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

Преобразуем полученную передаточную функцию (3.12) к более удобному виду, гидротурбины в виде отношения изображения по Лапласу момента гидротурбины к изображению по Лапласу угловой скорости рабочего колеса. Промоделируем ГА мини-ГЭС. Параметры ГА приведены в Приложении А. Математическая модель гидротурбины представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Математическая модель гидротурбины.

Проанализируем реакцию гидротурбины на ступенчатый сигнал. Из рисунка 3.2. видно, что переходная функция имеет апериодический вид.

Гидротурбина входит в 5% зону установившегося режима за 5 секунд.

Рассмотрим структурную схему ГА, приведенную на рисунке 3.3.

быстроходности имеется возможность оперативно изменять выработку активной мощности путм изменения частоты вращения гидроагрегата [78,79]. Поэтому автоматическом режиме, имея обычное для мини-ГЭС гидромеханическое оборудование с ручным приводом направляющего аппарата, то есть без использования гидроприводов НА и маслостанции.

Управление электромагнитным моментом МДП ( M Э ) производят в системах автоматического регулирования МДП [80] с ориентированием по вектору потокосцепления статора ( s ). Максимальный M Э, который может создавать МДП, равен произведению модуля s, s s, на предельно допустимое полностью определяется соотношением амплитуды и частоты напряжения сети.

Поэтому при просадках напряжения сети будут происходить внезапное уменьшение s и снижение M э.

Рисунок 3.2 – Переходная функция гидротурбины при мгновенном В режимах ограничения тормозящего электромагнитного момента M Э МДП, при достижении потолочного значения M Э = M Э, переходные процессы по скорости вала ГА будут обусловлены собственными динамическими свойствами ГА. В таком режиме МДП-генератор имеет абсолютно мягкую механическую характеристику, то есть развивает один и тот же тормозящий момент во всм диапазоне скоростей вращения вала.

Крайне нежелательным является колебательный характер процессов (t ), поскольку в водоводах мини-ГЭС имеются условия для распространения продольных волн расхода и давления. В результате наложения волн, отраженных от неоднородностей трубопровода, и волн, создаваемых гидромашинной, может возникать разрушение гидромеханического оборудования. Данное явление носит название гидроудара.

С целью изучения влияния основных параметров ГА на колебательность переходных процессов по скорости вращения, исследования динамических свойств ГА.

Структурная схема объекта управления приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – Структурная схема динамической модели ГА На основании структурной схемы (рисунок 3.3) передаточную функцию ГА запишем в виде – коэффициент демпфирования; М Т - значение момента турбины в точке линеаризации.

Найдем передаточную функцию ГА по электрической мощности ГА. Зная, что РЭ M Э0 используем выражение (3.14) и запишем придаточную функцию ГА по электрической мощности относительно угловой скорости данное выражение будет иметь Полученная передаточная функция необходима для синтеза контура регулирования генерированной активной мощности.

Условие устойчивости ГА (рисунок 3.3) Поскольку устойчивость системы определяется корнями знаменателя T12 p 2 2T2 p 1 передаточной функции (3.14). Условию устойчивости 2T 0 соответствует неравенство, Условие апериодического характера процессов ГА более строгое, чем (3.16) – условие отсутствия свободных колебаний, 1. Выполнение неравенства 1 должно обеспечить демпфирование колебаний скорости вала ГА, опасное с точки зрения возникновения гидроудара. Данное условие имеет вид С учтом соотношений неравенство (3.17) может быть представлено в виде, Покажем, что выполнение условия (3.18) обеспечивается уменьшением соотношения, для чего разделим правую и левую части на J Затем, устремив в (3.19) к нулю, получаем неравенство справедливость которого очевидна.

Итак, выполнение условий (3.16, 3.17) обеспечивается путм увеличения J и уменьшения TW. Изменение других коэффициентов (3.16, 3.17) означает либо изменение режима гидротурбины путм воздействия на НА, либо изменение конструктивных параметров гидротурбины.

Уменьшение постоянной времени водовода, TW, на начальной стадии проектирования мини-ГЭС возможно за счт выбора гидросооружения с наименьшей длиной водовода. На последующих стадиях создания мини-ГЭС для уменьшения TW можно увеличивать Si – площади поперечного сечения отдельных участков проточного тракта ГА.

ГА мини-ГЭС, как правило, имеет водовод в виде металлического трубопровода постоянного сечения S длины L. Вклад проточной части турбины в величину TW для рассматриваемых мини-ГЭС незначителен по сравнению с соотношению. В то же время, и кинетическая энергия, запаснная водой в водоводе – EК, прямо пропорциональна соотношению, Таким образом, можно считать, что EК, прямо пропорциональна TW.

Дополнительное увеличение момента инерции, J, ГА осуществляют установкой маховика. Кинетическая энергия, запасаемая вращающимися массами ГА ( EК ), увеличивается прямо пропорционально J, Уменьшение для выполнения условия демпфирования колебаний (3.17) означает уменьшение соотношения кинетических энергий, запасаемых водой в водоводе и вращающимися массами на валу ГА,.

Промоделируем полученную передаточную функцию ГА (рисунок 3.3) и структурную модель ГА (рисунок 2.9) в программе Matlab/Simulink.

При моделировании математической модели мини-ГЭС (исходные данные в приложении А), получена реакция системы на ступенчатый сигнал, рисунок 3.5.

Рисунок 3.4 – Структурная модель ГА и передаточная функция ГА Из рисунка 3.5 видно, что реакции моделей на ступенчатый сигнал задания практически идентичные.

Переходная функция, рассчитанная по WГА p (3.14):

- время достижения максимальной точки на 5,5 секунде;

- время достижения 5% зоны устойчивости на 8 секунде;

- перерегулирование составляет 15,7% переходной процесс структурной модели ГА (рисунок 2.10.) - время достижения максимальной точки на 5 секунде;

- время достижения 5% зоны устойчивости на 8,8 секунде;

- перерегулирование составляет 12,8%.

Рисунок 3.5 – Переходные функции ГА. ЛМ t - переходная функция рассчитана по линеаризованной модели ГА, M t - переходная функция по Промоделировав и сравнив результаты линейной и нелинейной модели ГА по ступенчатому воздействию электромагнитного момента видим, что линеаризация дает статическую погрешность 1,14%, максимальная динамическая погрешность составила 2,5%.

1. Произведн вывод передаточных функций ГА на основе МДП как объекта управления по угловой скорости вала (3.14) и по генерируемой активной мощности (3.15). В качестве управляющего воздействия рассматривается электромагнитный момент МДП-генератора, заданное значение которого практически безынерционно воспроизводится современными системами векторного управления МДП.

При просадках напряжения сети система автоматического управления МДП-генератором может переводить его в режим работы с абсолютно мягкой механической характеристикой вследствие автоматического ограничения токов преобразователя частоты по цепям ротора. Возникновение режимов ГА, при которых генератор имеет абсолютно мягкую механическую характеристику, нежелательно, поскольку такая электрогидромеханическая система может быть колебательной и даже неустойчивой.

3. На основании анализа полинома знаменателя передаточной функции линеаризованной модели управляемого по угловой скорости ГА получены условия устойчивости (3.16) и апериодического характера переходных процессов по угловой скорости вала ГА (3.17) в режиме ограничения электромагнитного момента. Данные условия позволяют производить выбор значений суммарного момента инерции и сечения напорного водовода ГА.

4. Повышение запасов устойчивости и демпфирование колебаний скорости вала ГА в режиме ограничения электромагнитного момента МДП-генератора обеспечивается увеличением суммарного момента инерции на валу ГА и уменьшением постоянной времени водовода TW. Практически уменьшение TW реализуется увеличением площади поперечного сечения водовода SW. Величина TW обратно пропорциональна SW.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И

МЕТОДИКИ СИНТЕЗА РЕГУЛЯТОРОВ ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС

НА ОСНОВЕ МАШИНЫ ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Как уже было показано в первой главе, мини-ГЭС Таджикистана работают с неизменным открытием направляющих аппаратов турбин. При этом значительная часть воды проходит по обводному руслу, минуя гидротурбину. Ситуация когда естественный приток воды в верхний бьеф меньше, чем расход воды через ГА недопустима, т.к. она будет проводить к понижению уровня воды в гидротурбины.

Предлагаемый в диссертационной работе способ повышения эффективного использования мини-ГЭС позволит:

потребителя;

- автоматически осуществлять внеплановую выработку электроэнергии в соответствии сигналом задания, приходящим от диспетчера;

- использовать аккумулирующую способность водохранилища;

-ограничивать минимальное значение уровня воды в водохранилище.

Для осуществления рассмотренных возможностей, автором предложен алгоритм управления расходом воды путем изменения частоты вращения ГА на основе системы подчиненного регулирования угловой скорости и активной мощности ГА мини-ГЭС.

Для реализации данного алгоритма (без воздействия на направляющие аппараты гидротурбин) необходимо применение ГА с переменной частотой вращения вала на основе радиально-осевой гидротурбины с низким коэффициентом быстроходности и генераторного комплекса по схеме машина двойного питания.

Применение на мини-ГЭС РО гидротурбины с ГК на основе МДП позволит нам достичь рационального использования, как электроэнергии, так и гидроресурсов.

Мини-ГЭС с ГА на основе МДП подключена статором МДП к сети бесконечной мощности, а ротор через ПЧ к сети бесконечной мощности. Это позволяет отдавать электроэнергию в сеть бесконечной мощности, как со стороны статора, так и ротора. При изменении задания мощности PЭZ, должна изменяться выработка активной мощности PЭ МДП-генератора, что реализуется за счет регулирования электромагнитного момента M Э МДП.

сопровождаться увеличением скорости гидроагрегата. При этом расход воды ГА будет падать за счет центробежного эффекта РО гидротурбины. Из универсальной характеристики РО гидротурбины (рисунок 1.10) видно, что увеличение частоты вращения турбины, работающей с номинально открытым направляющим аппаратом, приводит к уменьшению расхода воды.

За счет запасенной в водохранилище воды ГА будет способен отработать сигнал внеплановой нагрузки приходящей из ОДУ.

Кроме того, появляется возможность кратковременно увеличивать выработку активной мощности мини-ГЭС, расходуя запаснную в водохранилище воду.

4.1 Разработка структуры системы управления гидроагрегата мини-ГЭС Благодаря современному развитию электроники, создаются электроприводы с высокими динамическими характеристиками. В системе управления электроприводами наибольшее распространение получили структуры с подчиннным регулированием координат (СПР).

Систему управления мини-ГЭС на основе МДП целесообразно строить в виде многоконтурной системы подчиненного регулирования координат.

Для построения СПР необходимо:

взаимосвязанного управления.

2. Осуществить компенсацию основных внутренних перекрестных связей между каналами объекта регулирования путем введения компенсирующих сигналов в САР.

воспроизводящих функциональные зависимости, обратные соответствующим зависимостям между регулируемыми переменными.

принципом подчиненного регулирования с последовательной коррекции параметров.

последовательным включением регуляторов, число которых соответствует количеству регулируемых координат [81,80,82]. Для управления ГА мини-ГЭС целесообразно принять трехконтурную систему регулирования координат:

внутренний контур скорости ГА, контур активной мощности ГА и внешний контур регулирования уровня воды в водохранилище мини-ГЭС.

Предлагаемая функциональная схема, построенная по указанному принципу, представлена на рисунке 4.1. На входе регулятора каждого из контуров сравниваются сигналы, пропорциональные заданному и действительному значениям выходной координаты данного контура, а выходной сигнал регулятора служит задающим сигналом для последующего контура. Важным достоинством осуществлять ограничение любой из регулируемых координат системы. В зависимости от конкретных условий пределы ограничения могут изменяться по заданному закону [83].

Рисунок 4.1 – Функциональная схема САУ мини-ГЭС с подчиннным На рисунке 4.1 приведены следующие элементы: РУ, РМ, РС – регуляторы уровня воды, активной мощности и угловой скорости вала, соответственно; HZ, Z, MZ – сигналы задания уровня воды, угловой скорости и электромагнитного момента, соответственно; Pвнеп. - сигнал задания внеплановой активной мощности из ОДУ.

Внутренний контур скорости подчинен контуру мощности, который является вторым (внешним) контуром по отношению к первому (внутреннему) контуру.

Контур мощности подчинен контуру уровню воды в водохранилище, которой является третьим внешним контуром, по отношению ко второму – контуру мощности.

Внутренний контур скорости включает в себя регулятор скорости (РС), систему векторного управления электромагнитным моментом МДП-генератора, гидротурбину ГА и тахогенератор. На входе регулятора скорости сравниваются сигнал задания скорости с сигналом обратной связи по скорости. Контур оптимизированный контур скорости и датчик активной мощности. На входе регулятора РМ сравниваются сигнал задания активной мощности и сигнал обратной связи по мощности. Выходной сигнал РМ является сигналом задания скорости для подчиненного внутреннего контура скорости. Внешний контур уровня воды в верхнем бьефе водохранилища включает в себя регулятор уровня воды (РУ), оптимизированный контур мощности, датчик уровня воды в верхнем бьефе водохранилища. Сумма выходного сигнала РУ с Pдисп. является сигналом задания мощности для подчиненного внутреннего контура мощности.

Оптимизация предлагаемой системы методом последовательной коррекции справедлива соблюдении следующих условий: переменные САУ ГА должны изменяться в малых пределах; регуляторы не должны входить в режим ограничения.

4.2 Методика синтеза контура регулирования скорости гидроагрегата на Мини-ГЭС на основе МДП является нелинейным объектом управления, характеризующимся совокупностью линейных подобъектов, связанных между собой нелинейной функциональной зависимостью. Возможна реализация регуляторов в виде линейных активных фильтров, исходя из оптимальной передаточной функции замкнутых контуров регулирования.

Систему регулирования ГА мини-ГЭС на основе МДП нужно синтезировать таким образом, чтобы система обеспечивала в установившихся режимах поддержание частоты вращения. В динамике САР должна обеспечивать быстрый выход скорости t на уровень задания. В динамических режимах САР скорости должна обеспечивать ограничение скольжения ротора асинхронной машины на заданном уровне, исходя из условия ограничения напряжения преобразователя частоты со стороны цепей ротора.

Эти требования достигаются при синтезе САР за счет максимального уточнения динамических свойств ГА мини-ГЭС.

Рассмотрим функциональную схему САР ГА мини-ГЭС, приведенную выше (рисунок 4.1), по контурам.

Как было сказано в разделе 4.1, САУ ГА мини-ГЭС система состоит из нескольких контуров. Рассмотрим внутренний контур – контур регулирования скорости (КРС).

На рисунке 4.2 приведена структурная схема внутреннего контура скорости, содержащая линеаризованную модель объекта управления в малых отклонениях.

Исследуемый объект управления сам по себе является нестандартным безаварийной работы ГК необходимо ограничивать частоту вращения ГА, из-за ограничений напряжения ПЧ по цепям ротора. Увеличение выработки электроэнергии, в рассмотренном ЭП требует увеличения электромагнитного момента, что приводит к уменьшению угловой скорости и, соответственно, к изменению ЭДС в роторной части электрической машины.

На этапе синтеза КРС принято допущение о безынерционности СВУ управления МДП-генератора по моменту. Структурная схема синтезируемого КРС при указанном допущении приведена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Структурная схема контура регулирования скорости На рисунке 4.3 WPC ( p ) – передаточная функция регулятора скорости;

WМДП ( p ) – передаточная функция МДП с СВУ; M Э ( p) – электромагнитный момент МДП; WГА ( p) – передаточная функция ГА; kC - коэффициент обратной связи по скорости.

воспользуемся методом последовательной коррекции.

В структуру регулятора введем звено, передаточная функция которого обратна по отношению к передаточной функции компенсируемого звена, Для обеспечения астатизма КРС в структуру регулятора последовательно введем интегрирующее звено, Приведем передаточную функцию регулятора скорости к виду, Параметры компенсирующей части регулятора полностью определятся параметрами гидроагрегата. Единственный варьируемым параметром регулятора будет являться постоянная времени его интегрирующего звена Т1.

Здесь T1 a T. Т1 выразили в долях от некомпенсируемой постоянной времени, используя коэффициент a 2. Некомпенсированная постоянная времени T Tc TЭМ равна сумме некомпенсированных постоянных времени системы. Учитывая сказанное в первой главе, величину T примем равной 0, секунды.

В результате, передаточная функция регулятора скорости примет вид, Для синтеза последующего регулятора - регулятора активной мощности, необходимо определить передаточную функцию замкнутого КРС. Сначала определим передаточную функцию разомкнутой системы. Для получения передаточной функции разомкнутой системы размыкаем главную обратную связь и точку разрыва считаем входом и выходом системы рисунке 4.3. Затем преобразуем структурную схему САУ. По правилу определения передаточной результирующую передаточною функцию.

Определим передаточную функцию разомкнутого КРС:

Получим выражение моменту СВУ МДП;

WOC ( р) kС - коэффициент обратной связи по скорости.

При синтезе регулятора скорости передаточную функцию замкнутого контура скорости с достаточной степенью точности можно принять в виде, При a 2 (4.5) соответствует колебательному звену с коэффициентом демпфирования 1/ 2 0.707.

Получаем передаточную функцию регулятора скорости регулятора скорости, - коэффициент усиления интегральной части регулятора скорости, kЭ kC0 2Т J 0TW - коэффициент усиления дифференциальной части регулятора скорости, kЭ kC 4Т WФ ( p ) - передаточная функция, компенсирующая инерционность воды в водоводе.

Коэффициент обратной связи по скорости определяется из соотношения Промоделируем синтезированный контур регулирования скорости в среде Simulink. На рисунке 4.4 приведена математическая модель КРС ГА мини-ГЭС на основе МДП с СВУ, состоящая из блока сигнала задания с ОДУ, регулятора скорости, МДП с СВУ и передаточной функции ГА.

На вход системы подается единичный ступенчатый сигнал задания скорости и КРС отрабатывает заданный сигнал. Переходная характеристика КРС приведена на рисунке 4.5.

Переходный процесс (рисунок 4.5) имеет незначительное перерегулирование.

Прямые показатели качества синтезированной САР КРС, полученные из графика переходного процесса:

время вхождения 5% зону - 0,041сек.;

перерегулирование - 4,3%;

время достижения максимальной точки - 0,0624 сек.

Рисунок 4.5 – Переходная функция КРС ГА на основе МДП Для точного ограничения скольжения асинхронной машины в динамических регулирования активной мощности. Кроме того, КРС позволит избежать волновых процессов изменения давления в водоводе, которые могут негативно влиять на ГА.

4.4 Методика синтеза контура регулирования активной мощности Произведм синтез второго контура СПР - контура регулирования мощности (рисунок 4.6). Контур мощности является внешним по отношению к внутреннему регулирования мощности мини-ГЭС на основе МДП содержит в себе регулятор мощности с передаточной функцией WРМ p, оптимизированный контур скорости с передаточной функцией WКРС p и объект управления с передаточной функцией WГАM p. Выходной сигнал регулятора мощности следует ограничить из-за ограниченной способности силового преобразователя по напряжению, так как напряжение преобразователя по цепям ротора зависит от диапазона регулирования скольжения. Из-за технических (из рассмотрения статических характеристик гидротурбин - Глава 1 и экономических показателей рекомендован диапазон регулирования скорости 1:2.

В данном контуре регулируемой величиной является активная мощность МДП-генератора.

Как было показано выше, структура КРМ состоит из передаточной функции регулятора мощности, оптимизированного КРС и регулируемой по мощности гидротурбины. Воспользуемся передаточной функцией (3.19) по активной мощности МДП-генератора, приведенной в главе 3, WГАМ p.

Рисунок 4.6 – Структурная схема контура регулирования активной мощности Запишем передаточную функцию регулятора мощности Как и ранее было рассмотрено, единственным варьируемым параметром регулятора является величина постоянной времени T2 его интегрирующего звена.

Настроим систему на модульный оптимум по условию Рассмотрим передаточную функцию контура регулирования мощности (КРМ) при настройке на модульный оптимум.

При синтезе регулятора мощности передаточная функция замкнутого некомпенсируемой постоянной времени T ) аппроксимируется выражением Тогда некомпенсируемой малой постоянной времени в контуре мощности является величина T м 2T1.

Запишем передаточную функцию для САР мощности в разомкнутом состоянии, Найдем передаточную функцию замкнутой системы, настроенной на модульный оптимум В итоге получаем регулятор мощности с передаточной функцией вида, где - коэффициент усиления пропорциональной части регулятора мощности;

- коэффициент усиления интегральной части регулятора мощности;

4T kOM динамические свойства ГА.

Расчетное значение коэффициента обратной связи по мощности определяется из выражения, активной мощности ГА мини-ГЭС.

Для проверки расчетных параметров и определения работоспособности синтезированного КРМ, синтезированная САР была промоделирована в среде Matlab/Simulink (рисунок 4.7).

Рисунок 4.7 – Математическая модель КРМ ГА на основе МДП Модель состоит из источника сигнала задания, регулятора мощности (РМ), контура регулирования скорости, передаточной функции РО гидротурбины.

Сигнал задания мощности КРМ складывается из двух сигналов, местный сигнал и внешний, поступающий из ОДУ. Местный сигнал задания мощности устанавливается непосредственно на мини-ГЭС, а внешний сигнал задания приходит из ОДУ.

На вход системы подается единичный ступенчатый сигнал задания мощности, и система отрабатывает заданный сигнал. Переходный процесс исследуемой системы приведен на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Переходная функция КРМ ГА мини-ГЭС на основе МДП На рисунке 4.8 представлен переходной процесс по мощности ГА на основе МДП-генератора. Переходной процесс имеет незначительное перерегулирование.

Прямые показатели качества синтезированной САР КРМ, полученные из графика переходного процесса:

время вхождения в 5% зону – 0,1с;

перерегулирование 6.8%.

По полученным результатам моделирования можно с уверенностью говорить о целесообразности применения предлагаемой САР для оперативного изменения вырабатываемой активной мощности в динамических режимах работы электроэнергетической системы.

Создание мини-ГЭС на основе предлагаемого алгоритма управления позволит:

повысить эффективность использования гидроэнергоресурсов без применения приводов для воздействия на направляющие аппараты турбин;

- уменьшить время восстановления баланса между потребляемой и генерируемой активными мощностями при внезапных изменениях режимов работы энергосистемы.

4.5 Моделирование динамических режимов работы двухконтурной САР активной мощности гидроагрегата на основе МДП В данном разделе представлены результаты цифрового моделирования САР активной мощности ГА мини-ГЭС на основе МДП номинальной мощностью PH 500 кВт, расположенной в населенном пункте Артуч Республики Таджикистан [Приложение А].

Для подтверждения полученных результатов был промоделирован предлагаемый алгоритм управления на основе СПР для ГА мини-ГЭС с предлагаемым методом решения постановленной задачи в программе MATLAB/Simulink. В дальнейшем модель ГА на основе МДП рассматривалась в динамике при ступенчатом изменении сигнала задания по мощности. Пуск ГА является отдельным вопросом и в данной диссертационной работе не рассматривается.

В данной работе рассматривается только отработка изменения задания мощности от ОДУ.

Современный уровень развития цифровой техники позволяет моделировать сложные процессы на ЭВМ для адекватной оценки проектируемой системы. В данном разделе используется математическая модель ГА при var с учетом массы воды в напорном водоводе, полученная в главе 2.

Данный раздел посвящен исследованию новой методики расчета регуляторов мини-ГЭС на основе МДП с использованием разработанной в главе математической модели гидротурбины.

На рисунке 4.9 представлена структурная модель ГА на основе МДП с СВУ с применением алгоритма управления на основе принципа подчиненного регулирования координат.

Рисунок 4.9 – Структура модели ГА на основе МДП с СВУ На предлагаемой автором модели были промоделированы все возможные режимы работы ГА. Данная модель позволяет визуально увидеть влияние изменения любого из параметров системы, что позволяет лучше настроить систему и позволит сократить время наладки гидроагрегатов.

Для подтверждения (или проверки) эффективности предлагаемой методики синтеза САР ГА мини - ГЭС на основе МДП. Рассмотрим двухконтурную систему подчиненного реагирования координат для ГА мини - ГЭС без ограничения регулируемых координат: скорости и момента.

Результаты цифрового моделирования приведены на рисунках 4.10 - 4.13 ГА отрабатывает увеличение задания активной мощности. Как видно из рисунков 4.10 - 4.13, при увеличении сигнала задания мощности увеличивается электромагнитный момент М Э МДП-генератора. В начальный период времени мощность гидротурбины уменьшается, а 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. Угловая скорость вала начинает уменьшаться (рисунок 4.12). При этом центробежная сила препятствующая прохождению воды через НА, уменьшается, что приводит к понижению давления перед НА. Понижение давления, далее, приводит к уменьшению мощности гидротурбины до тех пор, пока расход воды не увеличится (рисунок 4.12). После того как расход воды увеличивается, мощность гидротурбины начинает увеличиваться за счет увеличения расхода воды до нового установившегося значения. Из динамической характеристики рисунок 4.13 можно видеть зависимость расхода воды от угловой скорости вала ГА.

Из переходных характеристик (рисунок 4.10) видно, что система практически мгновенно отрабатывает сигнал задания по активной мощности, что также иллюстрирует на рисунок 4.11 (за 0.1 секунды система отрабатывает сигнал задания по активной мощности).

Рисунок 4.10 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.11 – Начальный участок переходного процесса рисунок 4. Рисунок 4.12 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.13 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости уменьшении сигнала задания по мощности (быстро отрабатывается сигнал задания по мощности).

Как видно из рисунков 4.14 - 4.16, при уменьшении сигнала задания по активной мощности уменьшается электромагнитный момент М Э МДП. В начальный период времени мощность гидротурбины увеличивается, а затем, постепенно снижается до нового установившегося значения. Этот эффект объясняется следующим образом. При уменьшении электромагнитного момента МДП динамический момент ГА увеличивается. Это приводит к ускорению ГА, угловая скорость вала увеличивается (рисунок 4.15). При этом центробежная сила, препятствующая прохождению воды через НА, увеличивается, что приводит к повышению давления перед НА. Повышение давления, далее, приводит к увеличению мощности гидротурбины до тех пор, пока расход воды не уменьшится (рисунок 4.14). После того как расход воды начал уменьшаться, мощность гидротурбины начинает снижаться за счет уменьшения расхода воды до нового установившегося значения. Из динамической характеристики (рисунок 4.16) можно видеть зависимость расхода воды от угловой скорости вала ГА.

Рисунок 4.14 – Процессы ГА на основе МДП по активной мощности Рисунок 4.15 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.16 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Рассмотрим работу ГА при отсутствии замкнутых контуров регулирования.

На вход МДП с СВУ податся ступенчатый сигнал задания по моменту. СВУ МДП безынерционно отрабатывает данный сигнал. Реакция основных переменных (координат) системы на ступенчатый сигнал задания показана на рисунках 4.18 - 4.25.

Рисунок 4.17 – Структура модели ГА на основе МДП с СВУ без ограничения Из переходного процесса по моменту (рисунок 4.18) видно, что система мгновенно отрабатывает сигнал задания по электромагнитному моменту. При этом отсутствует перерегулирование. Момент гидротурбины достигает установившегося значения примерно через 10 секунд (рисунок 4.18).

Рисунок 4.18 – Переходные процессы по моменту ГА на основе МДП Из переходных процессов по мощности (рисунок 4.19) видно, что электрическая мощность ГА изменяется мгновенно, т.к. этому не препятствуют какие либо инерционности. Максимальное значение по электрической мощности достигается в первый момент начала переходного процесса, а затем, за счет уменьшения угловой скорости вала ГА, электрическая мощность спадает до установившегося значения. На рисунке 4.20 представлены переходные процессы по угловой скорости и расходу воды. При увеличении электромагнитного момента гидротурбина начинает тормозиться. При этом уменьшается центробежная сила, препятствующая прохождению воды через НА. При увеличении расхода воды повышается момент гидротурбины, что приводит к росту мощности ГА.

Рисунок 4.19 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.20 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.21 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости На рисунках 4.22 - 4.25 представлены переходные процессы при уменьшении сигнала задания по моменту. На временных диаграммах можно видеть процессы, аналогичные тем, что и при увеличении сигнала задания по моменту.

Рассмотрим переходные процессы основных переменных (координат), полученные при моделировании работы разомкнутой по скорости и активной мощности САР ГА мини - ГЭС на основе МДП.

Как видно из рисунков 4.22 - 4.25, при уменьшении электромагнитного момента М Э МДП, электрическая активная мощность мгновенно подает до минимального значения, а мощность гидротурбины в начальный период времени увеличивается а, затем, постепенно снижается до нового установившегося значения. В то же время, до установившегося значения возрастает электрическая активная мощность. Из динамической характеристики (рисунок 4.25) можно увидеть зависимость расхода воды от угловой скорости вала ГА.

Рисунок 4.22 – Переходные процессы по моменту ГА на основе МДП Рисунок 4.23 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.24 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.25 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Отработка сигнала задания по скорости вала ГА.

Рассмотрим работу контура регулирования скорости. САР скорости вала ГА состоит из ПИД – регулятора скорости, МДП с СВУ, математической модели гидротурбины с учетом водовода и обратной связи по скорости. Как уже было показано выше, КРС необходим для ограничения угловой скорости ГА на основе МДП с СВУ, чтобы ограничивать напряжение преобразователя частоты по цепям ротора.

ГА мини-ГЭС работает на угловой скорости 157, рад / c (рисунок 4.27).

Ступенчато уменьшаем сигнал задания по угловой скорости вала ГА и САР ГА отрабатывает данный сигнал с большим быстродействием по скорости, как видно из рисунка 4.28.

На рисунке 4.27 приведены переходные процессы по угловой скорости вала ГА и расходу воды. Из переходного процесса по угловой скорости видно, что у контура скорости высокое быстродействие. Максимальная точка достигается за 0,063 секунды, как видно из рисунка 4.28.

Рисунок 4.26 – Структура модели ГА на основе МДП с СВУ с обратной Рисунок 4.27 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.28 – Начальный участок переходного процесса по угловой Рисунок 4.29 – Переходные процессы по моменту ГА на основе МДП Рисунок 4.30 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.31 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости ГА мини-ГЭС работает на угловой скорости 157, рад / c (рисунок 4.32).

Ступенчато увеличиваем сигнал здания по угловой скорости ГА и САР ГА отрабатывает данный сигнал с высоким быстродействием по скорости, как видно из рисунка 4.33. При этом из сети для обеспечения быстродействия по скорости потребляется электрическая энергия (рисунок 4.35).

Рисунок 4.32 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.33 – Начальный участок переходного процесса по угловой Рисунок 4.34 – Переходные процессы по мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.35 – Переходные процессы по активной мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.36 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Отработка сигнала задания по активной мощности с ограничением по частоте вращения по вала ГА Убедившись путем цифрового моделирования в работоспособности предлагаемой методики синтеза регуляторов скорости и активной мощности, рассмотрим теперь данную САУ МДП в режимах ограничения по частоте вращения вала ГА.

Вследствие ограничения напряжения ПЧ по цепям ротора, обусловленных техническими и экологическими причинами, было введено ограничение по угловой скорости.

Рассмотрим работу предлагаемой САР ГА мини-ГЭС. На вход системы подается сигнал задания по активной мощности U P 10В, что соответствует номинальному значению активной мощности ГА мини - ГЭС РH 5 105 Вт. Из ОДУ приходит ступенчатый сигнал задания на увеличение активной мощности.

Система начинает отрабатывать данный сигнал задания до тех пор, пока угловая скорость не войдет в ограничение (рисунок 4.39). Контур мощности размыкается, и в системе продолжается действовать только один контур - контур скорости.

Значение активной мощности на 4,3 секунде становится равным значению мощности гидротурбины и продолжает увеличиваться вместе с мощностью гидротурбины (рисунок 4.38). САУ так и не выходит из ограничения по скорости.

Из рисунков 4.39 - 4.40 видно, как система входит в режим ограничения по скорости.

Рисунок 4.37 – Структура модели ГА с обратной связью по мощности и скорости с ограничением момента и скорости вала ГА Рисунок 4.38 – Переходные процессы по мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.39 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.40 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Рассмотрим работу предлагаемой САР ГА мини-ГЭС. На вход системы подается сигнал задания по активной мощности U P 10В, что соответствует номинальному значению активной мощности ГА РH 5 105 Вт. Из ОДУ приходит ступенчатый сигнал задания на уменьшение активной мощности.

Система начинает отрабатывать данный сигнал задания до тех пор, пока угловая скорость не войдет в ограничение (рисунок 4.42). Тогда контур мощности размыкается, и в системе продолжает действовать только один контур – контур скорости вала ГА. Значение активной мощности мгновенно повышается на 4, секунде до значения мощности гидротурбины и продолжает уменьшаться вместе с мощностью гидротурбины (рисунок 4.41). Система не выходит из режима ограничения по скорости вала ГА. Из рисунка 4.42 - 4.43 видно, как система вошла в режим ограничения по скорости вала ГА.

Рисунок 4.41 – Переходные процессы по мощности ГА на основе МДП Рисунок 4.42 – Переходные процессы ГА по угловой скорости вала и Рисунок 4.43 – Динамическая зависимость расхода воды от угловой скорости Промоделировав САР активной мощности ГА мини-ГЭС в различных режимах работы, и получив при этом осциллограммы для различных режимов, на основании полученных результатов можно с уверенностью сказать, что предлагаемая САР активной мощности ГА мини-ГЭС с поставленными перед нею задачами справляется, как видно из рисунков 4.10 - 4.43.

Полученные переходные процессы полностью согласуются с положениями теории гидроэлектростанций и подтверждают работоспособность предложенной инженерной методики построения САР активной мощности ГА на основе МДП.

Способ пуска гидроагрегата мини-ГЭС с предлагаемой системой управления приведен в Приложении В.

1. Предложен алгоритм управления гидроагрегатом мини-ГЭС на основе МДП. Предлагаемый алгоритм основан на принципе подчиненного регулирования координат. Внешним по отношению к контуру регулирования активной мощности должен быть контур регулирования уровня воды в водохранилище. Внутренним по отношению к контуру регулирования активной мощности должен быть контур регулирования угловой скорости вала ГА.

2. Разработана инженерная методика синтеза регуляторов скорости и генерируемой активной мощности. Данная методика учитывает статические и динамические свойства гидротурбины и инерцию масс воды в напорном водоводе. Быстродействие САР по генерируемой активной мощности ограничено суммой некомпенсированных постоянных времени в контуре регулирования скорости ГА.

3. Проведены исследования предлагаемой инженерной методики синтеза регуляторов методом цифрового моделирования. При практической реализации разработанной в диссертации методики синтеза значение постоянной времени регулирования САР активной мощности ГА мини-ГЭС будет составлять от 0, до 0,25 секунд. Данные исследования подтвердили работоспособность предлагаемой методики, в том числе и при выходе САР в режимы ограничения скольжения асинхронной машины.

4. Постоянная времени напорного водовода, TW, момент инерции ГА, J, и значение коэффициента линеаризации главной универсальной характеристики гидротурбины в рабочей точке, k, являются основными исходными данными для разработанной методики синтеза регуляторов скорости вала и активной мощности ГА.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ

РАБОТЫ ГИДРОАГРЕГАТА С ПЕРЕМЕННОЙ ЧАСТОТОЙ ВРАЩЕНИЯ

Первый раздел главы посвящен описанию экспериментальной установки по исследованию гидроагрегата и алгоритма управления.

В системах векторного управления МДП [80], магнитное состояние асинхронной машины определено параметрами напряжения сети, подключенной к зависимости электромагнитного момента от тока якоря I Я в машине постоянного тока). [63]. На основании сказанного в экспериментальной установке вместо МДП использована машина постоянного тока, т.к. в машине постоянного тока регулирование электромагнитного момента осуществляется за счет тока якоря, а в МДП с системой векторного управления регулирование электромагнитного момента осуществляется за счет активной составляющей вектора тока ротора.

САР активной мощности ГА экспериментальной установки представляет собой систему подчиненного регулирования координат для микро-ГЭС на основе машины постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения.

экспериментального исследования разработанной САР активной мощности, проведенные на территории Республики Таджикистан. Испытания основных узлов предварительно производились в лаборатории автоматизированного спроектирована и создана экспериментальная установка микро-ГЭС мощностью 300 Вт (рисунок 5.1). Эксперимент проводился в ущелье Алмоси на южных отрогах Гиссарского хребта, на сравнительно небольшой высоте - приблизительно 2100 метров над уровнем моря. Наладка алгоритма управления на основе системы автоматизированного электропривода и электрических машин Таджикского технического университета им. акад. М.С. Осими (рисунок 5.2) и в дальнейшем были проведены экспериментальные исследования налаженного блока управления на микро-ГЭС.

Исследования микро-ГЭС проводились в два этапа:

- сначала были проведены испытания гидромеханической части микро-ГЭС (рисунок 5.1) с учетом напорного водовода и полученные экспериментальные результаты были сопоставлены с проверяемой математической моделью;

- затем были произведены экспериментальные исследования алгоритма управления на основе системы подчиненного регулирования координат для подтверждения разработанной автором инженерной методики синтеза контуров мини-ГЭС. Полученные экспериментальным путем результаты были сопоставлены с теоретическими.

Экспериментальный стенд представляет собой универсальную систему для исследования работы микро-ГЭС. На рисунках 5.1, 5.2 приведен общий вид экспериментального стенда. Экспериментальная установка собрана на основе серийно выпускаемого унифицированного тиристорного преобразователя серии БУ 3609. В качестве ГА использован стандартный центробежный насос типа 1К.

Стандартное рабочее колесо насоса заменено на уменьшенную копию рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины, изготовленную автором вручную по чертежам [84] на оборудовании мастерской Таджикского алюминиевого завода «TALCO».

В качестве генератора была использована машина постоянного тока с независимой обмоткой возбуждения. Технические данные стенда приведены в таблицах 5.1- 5.2.

Рисунок 5.1 – Экспериментальная микро-ГЭС мощностью 300 Вт а) 1 – РО гидротурбина, 2 – генератор, 3 – манометр, 4 – счетчик расхода воды, 5 – блок управления, 6 – комплекс измерительных приборов, 7 – нагрузка б) рабочее колесо гидротурбины Рисунок 5.2 – Внешний вид лабораторного отладочного комплекса для На экспериментальном стенде получены следующие результаты:

для ГА на основе РО гидротурбины;

2. Исследованы динамические характеристики ГА.

В задачи данного исследования входили получения экспериментальным путем статических и динамических характеристик указанного ГА после изменения нагрузки. Открытие направляющего аппарата соответствовало номинальному для РО гидротурбины, т.к. поскольку насос не имеет возможности изменять степень открытия НА.

В таблицах 5.1, 5.2 приводятся технические данные исследуемого ГА.

Таблица 5.1 – Технические данные экспериментальной установки микро-ГЭС Место расположения Напор2.

Номинальная мощность при расчетном Расход при расчетном напоре и мощности Диаметр входного сечения спиральной Длина8.

Число11.

Диаметр водовода Таблица 5.2 – Технические данные системы управления экспериментальной 5.2 Статические характеристики экспериментального гидроагрегата Экспериментальным путем были полученные статические характеристики, Полученные статические характеристики экспериментальной установки повторяют форму статических характеристик крупных ГЭС.

Проведя анализ полученных данных видно, что для одной изначально постановленных задач - аккумулирования гидроресурсов при работе на холостом ходу, был достигнут эффект аккумулирования гидроресурсов благодаря предложенному автором типу гидротурбины. Как видно из эксперимента, гидротурбина позволяет сэкономить около 20 % гидроресурсов при холостом водохранилище, а при повышении потребности в электроэнергии использовать запаснную воду, что повышает максимальное значение генерируемой активной мощности мини-ГЭС. В зимний период сток рек, как показано в главе 1, в 5 - 7 раз меньше летнего стока воды.

Рисунок 5.4 – Зависимость мощности от угловой скорости вала ГА Рисунок 5.5 – Зависимость мощности от расхода ГА микро-ГЭС P f (Q) 5.3 Результаты экспериментального исследования динамических характеристик двухконтурной САР активной мощности Данный раздел главы посвящается описанию экспериментальной установки для исследования алгоритма управления на основе системы подчиненного дальнейшего использования блока управления была выбрана экспериментальная установка: лабораторный стенд кафедры Таджикского технического университета им. акад. М.С. Осими.

Автор диссертации разрабатывал и налаживал данный лабораторный стенд еще по дипломной работе квалификации специалиста. Данный стенд был модернизирован для проведения исследования алгоритма управления на основе системы подчиненного регулирования координат ГА мини-ГЭС. В данную экспериментальную установку был внедрен дополнительный контур мощности.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рисунке 5.2.

унифицированного тиристорного преобразователя серии БУ 3609 и представляет собой автоматизированный электропривод постоянного тока по системе ТП-Д.

Функциональная схема лабораторной установки приведена на рисунке 5.7.

Электропривод состоит из реверсивного однофазного тиристорного преобразователя с раздельным управлением ТП, машины постоянного тока ИМ, нагрузочной машины постоянного тока НМ, сглаживающего дросселя, аппаратуры защиты от нештатных режимов. Стенд питается от сети напряжением ~380В, которое подается непосредственно на преобразователь с помощью автоматического выключателя и от источника постоянного напряжения 220В.

Для контроля электрических параметров и снятия характеристик на стенде установлен комплекс измерительных приборов. В цепи якоря двигателя генератора включен амперметр РА для измерения тока якоря и вольтметр РV для электропривода контролируется с помощью тахогенератора и отображается вольтметром РVBR (рисунок 5.7). Для снятия осциллограмм на переднюю панель стенда выведены контрольные точки.

При наладке экспериментальной установки в лабораторных условиях были выявлены и устранены технические недостатки. После проведения наладки блок управления был использован уже на самой экспериментальной установке микроГЭС для подтверждения методики расчета регуляторов (Глава 4).

При проведении эксперимента были полученные следующие переходные процессы при ступенчатом малом отклонении от номинальной нагрузки [Приложение В]. На рисунках 5.7-5.10 приведен переходной процесс по частоте вращения исследуемого объекта.

РМ РС ТП

Рисунок 5.7 – Функциональная схема лабораторной экспериментальной На рисунке 5.8 приведен переходный процесс по активной мощности микроГЭС. Данная характеристика имеет следующие показатели:

перерегулирование 9,3% ;

время достижения максимальной точки 0,2 секунд.

Рисунок 5.8 – Переходный процесс по активной мощности ГА микро-ГЭС На рисунке 5.9. приведен переходный процесс по частоте вращения микроГЭС. Данная характеристика имеет следующие показатели:

- перерегулирование max 11,2% ;

- время достижения максимальной точки 0,2 секунд.

Рисунке 5.9 – Переходный процесс по скорости вала ГА микро-ГЭС На рисунке 5.10 приведен переходный процесс по току якоря генератора микро-ГЭС. Данная характеристика имеет следующие показатели:

- перерегулирование max 3,4% ;

- время достижения максимальной точки - 0,2 секунд.

Рисунке 5.10 – Переходный процесс по току генератора постоянного тока Графическое сопоставление экспериментально полученных результатов (рисунки 5.8, 5.9, 5.10.), с результатами математического моделирования (рисунок 4.10, 4.11, 4.12) показало следующее.

1. Характер расчетных и экспериментальных зависимостей идентичен, а уровень их отличия весьма невелик, на основании чего можно сделать вывод о достоверности результатов моделирования на ЭВМ при изучении переходных процессов в ГА с РО гидротурбинами.

Из полученных переходных процессов исследуемых мини-ГЭС видно, что характер полученного переходного процесса по угловой скорости вала ГА, рассчитанного в программе MATLAB/Simulink (глава 4) для мини-ГЭС Артуч практически повторяет вид переходных характеристик, полученных экспериментальным путем.

экспериментальных результатах объясняются, прежде всего, неточностью исходных данных, используемых в расчетах.

В экспериментальной установке расход воды за счет применения РО гидротурбины с низким коэффициентом быстроходности при холостом ходе меньше, чем в номинальном режиме приблизительно на 20%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Показано, что применение в ГА радиально-осевой гидротурбины с низким коэффициентом быстроходности позволяет производить регулирование генерируемой активной мощности путм изменения угловой скорости вала генератора при значениях КПД гидротурбины, несущественно меньших номинального.

2. Увеличению частоты вращения гидротурбины соответствует увеличение е гидравлического сопротивления вследствие действия центробежной силы в спиральной камере и камере рабочего колеса. Поэтому имеется возможность изменять расход воды через турбину и мощность на валу путем изменения числа оборотов, вследствие чего можно использовать аккумулирующую способность водохранилища не изменяя положение направляющего аппарата гидротурбины.

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

4. Нецелесообразно производить регулирование угловой скорости ГА в диапазоне шире, чем 1:2, вследствие нарастающего снижения КПД радиальноосевой гидротурбины при отклонении е угловой скорости от основной. Имея такой диапазон регулирования угловой скорости вала ГА значение генерируемой активной мощности можно изменять в диапазоне от нуля до номинального как в динамических, так и в установившихся режимах работы.

5. Современному уровню развития техники соответствует применение в ГА мини-ГЭС генератора на основе МДП с системой векторного управления электромагнитным моментом генератора.

6. В традиционных ГА на основе синхронного генератора частота вращения вала 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.

7. Показано, что 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.

8. Система управления МДП-генератором может переводить его в режим работы с абсолютно мягкой механической характеристикой вследствие ограничения токов ротора. В данных режимах работы устойчивость, а также и апериодический характер гидромеханических переходных процессов ГА обеспечиваются установкой дополнительных маховых масс на вал ГА и/или увеличением сечения напорного водовода.

9. На основании анализа полинома знаменателя передаточной функции линеаризованной модели управляемого по угловой скорости вала ГА получены условия устойчивости и апериодического характера переходных процессов по угловой скорости вала ГА в режиме ограничения электромагнитного момента.

Данные условия позволяют производить выбор значений суммарного момента инерции и сечения напорного водовода ГА.

10. На основе метода последовательной коррекции автором разработана инженерная методика синтеза регуляторов для двухконтурной САР активной мощности ГА мини-ГЭС. Быстродействие САР по генерируемой активной мощности ограничено суммой некомпенсированных постоянных времени в контуре регулирования скорости вала ГА.

11. Синтез САР генерируемой активной мощности ГА мини-ГЭС следует производить на основе метода последовательной коррекции с внутренним контуром регулирования скорости для ограничения напряжения на выводах ПЧ со стороны колец ротора асинхронной машины. Контур регулирования угловой скорости МДП-генератора должен иметь высокое быстродействие для ограничения напряжения на кольцах ротора в динамических режимах работы.

12. Первоначальным этапом построения САР активной мощности ГА является выбор момента инерции ГА и постоянной времени водовода из условий приемлемого качества переходных процессов в режимах с абсолютно мягкой характеристикой генератора и диапазона возможных значений коэффициента, характеризующего зависимость расхода воды через турбину от частоты вращения вала ГА.

13. Работоспособность предлагаемой методики синтеза регуляторов САР генерируемой активной мощности ГА подтверждена результатами цифрового моделирования и серией экспериментов на микро-ГЭС. При практической реализации разработанной в диссертации методики синтеза значение времени регулирования САР активной мощности ГА мини-ГЭС будет составлять от 0, до 0,25 секунд.

1. // Таджикско - Норвежского Центра по развитию малой энергетики: [сайт].

URL: http://www.tajhydro.tj/ 2. Киселев Г.С. Автоматическое регулирование мощности гидроэлектростанций по водотоку. М.: Энергия, 1973. 121 с.

3. Кривченко Г.И. Гидромеханические процессы в гидроэнергетических установках. 1975. 367 с.

4. Грановский С. А., Малышев В.М., Орго В.М., Смоляров Л. Г. Конструкции и расчет гидротурбин. Л.: Машиностроение, 1974. 408 с.

5. ГОСТ 4.171-85 Система показателей качества продукции. Турбогенераторы, гидрогенераторы, синхронные компенсаторы и их системы возбуждения.

гидроэлектростанций. М.: Энергоатомиздат, 1986. 200 с.

7. Кривченко Г. И. Гидравлические машины: Турбины и насосы. Учебник для вузов М.: Энергия, 1978. 320 с.

8. Кривченко Г. И. Расчеты на микрокалькуляторах переходных процессов в гидроэлектростанциях. М.: Энергоатомиздат, 1989. 136 с.

автоматизированных систем управления гидроэлектростанций: РД 153-34.2.М.: СПО ОРГРЭС. 1999. 57 с.

энергетических системах. Методы исследования переходных процессов. М.:

Энергия, 1970. 400 с.

пособие.Высшая школа, 1969. 400 с.

12. Бронштейн Л.Я., Герман А.Н., Гольдин В.Е., и д.р. Справочник конструктора гидротурбин. Л.: Машиностроение, 1971. 304 с.

13. Киселев П.Г. Справочник по гидравлическим расчетам. 4-е изд. М.: Энергия, 1972. 312 с.

14. Андреев В.Б., Броновский Г.А., Веремеенко И.С., и д.р. Справочник по гидротурбинам. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984. 496 с с.

Гидроэнергетика. Новосибирск: учеб. Пособие. изд-во НГТУ, 2012. 620 с.

16. Гаркави Ю.Е., Смирнов М.И. Регулирование гидротурбин. М.-Л.: Машгиз, 1954. 348 с.

17. Волков Д. Р. Разработка алгоритмических и аппаратных средств исследования, автоматического управления радиально-осевой гидротурбиной: автореф. дис.

канд. техн. наук: 05.13.05/ Волков Дамир Ральевич. Ульяновск, 2006. 21 с.

Гидроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1989. 184 с.

19. Барский С.З. Некоторые вопросы теории и расчета автономного асинхронного генератора стабильной частоты // Электричество. 1966. № 8. С. 63-69.

20. Ващенко А.П., Онищенко Г.Б. Частотно-регулируемый асинхронный электропривод. Итоги науки и техники. Сер. "Электропривод и автоматизация промышленных установок". ВИНИТИ АН СССР, 1988.

21. Филюшов Ю. П. Оптимизация электромагнитных процессов в асинхронной короткозамкнутой машине // Электричество. 2011. № 5. С. 42 - 47.

22. Костырев М.Л., Скоропешкин А.И. Автономные генераторы с вентильным возбуждением. М.: Энергоатомиздат, 1993. 160 с.

23. Загорский А.Е., Шакарян Ю.Г. Управление переходными процессами в электрических машинах переменного тока. М.: Энергоатомиздат, 1986. 176 с.

24. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. М.:

Наука, 1969. 142 с.

асинхронизированных синхронных машин в установившемся режиме // Электротехника. 1963. № 9. С. 35-39.

26. Филюшов Ю. П. Оптимальное по быстродействию управление машиной переменного тока // Электричество. 2011. № 2. С. 46 - 51.

27. Ботвинник М.М. Регулирование возбуждения и статическая устойчивость синхронной машины. М.: Госэнергоиздат, 1960. 70 с.

28. Филюшов Ю. П. Оптимизация электромагнитных процессов в синхронной машине // Электричество. 2011. № 8. С. 57 - 62.

29. Лукутин Б.В. Режимы работы синхронных и асинхронных генераторов микрогидроэлектростанций: Автореф. дис. д-ра техн. наук: 05.09.01/ Лукутин Борис Владимирови. 1993. 38 с.

30. Брускин Д.Э. Генераторы, возбуждаемые переменным током. М.: Высш. шк, 1974. 156 с.

31. Хватов О.С. Управляемые генераторные комплексы на основе машины двойного питания. Монография. Нижегород. гос. техн. ун-т. Н.Новгород, 2000.

32. Титов В.Г., Хватов О.С. Генераторные комплексы на основе машины двойного питания // Тез. докл. 12 НТК конференции “Электроприводы переменного тока с полупроводниковыми преобразователями”/ УПИ, Екатеринбург. 2001.

33. Титов В.Г., Хватов О.С. Автономный генератор по схеме машины двойного питания // Электротехника. 1998. № 8. С. 31-34.

34. Харитонычев М.Ю. Автономная судовая вал генераторная установка на основе машины двойного питания: автореф. дис. канд. техн. наук: 05.09.03/ Харитонычев Михаил Юрьевич. Нижний Новгород. 2007. 19 с.

35. Блоцкий Н.Н., Лабунец И.А., Шакарян Ю.Г. Машины двойного питания.

Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР, 1979.

36. Ioannidou M.G., Tegopoulos J.A. Performance of a doubly-fed induction motor with controlled rotor voltage magnitude and phase angle. // IEEE Trans. Energy Convers.

1987. No. 2. pp. 301-307.

37. Doubly Fed Induction Machine: Modeling and Control for Wind Energy Genertion, First Edition. By G. Abad, J. Lopez, M. A. Rodrguez, L. Marroyo, and G. Iwanski.

2011 the Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc. Published 2011 by JohnWiley&So. 633 pp.

38. Сандлер А.С., Щукин Г.А. Об энергетических показателях регулируемого Электричество. 1973. № 4. С. 44-47.

39. Оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС и изолированно работающих энергосистемах России. ОАО РАО «ЕЭС России», 2007. 68 с.

40. Отчет о научно-исследовательской работе: Анализ режима работы каскада Вахшских ГЭС и Кайракумской ГЭС. Таджикский технический университет им. академика М.С. Осими. Душанбе. 2009. 55 с.

41. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шандарова Е.Б. Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций. Томск: Монография, 2001. 104 с.

42. Лукутин Б.В. Возобновляемые источники электроэнергии. Томск. 2008. 187 с.

43. Обухов С.Г. Микрогидроэлектростанции. Томск. 2009. 63 с.

44. Забудский Е.И. Электрические машины. Ч. 3. Синхронные машины. М.:

Учебное пособие для вузов. МГАУ, 2008. 195 с.

45. Szaflarski Aleksander, Samcik Leszek, Gwozdz Michat. Zasady sterowama uktadu dwustronnie zasilaij trojfazowej maszyny pierscieniowej z transystorowa przetwomica czestotliwoosci // Prz. elektroteclm. 1992. No. 12. pp. 269-273.

46. Бояр-Созонович С.П. Альтернативность асинхронных генераторов с конденсаторным возбуждением // Электричество. 1993. № 12. С. 39-44.

47. Дементьев Ю.Н., Обрусник В.П. Оптимальное управление преобразователем конференция по автоматизированному электроприводу: Тез. докл. С. П.:

Санкт- Петерб. гос. электротехн. ун-т., 1995. 96 с.

48. Онищенко Г.Б., Локтева И.Л. Асинхронные вентильные каскады и двигатели двойного питания. М.: Энергия, 1979. 200 с.

49. Иванов А.А. Справочник по электротехнике. Киев: Вища шк., 1979. 359 с.

50. Панкратов В.В. Векторное управление асинхронными электроприводами.

Новосибирск: Учеб. пособие. Изд-во НГТУ, 1999. 66 с.

51. Панкратов В.В., Зима Е.А. Энергооптимальное векторное управление асинхронными электроприводами. Новосибирск: Учеб. пособие. Изд-во НГТУ, 2005. 120 с.

52. Торопцев Н.Д. Асинхронные генераторы автономных систем. Знак, 1997.

53. Шакарян Ю.Г. Исследование режимов работы управляемой машины переменного тока в электрических системах. Автореф. дис. д-ра техн. наук. М.:

ЭНИН, 1974.

54. F. Blaschke. Das prinzip der Feldorientierung, die Grundlage fur die TRANSVEKTOR-Regelimg von Drehfeldmadiinen. Siemens Z. 1971. Vol. 45.

pp. 757-760.

55. Plunkett A.B. Direct flux and torque regulation in-PWM inverter induction motor drive // IEEE Trans. Ind. Appl. 1977. Vol. 13. No. 3. pp. 470- 478.

56. Walker L.H., Espelage P.M. A high-performance controlled-current inverter drive // IEEE Trans. Ind. Appl. 1980. Vol. 16. No. 2. pp. 193-202.

57. FRICON-A new frequency controlled shaft generator from Siemens Machinery 1988. No. №17/18. pp. 974-978.

58. Островлянчик В. Ю. Развитие теории и практика создания автоматического электропривода большой мощности в составе технологических комплексов.

Новокузнецк: Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук.: 05.13.07.

В.Ю. Островлянчик, 1997. 420 с.

Энергоагомиздат, 1984. 192 с.

60. Nguyen Phung Quang, Jrg-Andreas Dittrich. Vector Control of Three-Phase AC Machines. System Development in the Practice. p.340.

61. Аршеневский Н.Н. Обратимые гидромашины гидроаккумулирующих электростанций. М.: «Энергия», 1977. 240 с.

62. Глазырин М.В. Построение систем векторного управления электроприводов на базе машины двойного питания. Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн.

наук.:05.09.03. М.В. Глазырин; науч. рук. А.С. Востриков – Новосибирск:

НГТУ, 1997. 148 с.

63. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока.

ГОУВПО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина». Иваново, 2008. 298 с.

64. Барлит. В. В. Гидравлические турбины. Киев, издательское объединение "Вища школа", 1977. 360 с.

65. Васильев Ю.С., Саморуков И.С., Хлебников С.Н. Основное энергетическое оборудование гидроэлектростанций. Состав и выбор основных параметров.

Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 2002. 134 с.

66. Гончаров А.Н. Гидроэнергетическое оборудование гидроэлектростанций и его монтаж. М.: Энергия, 1972. 319 с.

67. Новкунский А.А. Разработка усовершенствованной методики расчета и исследование переходных процессов в агрегатах ГЭС после сброса нагрузки.

Дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук.:05.04.13. Новкунский А. А.; науч.

рук. В.А. Умов – Санкт-Петербург: СПбГПУ, 2010. 256 с.

68. Пивоваров В.А. Проектирование и расчет систем регулирования гидротурбин.

Л.: Машиностроение, 1973. 283 с.

69. Аронович Г.В., Картвелишвили Н.А., Любимцев Я.К. Гидравлический удар и уравнительные резервуары. М.: Наука, 1968. 250 с.

70. Мостков М.А., Башкиров А.А. Расчеты гидравлического удара. М.:

Госэнергоиздат, 1952. 200 с.

71. Жмудь А.Е. Гидравлический удар в гидротурбинных установках. М.:

Государственное энергетическое издательство, 1953. 236 с.

72. Фрейшист А.Р., Хохарин А.Х., Шор А.М. Стальные трубопроводы гидроэлектротанций. М.: Энергоиздат, 1982. 247 с.

73. Альтшуль А.Д. Гидравлические потери на трение в трубопроводах. М. – Л.:

Госэнергоиздат. 256 с.

Энергоатомиздат, 1986. 224 с.

75. Шевелев Ф.А. Таблицы для гидравлического расчета стальных, чугунных, асбестоцементных, пластмассовых и стеклянных водопроводных труб. 5-е изд.

М.: Строй издат., 1973. 112 с.

76. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. 3-е изд. М.:

Машиностроение, 1992. 672 с.

77. Меркурьев Г.В., Шаргин Ю.М. Устойчивость энергосистем. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006. 369 с.

78. Глазырин М.В., Диров Р.Х. Анализ динамических свойств гидроагрегата на основе машины двойного питания // Известия вузов. Электромеханика. 2013.

№ 2. С. 28-31.

79. Глазырин М.В., Диров Р.Х. Перспективы применения генераторных комплексов на основе машины двойного питания для малых ГЭС // Известия вузов. Электромеханика. 2012. № 6. С. 78-82.

80. Слежановский О.В., Дацковский Л.Х., Кузнецов И.С., и др. Системы вентильными преобразователями. М.: Энергоатомиздат, 1983. 256 с.

81. Симаