок 1.8. б, в) используют преимущественно потенциальную часть энергии потока.

Активные гидротурбины (рисунок 1.8. а). Конструктивной особенностью турбин этого типа является то, что они работают от свободной струи при нормальном атмосферном давлении. Сопло направляет воду на лопасти рабочего колеса, которые имеют форму ковша, и вся энергия в сопле обращается в кинетическую энергию.

Активные турбины работают, таким образом, за счет кинетической энергии и применяются лишь при больших напорах, от 40 до 800 метров.

Реактивные гидротурбины. Реактивные гидротурбины работают, главным образом, за счет энергии давления.

Реактивные гидротурбины делятся на два типа, осевые гидротурбины и радиально-осевые гидротурбины. Осевые турбины в свою очередь делятся на пропеллерные и поворотнолопастные (рисунок 1.8. б). В осевых турбинах поток в меридиональной плоскости в зоне лопастей рабочего колеса имеет осевое направление, а в радиально-осевых гидротурбинах – радиально-осевое направление [66].

а – ковшевая, б – пропеллерная, в – радиально-осевая Сохраняя энергию по мере возможности в потенциальной форме до самого момента ее преобразования в механическую энергию, турбины этого типа имеют высокую интенсивность использования энергии потока и весьма высокий КПД.

В настоящее время реактивные гидротурбины являются самым распространенным типом турбин, охватывающим область напоров от 1,5-2 до 350 м [11].

Каждый тип гидротурбин соответствует определенному диапазону напора и расхода воды и имеет свою преимущественную область применения.

Путем возведения гидротехнических сооружений возможно создавать самые разнообразные напоры от минимального до максимального значения, которое ограничивает рельеф местности вблизи водотока.

Гидротурбины должны обладать способностью обеспечивать использование сконцентрированной энергии, без каких либо ограничений по напору в указанной области его изменения и с высоким КПД эти требования удовлетворяются следующими системами гидротурбин, характеризуемые в основном конструкцией рабочего колеса:

- пропеллерными и поворотно-лопастными – при напорах от 1,5 до 40 м и выше;

- радиально-осевыми – при напорах от 20 до 350 м;

- ковшевыми – при напорах от 200 до 1500 м и выше.

Данные турбины выполняются как с горизонтальным, так и с вертикальным расположением вала.

Рассмотрим принципиальные формы универсальных характеристик различных систем турбин и типов их рабочих колес.

а. Ковшевые турбины. На рисунке 1.9 изображена универсальная характеристика ковшевой гидротурбины, для которой характерно то, что кривые постоянных КПД имеют форму эллипсов с большой полуосью вдоль оси Q, и с изменением приведенных оборотов n' значения КПД сильно уменьшаются. На рисунке 1. показаны основные габариты ковшевой гидротурбины.

Рабочая характеристика ковшевой турбины имеет пологую форму. Кривые постоянных открытий на универсальной характеристике изображаются в виде вертикальных прямых. Объясняется это тем, что расход воды не зависит от оборотов турбины, а зависит только от открытия сопла и от напора, под которым происходит истечение.

Рисунок 1.9 – Универсальная характеристика ковшевой гидротурбины б. Радиально-осевые гидротурбины с низким коэффициентом быстроходности ns 45 150. Турбины одной и той же системы имеют разные типы рабочих колес. Каждая система турбин имеет тихоходные, нормальные и быстроходные колеса. На рисунке 1.10, изображена универсальная характеристика радиальноосевой гидротурбины с низким коэффициентом быстроходности, а на рисунке 1.14.б показаны основные габариты. Такие колеса имеют малые отношения b0 D1. Входные кромки лопастей колеса находятся вблизи выходных концов лопаток направляющего аппарата и имеют почти вертикальное расположение, а длина лопастей по линии тока относительно велика. Число лопастей рабочего колеса тоже велико – от 17 до 21. Касательные к кривым постоянных открытий образуют с прямой, параллельной оси Q, тупой угол.

Расход воды зависит, как от частоты вращения гидротурбины, так и от открытия НА.

Рисунок 1.10 – Характеристики радиально-осевой гидротурбины с низким в. Радиально-осевая гидротурбина со средним коэффициентом быстроходности ns 145 260. На рисунке 1.11 изображена универсальная характеристика радиально-осевой гидротурбины со среднем коэффициентом быстроходности, а на рисунке 1.14.в показаны е основные габариты.

Рисунок 1.11 – Характеристики радиально-осевой гидротурбины со средним Колеса нормальных радиально-осевых турбин имеют более высокое значение b0 D1 по сравнению с колесами тихоходных турбин. Входная кромка лопастей рабочего колеса располагается почти вертикально. Кривые постоянных открытий приближаются к вертикальным прямым.

г. Радиально-осевые гидротурбины с высоким коэффициентом быстроходности ns 260 400. На рисунке 1.12 изображена универсальная характеристика радиально-осевой гидротурбины с высоким коэффициентом быстроходности, а на рисунке 1.14.г показаны е основные габариты.

Рисунок 1.12 – Характеристики радиально-осевой гидротурбины с высоким Входная кромка лопастей колеса значительно удалена от выходных концов лопаток направляющего аппарата и резко наклонена к оси вала. Длина лопастей по линии тока относительно невелика, а число лопастей рабочего колеса составляет 8-16 шт.

Универсальные характеристики радиально-осевой гидротурбины с высоким коэффициентом быстроходности сжаты вдоль оси Q, и вытянуты вдоль оси n.

Главным недостатком таких характеристик является резкое изменение КПД с изменением мощности турбины, причем кривая пятипроцентного запаса мощности близко подходит к оптимальному значению КПД. Быстроходные радиально-осевые гидротурбины целесообразно устанавливать на тех станциях, для которых по условиям эксплуатации не требуется изменять нагрузки в широком диапазоне. Вытянутость вдоль оси n кривых const позволяет сохранять высокие значения КПД в большем диапазоне за счет изменения напора.

д. Пропеллерные гидротурбины. На рисунке 1.13 изображена универсальная характеристика пропеллерной гидротурбины, а на рисунке 1.14.д изображена форма е проточной части. Пропеллерным турбинам присущи все недостатки радиально-осевых гидротурбин с высоким коэффициентом быстроходности, но только в более резкой форме. Значительное изменение КПД получается уже при малых изменениях мощности, а кривая пятипроцентного запаса мощности проходит вблизи оптимальных значений КПД. Однако положительным эффектом является небольшое изменение КПД в широком диапазоне напоров.

Пропеллерные гидротурбины рационально устанавливать на станциях с большим количеством агрегатов, так как в этих условиях можно будет вести эксплуатацию турбины с малыми изменениями мощности, а значительные изменения мощности всей ГЭС обеспечивать путем включения и выключения одного или нескольких агрегатов.

На рисунке 1.15 изображена группа рабочих характеристик гидротурбин различных типов и быстроходностей. Ковшевые и поворотнолопастные гидротурбины имеют наиболее пологую форму характеристики с относительно малым изменением КПД при колебаниях нагрузки в пределах от 25-30 до 10%.

Радиально-осевые турбины обнаруживают тем большее падение КПД при частичных нагрузках, чем больше их коэффициент быстроходности Рабочие характеристики с увеличением коэффициентом быстроходности приближаются к характеристикам пропеллерных гидротурбин. По этой причине работа радиально-осевых с высоким коэффициентом быстроходности и пропеллерных гидротурбин при частичных нагрузках является в большинстве случаев не экономичной.

Изменение расхода при изменении частоты вращения ГА, иными словами, наклон линий равного открытия на расходных характеристиках, у РО гидротурбин зависит от формы проточной части, т.е. от типа колеса. Влияние типа колеса на положение линий равного открытия можно проследить, сопоставляя универсальные характеристики колес различных типов.

Для радиально-осевых гидротурбин с низким и средним коэффициентом быстроходности характерно уменьшение пропускной способности при увеличении частоты вращения. Это объясняется тем, что их рабочие колеса имеют значительные участки лопастей с радиальным направлением межрадиального потока. При повышении частоты вращения, благодаря поступлению воды через направляющий аппарат в рабочее колесо. У низконапорных и некоторых средненапорных РО гидротурбин, напротив, межрадиального потока. Поэтому при повышении частоты вращения за счет увеличения осевых составляющих скоростей у РО гидротурбин намечается тенденция к некоторому росту пропускной способности при неизменном открытии НА.

На основании обзора технических свойств гидротурбин и условий их эксплуатации, сделан следующий вывод по выбору типа гидротурбин.

Рисунок 1.15 – Рабочие характеристики гидротурбин различных систем и В связи с тем, что основной сток воды (рисунок 1.2) в республике приходится на период с мая по сентябрь и составляет 76,0 % от годового стока, а на остальные потребности в электроэнергии (рисунок 1.1). А при проектировании мини-ГЭС берут зимний сток воды, что существенно занижает установленную мощность мини-ГЭС, и не позволяет ей участвовать в суточном регулировании.

Для кратковременно увеличения выработки активной мощности мини-ГЭС и участия ее в суточном регулировании необходимо:

- строить водохранилища суточного регулирования, что позволит повысить участие мини-ГЭС в покрытии максимума нагрузки энергосистемы, снизить потребность в мощности других электростанций и улучшить режим их работы;

гидротурбину с низким коэффициентом быстроходности, что позволит при снижении величины генерируемой активной мощности Рэ уменьшать расход воды путем увеличения частоты вращения ГА.

Из рисунка 1.5 видно, что при использовании гидротурбин с низким коэффициентом быстроходности, гидротурбина имеет наивысший КПД на основной угловой скорости вала ГА, 1. Рассмотрим главную универсальную характеристику (рисунок 1.5) по линии a 1 которая соответствует номинальному углу открытия НА ГА. Возрастание угловой скорости вала ГА до 1, приводит к уменьшению расхода воды через гидротурбину ( q ) примерно до значения q 0,6 и к уменьшению мощности, развиваемой гидротурбиной ( PТ ) – в 2,4 раза. При уменьшении угловой скорости вала ГА от номинальной вниз до 0,7 расход воды увеличивается до значения q 1,25, а PТ возрастает всего лишь на 16 процентов, вследствие снижения КПД гидротурбины. Дальнейшее уменьшение скорости не имеет смысла, поскольку не приводит к увеличению мощности гидротурбины. При других углах открытия НА ситуация аналогична.

Таким образом, для гидроагрегатов на основе РО гидротурбин с низким коэффициентом быстроходности требуемый диапазон изменения частоты вращения составит примерно 1:2. При таком диапазоне угловых скоростей ГА имеется возможность изменять PТ в диапазоне 1:2,4 без воздействия на НА гидротурбины. При этом имеется возможность в часы минимума электрической нагрузки уменьшать q примерно в 2 раза для запасания воды в водохранилище.

При неизменном притоке воды в водохранилище бльшим значениям соответствуют меньшее значение мощности PЭ и запасание воды; меньшим – бльшее значение PЭ и понижение уровня воды в водохранилище. Такая миниГЭС может автоматически оперативно изменять выработку электроэнергии, поддерживая баланс между генерируемой и потребляемой активными мощностями, и использовать аккумулирующую способность водохранилища для покрытия пиков графика электрической нагрузки.

Цель регулирования частоты вращения ГА в основном режиме – поддержание максимального значения напора мини-ГЭС, но без холостого водосброса.

Управляющее воздействие на ГА в таких мини-ГЭС – электромагнитный момент генератора ( M Э ).

1.5 Статические характеристики радиально-осевой гидротурбины Из теории электропривода известно, что синхронная машина имеет абсолютно жсткую механическую характеристику. Данная механическая характеристика не позволяет ГА изменять частоту вращения.

При неизменной угловой скорости вала ГА, в любой отрезок времени сохраняется равенство между моментами M Э гидроагрегата величину M T можно изменять в широких пределах. Момент гидротурбины изменяется за счет изменения расхода воды на ГА мини-ГЭС.

Момент, развиваемый гидротурбиной, зависит от расхода воды Q, угловой скорости вращения ротора, действующего напора Н и определяется по формуле Из этого выражения видно, что при const момент гидротурбины можно изменять путем изменения расхода воды Q или напора H. В реальных условиях практически невозможно автоматически изменить действующий напор, поэтому момент турбины регулируют изменением расхода воды. Расход воды Q является так называемым параметром регулирования, с помощью которого регулируемая величина (генерируемая активная мощность) поддерживается в заданных пределах. Изменение расхода воды осуществляется регулирующими органами, которые соответствуют типу гидротурбины.

Для перестановки регулирующих органов в гидротурбинах применяются исключительно гидравлические сервомоторы, позволяющие создать необходимые усилия.

Поддержание активной мощности гидроагрегата в заданных пределах при различных нагрузках генератора осуществляется автоматическим регулятором соответствующим образом изменяет расход воды через гидротурбину. Данный способ управления активной мощностью не подходит для мини-ГЭС из-за усложнения механической части гидротурбины и отсутсвия дежурного персонала.

Автором предлагается регулировать активную мощность МДПгенератора путем изменения числа оборотов ГА. Напряжение статора МДП и частота f с электрического тока в цепи статора подедерживается энергосистемой бесконечной мощности.

Путем измениния частоты вращения ГА надо обеспечить регулирование активной мощности РЭ МДП в соответствии с заданием из ОДУ. Равенство между M Э M T обеспечивается при 0. Момент М Т гидротурбины и электромагнитный момент М Э МДП в динамических режимах изменяются. Момент М Э изменяется за счет изменения задания управления, а момент М Т гидротурбины изменяется за счет эффекта саморегулирования, при изменении расхода воды.

Задача автоматического управления ГА мини-ГЭС сводится к тому, чтобы при изменениях сигнала управления быстро отработать сигнал задания по активной мощности МДП. При этом угловую скорость ГА предпологается изменять в диапозоне 1:2.

Мощность, развиваемая гидротурбиной при открытии направляющего аппарата (НА) a const, зависит от расхода Q, действующего напора H и электромагнитного момента М Э МДП и определяется формулой (1.14.) и (1.8.).

Если принять, что в установившехся режимах М Т М Э, то формулу (1.15.) можно записать в таком виде Из этого выражения видно, что при a const угловая скорось ГА и расход гидртурбины можно изменять путем измениня электромагнитного момента М Э МДП. С помощью электромагнитного момента М Э МДП, регулируемая величина (активная мощность РЭ мини-ГЭС) подерживается в заданных пределах. Как известно из практики, в мини-ГЭС практически не втречаются системы автоматического регулирования активной мощности с помощью регулирования расхода воды при зафиксированном открытии НА а аном.

Согласно формуле (1.15), момент гидротурбины является функцией расхода, скорости вращения напора воды и коэффициента полезного действия, т.е.

M T f (Q,, H,T ), если учесть, что расход через гмдротурбину определяется открытием регулирующего органа а, то M T f (a,, H,T ). Эта зависимость называется статической характеристикой гидротурбины. Ее часто называют также моментной характеристикой. Однако представить такую зависимость на одном графике не представляется возможным, поэтому обычно ограничиваются функцией вида M T f (a,,T ), построенной для определенного напора H H. Для других значений напора эта зависимость перестраивается с помощью известных формул пересчета.

Статическая характеристика гидротурбины M T f (a,,T ) может быть построена по данным универсальной характеристики модели гидротурбины, на которой в координатах n1 и Q1', приведенных к 1 м напора и 1 м диаметра рабочего колеса, построены кривые постоянных открытий регулирующего органа aM и кривые постоянных значений коэффициента полезного действия M модели гидротурбины.

Наиболее широкое применение нашли статические характеристики (СХ), построенные на основе [67]:

- в осях относительных безразмерных параметров: m - момента, - частоты вращения, h - напора, q - пропускной способности;

- в осях приведнных параметров M 'I,n'I,Q'I (рисунок 1.16).

Относительные безразмерные параметры определяются соотношениями где М, M H - момент турбины и его номинальное значение, Q, QH - расход воды через турбину и его номинальное значение, Н, H H - напор на турбине и его номинальное значение, H - номинальная угловая скорость вращения.

Соотношениями для расчета приведнных параметров, Статические характеристики (СХ) являются полными в том смысле, что охватывают все режимы, которые могут иметь место при эксплуатации гидроагрегата. По СХ можно наглядно проследить, а также просчитать (с учетом влияния неустановившегося движения жидкости) изменение приведенного расхода, момента и частоты вращения от момента сброса нагрузки с агрегата до его полной остановки.

Для обычных гидротурбин существует три режима: турбинный, разгонный и режим гидравлического торможения. При построении СХ турбин используется иное правило знаков - за положительные принимаются турбинные параметры: по направлению движения жидкости, по направлению вращения вала и знаку момента.

На форму характеристики большое влияние оказывает тип гидротурбины. На рисунке 1.16, показана СХ радиально-осевой гидротурбины.

Прежде всего, стоит отметить различия в характере линий постоянных открытий НА: у РО гидротурбин c низким коэффициентом быстроходности с повышением частоты вращения расход воды уменьшается, что объясняется, эффектом «гидравлического запирания канала», а у осевых турбин, наоборот, повышение частоты вращения сопровождается ростом расхода, обусловленным «насосным эффектом».

Рисунок 1.16 – Полная статическая моментно-расходная характеристика Построение статических характеристик гидротурбины проектируемого ГА ведется следующим образом. Пусть требуется построить характеристику для величины открытия НА, соответствующего aM в модели. Вначале необходимо определить открытие a НА проектируемого ГА, которое соответствует открытию aМ ( aM - определяется из универсальной характеристики физической модели гидротурбины), по формуле где DM диаметр рабочего колеса модели; z и zM число лопаток направляющего аппарата соответственно гидротурбины и модели; aM - открытие НА модели.

Вид универсальной характеристики модели радиально-осевой гидротурбины показан на рисунке 1.17.

nI', об / мин n n Рисунок 1.17 – Вид универсальной характеристики радиально-осевой Затем проводится ряд линий постоянных значений приведенной скорости n11, n12, n13 и т.д. и по выражению (1.18.б) для каждого значения n1 определяется скорость вращения реальной гидротурбины. В точках пересечения этих линий с кривой aM const определяются значения приведенного расхода Q1' и КПД модели T. Далее, для каждого из рассматриваемых значений n1 подсчитывается момент гидротурбины по формуле [16] КПД гидротурбины в выражении (1.20) в первом приближении можно принять равным КПД модели M. Однако для более точного определения момента гидротурбины целесообразно пользоваться эмпирической зависимостью, Точно таким же путем строятся статические характеристики и для других открытий регулирующего органа.

Рассмотрим примерный вид статических характеристик радиально-осевой гидротурбины (рисунок 1.18) при различных открытиях направляющего аппарата a1, a2, a3.

Рисунок 1.18 – Статические характеристики гидротурбины Из графиков видно, что с увеличением скорости вращения турбины ее момент уменьшается. Этим свойством обладают все без исключения типы гидротурбин, и оно называется эффектом саморегулирования. Количественно эффект саморегулирования характеризуется коэффициентом саморегулирования турбины eT, который для заданного режима определяется наклоном касательной, проведенной к кривой постоянного открытия в рассматриваемой точке. Обычно коэффициент eT выражается через относительные величины и определяется по соотношению где M TH и nTH номинальные (расчетные) значения соответственно момента и скорости вращения турбины.

Согласно рисунку 1.18, производная dM T / dn всегда имеет знак минус, т. е.

коэффициент саморегулирования является величиной отрицательной. Следует отметить, что обычно в технической литературе по регулированию гидротурбин коэффициентом саморегулирования называют величину (1.22), взятую с обратным знаком. Данное выше определение коэффициента саморегулирования принято в соответствии с Международным кодом по испытаниям систем регулирования гидротурбин [68].

На основании сделанного обзора мирового состояния развития мини-ГЭС автором предлагается функциональная схема управления мини-ГЭС, приведенная на рисунке 1.19.

регулирования активной мощности ГЭС с одним ГА, тем, что регулирование активной мощности на ГЭС осуществляется за счет изменения частоты вращения ГА. В предлагаемой автором системе регулирования активной мощности, НА Регулирование положения НА производится вручную, настраивается на номинальный режим работы, а регулирование вырабатываемой активной электромагнитного момента М Э генератора (частоты вращения ГА). Мини-ГЭС на основе МДП работает параллельно ЭЭС. Регулирование в предлагаемой системе осуществляется за счет увеличения или уменьшения электромагнитного момента, что позволяет аккумулировать воду, и позволяет ее использовать в пики нагрузки при наличии водохранилища.

Управление оборудованием гидроагрегата обеспечивает цифровое устройство обработки информации (ЦУОИ) (рисунок 1.19), которое принимает все необходимые сигналы от датчиков, являющихся источниками информации в САУ и по заданному алгоритму осуществляет управление.

Исполнительным устройством, регулирующим выработку электроэнергии в соответствии с заданием мощности, является МДП-генератор. Увеличение электромагнитного момента генератора, приводит к уменьшению частоты вращения гидротурбины, результате чего расход воды увеличивается.

механического соединения на ротор генератора электроэнергии. Это приводит к вращению генератора с определенной частотой и выработке электроэнергии.

Полученная электроэнергия поступает в комутационный шкаф (ШК), выполняющего функцию силового выключателя и передается в ЭЭС.

Предлагаемая гидроэнергетическая установка использует свойство гидротурбины уменьшать расход воды и мощность при увеличении скорости вращения для запасания воды в водохранилище во время снижения потребления электроэнергии потребителями. Запасенная вода используется гидроэнергетической установкой при дефиците мощности в энергосистеме.

Верхний бьеф (запасенная энергия) 1. Обоснована необходимость суточного регулирования уровня воды в электроэнергетической системы. Такое регулирование позволит снизить выработку активной мощности других электростанций в часы максимума электрической нагрузки и улучшить режим их работы.

2. Обоснована целесообразность регулирования активной мощности ГА миниГЭС на основе МДП путм изменения частоты вращения вала ГА.

3. Обосновано математическое описание асинхронной машины двойного питания с ПЧ в цепи ротора как объекта управления. Для дальнейших исследований принята безынерционная модель системы векторного управления электромагнитным моментом МДП с источником тока в цепи ротора.

4. Для целей регулирования активной мощности изменением числа оборотов наиболее подходит радиально-осевая гидротурбина с низким коэффициентом быстроходности.

5. Регулирование угловой скорости МДП-генератора в составе ГА потребуется производить в диапазоне не шире, чем 1:2, вследствие нарастающего снижения КПД гидротурбины при отклонении е частоты вращения от основной.

6. Постоянная времени СВУ МДП по электромагнитному моменту, а соответственно и по активной мощности, для современных СВУ электрическими машинами переменного тока большой мощности составляет от 0,005 до 0,02 сек.

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТУРБИНЫ С

НАПОРНЫМ ВОДОВОДОМ

2.1 Динамические характеристики радиально-осевой гидротурбины с В процессе работы мини-ГЭС изменение внепланового задания активной мощности сопровождается гидромеханическим переходным процессом, который вызван изменением электромагнитного момента М Э МДП и изменением расхода гидротурбины.

Для изначальной оценки гидромеханических переходных процессов, возникающих в нормальных эксплуатационных режимах, необходимо предварительно рассматривать алгебраические и дифференциальные уравнения, которые характеризуют режим работы мини-ГЭС.

Особое внимание необходимо уделять гидромеханическим переходным процессам, так как они определяют повышенные динамические нагрузки, возникающие в водоводах и проточном тракте гидравлических машин, и проявляются в форме гидравлического удара.

При переходных процессах после сброса нагрузки гидротурбина проходит прогнозирования этих процессов также необходимы экспериментальные полные статические характеристики турбины, охватывающие все возможные режимы работы.

выполняются для улучшения режимов регулирования, например с целью повышения надежности, и определения быстродействия изменения мощности гидроагрегата и выбора наилучших режимов регулирования. Иногда возникает возможность повысить номинальную мощность гидроагрегата.

Мини-ГЭС не только обеспечивают частичное покрытие графика нагрузки энергосистемы, но и выполняют функцию высокоманевренного резерва мощности. В связи с этим важным их эксплуатационным показателем является быстродействие по изменению активной мощности. Поэтому переходные Естественно, что в этих условиях появляются наибольшие динамические воздействия, проявляющиеся в форме гидравлического удара.

При изменении активной мощности Р t изменяется расход воды, что вызывает гидравлический удар Н t в напорных водоводах и проточном тракте ГА, который приводит к временному падению напора турбины. Здесь важно отметить, что гидравлический удар всегда действует на мощность в направлении, противоположном воздействию изменения электромагнитного момента М Э, что приводит к отставанию изменения мощности, т.е. к снижению быстродействия регулирования [8].

В исследованиях, связанных с малыми колебаниями частоты вращения гидротурбины, изменениями напора обычно пренебрегают, т.е. считают Н const.

Однако при резких изменениях открытия направляющих аппаратов или изменение частоты вращения ГА, обусловленных, например, действием специальной автоматики, такое допущение является грубым, т.к. оно не учитывает значительного увеличения давления воды перед НА, обусловленного изменением кинетической энергии больших масс содержащихся в трубопроводе (явление, известное под названием гидроудара) [69,70]. Для иллюстрации влияния гидроудара на ход изменения частоты вращения на рисунке 2.1 приведена так называемая динамическая характеристика ГА.

Из этой характеристики видно, что возникновение гидроудара резко меняет не только скорость изменения момента, но и его характер (в начале процесса момент не уменьшается, а увеличивается).

Гидравлический удар (ударное давление) H - представляет собой динамическое повышение или понижение давления, в напорном трубопроводе вызываемое действием инерционных сил возникающих при неустановившихся режимах, когда dQ / dt 0.

Рисунок 2.1 – Динамические характеристики гидроагрегата При установившемся режиме давление в любом сечении напорного водовода определяется высотой пьезометрического уровня, в сечении С-С (рисунок 2.2), пьезометрического уровня становится равной C Определим гидравлический удар, приняв допущения, что плотность жидкости и размер сечения водовода не зависят от давления («жесткие»).

Используем теорему количества движения [8] где W,V - масса и скорость жидкости в водоводе; X - сумма проекций на ось x внешних сил, действующих на данную массу жидкости в момент времени t.

Рассмотрим массу жидкости в водоводе на участке, расположенном между водохранилищем и гидротурбиной (рисунок 2.2) где - плотность жидкости, S - площадь сечения водовода, L - длина водовода между сечениями A A и B B. Ось x совпадает с осью трубопровода и направлена от A к B.

Вместо высоты пьезометрического уровня используем выражение для потенциального напора [71] которое удобно тем, что напор не зависит от продольного профиля трубопровода.

Если не учитывать гидравлические потери. При этом действующее на массу W усилие вдоль оси x будет равно [8,67] где H гидравлический удар, м; g 9.8 м / c 2 - ускорение свободного падения.

Рисунок 2.2 – Схема гидроудара в напорном трубопроводе Если не принимать во внимание упругие деформации жидкости и водовода, вызываемые изменением давления, т.е. считать, что плотность жидкости и площадь сечения S не зависят от давления (жидкость и водовод жесткие), то на основании (2.1) и (2.3) получаем (знак минус показывает, что повышение ударного давления вызывается уменьшением скорости dV / dt 0 ). Отсюда При известном законе изменения расхода воды через гидротурбину, повышение давления может быть найдено путем дифференцирования функции Vx Vx t. Однако, сам закон изменения скорости определяется значениями распределенных давлений, приложенных к жидкости.

равновесных и неравновесных режимах и, соответственно, о статических и динамических параметрах. При постоянном напоре H H и различных значениях - параметра, характеризующего положение (открытие) регулирующего органа или изменение частоты вращения гидроагрегата, обеспечиваются равновесные (установившиеся) режимы, при которых могут определяться экспериментально значения скорости в проточной части. Полученные значения скорости будут являться статическими. Следовательно, экспериментальным путем можно получить зависимость Vx _ ст Vx _ cm t.

Когда при переходном процессе происходит изменение частоты вращения ГА, значение скорости воды в проточной части не соответствует зависимости, полученной при равновесных режимах. Появившиеся распределенные давления приводят к возникновению дополнительных перепадов давлений на НА, что создает иные условия протекания через регулирующий орган.

Возникает несоответствие между положением регулирующего органа, частотой вращения ГА и значением скорости воды в проточной части. Кривая изменения скорости при наличии распределенных давлений не совпадает со статической характеристикой скорости, что свидетельствует о существовании неравновесных режимов. Новые значения скорости называют динамическими, а изменение скорости будет определять зависимость В случае увеличения частоты вращения ГА (рисунок 2.2), перед НА возникает дополнительное давление p, и истечение жидкости происходит уже не под напором H H, как это было при соответствующем равновесном режиме, а под напором H H. Резкое изменение частоты вращения или резкое изменение открытия НА приводят к динамическим процессам в водоводе, что приводит к появлению гидроудара. В каждый момент времени связь между динамическими и статическими значениями скоростей выражается зависимостью При уменьшении частоты вращения ГА истечение жидкости происходит под напором H H и связь между динамическими и статическими значениями скоростей определяется зависимостью Из рассмотренных выражений (2.6) и (2.7) видно, что разница в величинах Vx _ дин и Vx _ cm возрастает с увеличением интенсивности переходного процесса.

При медленных изменениях частоты вращения ГА можно использовать непосредственно статические значения скоростей без каких-либо поправок.

Дополнительный, по сравнению с установившимся режимом, перепад давлений у регулирующего органа уравновешивает силы инерции, являясь в то же время причиной, обусловливающей разность в значениях скоростей при равновесных и неравновесных режимах.

Инерционный напор, в зависимости от значения частоты вращения ГА, дает в его области эффект изменения действительного напора H H. В связи с этим отношение инерционного напора к действительному называют относительным изменением напора [67]:

Используя понятие об инерционном напоре, получим вместо (2.6) и (2.8):

При увеличении частоты вращения ГА h > 0, при уменьшении h < 0.

Так как при переходном процессе поле скоростей в проточной части в каждый момент времени совпадает с полем скоростей установившегося режима при предыдущем изменении частоты вращения, можно говорить об эффекте запаздывания в перестроении поля скоростей, связывая запаздывание с инертностью жидкости. Действительно, возникающий эффект запаздывания сильнее проявляется при значительных изменениях кинетической энергии жидкости за малые промежутки времени.

Таким образом, рассмотрение одномерного неустановившегося движения жидкости показывает, что разница в неравновесных и равновесных режимах объясняется инерционностью жидкости. Знание функции относительного изменения напора h h 0 позволяет определять при расчете переходных процессов влияние инертности жидкости.

Перейдем в формуле (2.9) к безразмерному значению скорости где VH - скорость в проточной части гидротурбины при номинальном режиме. Тогда получим постоянной инерции или постоянной времени напорного водовода. Он характеризует время разгона масс воды - время, потребное для сообщения жидкости, находящейся в состоянии покоя, скорости VH под воздействием напора Учитывая, что в безразмерной форме для одного и того же режима значения скорости и расхода равны, используя зависимость (2.11), получим В большинстве случаев мини-ГЭС имеют цилиндрический напорный водовод (рисунок 2.2) площадью сечения S (диаметр DТР ), длиной L, в конце трубопровода расположена турбина с НА, регулирующий расход воды.

Положение сечений определяется координатой х, отсчитываемой по оси х, совпадающей с осью водовода в направлении от сечения 1-1. Направления расхода Q и скорости V Q / F принимаются положительными т.к. вода движется от водохранилища к гидротурбине.

В результате перехода к безразмерным параметрам получим (2.11) в виде где определяется для всего напорного тракта. Коэффициент ТW, называется постоянной инерции (или постоянной времени) напорных водоводов и представляет собой комплексный показатель инерционности напорной системы.

В зависимости от значения TW напорная система считается:

малоинерционной при TW 1.5 сек;

среднеинерционной при 1,5 < TW < 3 сек;

высокоинерционной при TW > 3 сек.

Чем выше инерционность, тем большее значение имеет учет динамических воздействий при проектировании и эксплуатации гидроагрегатов и напорных водоводов ГЭС [8].

2.2 Математическое описание гидротурбины в абсолютных величинах Для разработки алгоритма управления мини-ГЭС необходима математическая модель гидротурбины, где можно промоделировать все ее режимы работы. Автором предлагается математическая модель РО гидротурбины со следующими допущениями:

- КПД системы для всего диапазона регулирования принята const ;

- стенки водовода абсолютно жесткие;

- вода несжимаема.

На основании общепринятых формул в теории гидроэлектростанций, которые приводятся ниже, была построена математическая модель РО гидротурбины. В выражении (1.12) приведена основная формула, которая является базовой для модели гидротурбины, Как видно из выражения (1.12), мощности гидротурбины зависит от напора Н и расхода Q.

Напор ГА состоит из следующих составляющих:

где Н Н const - номинальный напор мини-ГЭС, hпот - потери напора в водоводе [5,20], где А - удельное сопротивление для стальных труб, K1 - поправочный коэффициент к значениям А для стальных труб [72,73,74,75,76].

Расход воды через гидротурбину зависит от открытия направляющего аппарата. Относительное гидравлическое сопротивление гидротурбины определяется выражением вида, где - гидравлическое сопротивление, обусловленное открытием направляющего аппарата; цен - гидравлическое сопротивление, обусловленное действием центробежной силы, Также мощность гидротурбины можно записать через механическую составляющую (1.11) В установившихся режимах соблюдается условие М Т М Э, тогда выражение (1.11) запишем в следующем виде Движение ротора гидротурбины представлено виде выражения (1.8) По полученным уравнениям составлена структура модели РО гидротурбины рисунок 2.3.

Рисунок 2.3 – Структурная схема математической модели радиально-осевой Математическая модель гидротурбины была промоделирована и получены следующие переходные процессы, представленные на рисунках 2.4 – 2.7.

Рисунок 2.4 – Переходные процессы по моменту ГА на основе МДП Рисунок 2.5 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 2.6 – Переходные процессы по угловой скорости вала и расходу воды ГА Рисунок 2.7 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Результаты цифрового моделирования приведены на рисунке 2.4 - 2.7 ГА отрабатывает увеличения задания активной мощности. Как видно из рисунка 2.4 при увеличении электромагнитного момента М Э МДП в первый период времени мощность гидротурбины уменьшается и, затем, постепенно нарастает до установившегося значения. Этот эффект объясняется следующим образом: при увеличении электромагнитного момента МДП динамический момент ГА уменьшается, это приводит к торможению ГА, частота вращения уменьшаться.

При этом центробежная сила уменьшается, не препятствуя прохождению воды через НА, что приводит к понижению давления перед НА (гидроудар).

Понижение давления дальше приводит к уменьшению мощности гидротурбины до тех пор пока расход воды не начинает увеличиваться. После того как расход воды начал увеличиваться, и частота вращения уменьшаться - мощность гидротурбины начинает увеличиваться за счет увеличения расхода воды, до установившегося значения.

2.3 Математическое описание радиально-осевой гидротурбины в Гидромеханические переходные процессы можно представлять в форме траекторий мгновенных режимов, показанных на универсальной характеристике турбинного гидроагрегата (рисунок 2.8). Положение каждой точки траектории, соответствующей данному моменту времени, определяется двумя координатами:

открытием направляющего аппарата а и приведенной частотой вращения nI'.

Изменения a t, задаваемые в зависимости от времени, представляют режим H H H H с учетом гидравлического удара и от частоты вращения n. Оба эти показателя определяются в результате расчетов переходных процессов, и задать их заранее невозможно.

Раздельный расчет удара H t и изменения частоты вращения n t. Сначала принимают некоторые значения nI' и по заданному режиму регулирования ГА находят динамический напор; далее по нему определяют изменение частоты вращения; затем с учетом результатов первого расчета строят линию мгновенных режимов.

Расчетные соотношения для определения гидравлического удара были приведены выше. Здесь рассмотрим зависимости, позволяющие определять изменение частоты вращения.

Гидроэнергетиками [77,10] было проведено исследования динамических режимов энергосистем, все гидротурбины рассматривают, как турбины с одним регулирующим органом.

Изменение мощности гидротурбины осуществляется направляющим аппаратом, изменяющим расход воды через турбину.

Рисунок 2.8 – Траектории мгновенных режимов гидроагрегата с радиальноосевой турбиной. Режимы:

I - турбинный; II – разгонный; III - тормозной. Процессы: 1 - сброс нагрузки;

2 - уменьшение нагрузки; 3 - остановка агрегата; 4 - увеличение нагрузки; 5 выход в разгон при a const ; 6 - вывод из разгона (а - с разгонной частоты; б - с промежуточной частоты вращения); 7 - пуск агрегата Для математического описания гидротурбины с одним регулирующим органом применяли модель [77,10], разработанную для решения задач динамики регулирования активной мощности гидроагрегатов (устойчивость регулирования при параллельной работе в энергосистеме на холостом ходе и под нагрузкой, при автономной работе на изолированную нагрузку). Эта модель учитывает переходные процессы в водоводе и явление гидравлического удара. В начальной стадии перемещения направляющего аппарата приводит к колебаниям давления в водоводе при увеличении расхода воды. Мощность гидротурбины вначале падает, затем начинает увеличиваться. И, наоборот, при уменьшении расхода воды мощность гидротурбины вначале возрастает, а затем начинает снижаться.

Поведение гидротурбины в динамике описывает следующая система уравнений [77]:

Влияние инерции потока воды и колебаний давления в водоводе на динамические свойства гидротурбины учитывается уравнением жесткого гидравлического удара Параметры упругого гидроудара обычно неизвестны, для их определения требуются специальные исследования. В этих условиях в практических расчетах используют выражение (2.21) для жесткого гидроудара, в котором фигурирует единственный параметр TW, который или известен, или его можно рассчитать, имея параметры водовода.

На основании выражений (2.20 – 2.23) для ГА на основе СГ в литературном источнике [77] предлагается математическое описание гидротурбин при сonst. Передаточная функция гидротурбин, рассмотрена относительно управляющего воздействия, формируемого путм изменения угла открытия НА, при сonst, При регулировании мощности ГА путем воздействия на НА гидротурбины, передаточная функция объекта управления представляет собой неминимальнофазовое звено. Замкнутую систему на основании неминимально-фазового звена невозможно сделать быстрой, т.к. невозможно скомпенсировать правые нули в передаточной функции объекта управления (2.24).

Для разработки новой математической модели воспользуемся выражениями (2.20 2.23). Данные выражения получены в для гидротурбины при const.

Поэтому в (2.20 - 2.23) не учтено изменение частоты вращения ГА, что видно из выражения (2.20).

Для мини-ГЭС на основе МДП данный тип математического описания гидротурбины не подходит, т.к. частота вращения ГА var. Автором предлагается записать математическую модель гидротурбины с учетом изменения частоты вращения. Тогда математическое описание РО гидротурбины примет вид:

НА - управляющее воздействие, представляющее собой гидравлическое сопротивление турбины, изменяемое при помощи НА (номинальному открытию НА соответствует значение НА 1 ); - переменная, учитывающая действие центробежной силы, препятствующей прохождению воды через направляющий Переменная, учитывающая действие центробежной силы, определяется выражением вида где коэффициент k представляет собой тангенс угла наклона касательной к характеристике const РО гидротурбины (рисунок 1.5) в точке линеаризации, гидротурбины, представленная на рисунке 2.9 и произведено моделирование при ступенчатом изменении управляющего воздействия M Э.

Рисунок 2.9 – Математическая модель РО гидротурбины с учетом Данная математическая модель необходима для проверки параметров, полученных расчетным путем, или уточнения и корректировки параметров для необходимого алгоритма управления.

Предложенная математическая модель автором имеет несколько допущений:

- стенки водовода жесткие;

- гидротурбина работает в зоне скоростей, где КПД практически не изменяется;

- математическая модель не рассматривает пуск и торможение ГА.

Результаты цифрового моделирования приведены на рисунке 2.10 - 2.12. ГА отрабатывает увеличение задания активной мощности. Как видно из рисунков 2.10 - 2.12. при увеличении электромагнитного момента М Э МДП в первый период времени мощность гидротурбины уменьшается и, затем, постепенно нарастает до установившегося значения. Этот эффект объясняется следующим образом. При увеличении электромагнитного момента МДП динамический момент ГА уменьшается. Это приводит к торможению ГА. При этом центробежная сила уменьшается, не препятствуя прохождению воды через НА, что приводит к понижению давления перед НА (гидроудар). Понижение давления дальше приводит к уменьшению мощности гидротурбины до тех пор пока расход воды не начинает увеличиваться. После того, как расход воды начал увеличиваться, а частота вращения уменьшаться, мощность гидротурбины начинает увеличиваться за счет увеличения расхода воды до установившегося значения.

Рисунок 2.10 – Переходные процессы по моменту ГА на основе МДП Рисунок 2.11 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 2.12 – Переходные процессы по угловой скорости вала и расходу Рисунок 2.13 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Сравнение результатов моделирования, представленных на рисунках 2.4 с результатами представленных на рисунках 2.10 - 2.13 подтверждает адекватность предложенной автором в разделе 2.2 принципиально новой модели РО гидротурбины.

1. На основании анализа физических процессов в гидросистеме ГА разработана новая математическая модель РО гидротурбины (рисунок 2.3).

Адекватность данной модели подтверждают результаты цифрового моделирования.

2. В традиционных ГА на основе синхронного генератора частота вращения ГА определена постоянным значением частоты сети, а генерируемая активная мощность равна мощности на валу турбины (за вычетом потерь в генераторе).

Управление мощностью на валу турбины осложняется необходимостью изменять расход воды через турбину, значение которого определяет кинетическую энергию масс воды в напорном водоводе. Применение генератора с регулируемой частотой вращения вала дат возможность преобразовывать изменение кинетической энергии масс воды в напорном водоводе в изменение кинетической энергии вращающихся масс ГА. В результате появляется возможность работать с разными значениями генерируемой активной мощности и мощности на валу турбины в динамических режимах. Это позволяет быстро изменять активную мощность генератора, управляя его электромагнитным моментом.

3. Известное из литературы математическое описание РО гидротурбины (2.20, 2.21, 2.22, 2.23) расширено с целью учта изменения частоты вращения вала ГА (2.20, 2.21, 2.23, 2.25, 2.26).

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ И АНАЛИЗ ЛИНЕЙНОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА

УПРАВЛЕНИЯ

3.1 Вывод передаточных функции гидроагрегата, управляемого по Для разработки методики синтеза контуров регулирования, частоты вращения и генерируемой активной мощности ГА, необходимо получить соответствующие передаточные функции ГА. Исходным материалом для этого послужит обоснованная в главе 2 система уравнений (2.8, 2.20, 2.21, 2.23, 2.25, 2.26, 2.27) при var. Так как ГА является нелинейным объектом управления, рассмотрим наиболее распространенную для такого случая форму описания свойств систем. Для получения передаточных функции необходимо линеаризовать систему уравнений (2.8, 2.20, 2.21, 2.23, 2.25, 2.26, 2.27).

Рассмотрим работу ГА вблизи некоторой рабочей точки P0, Q0. Используем уравнения, приведенные в главе 2 (2.8, 2.20, 2.21, 2.23, 2.25, 2.26, 2.27), и в главе 1 (1.17 а, 1.17 г):

Перейдем к уравнениям в отклонениях. Тогда выражения (1.17 г), (2.8), (2.27) примут вид:

Произведм подстановку выше приведнных выражений (3.1), (3.2), (3.3) в выражения (2.25), (2.20):

Преобразуем выражение (3.4) и подставим в него (3.3), исключив, Уравнение (3.6) представим в операторной форме, заменив символ дифференцирования оператором р, Используя (3.5) преобразуем выражение (3.3), и исключив из него, Уравнение (3.8) представим в операторной форме, заменив символ дифференцирования оператором р, Перемножим выражения (3.7), (3.9) и получим передаточную функцию гидротурбины Зная, что Получив передаточную функцию по мощности гидротурбины, найдем воспользуемся выражением где M T - значение момента турбины в точке линеаризации.

пренебрегаем.

Решим (3.10) совместно с (3.11). В результате имеем: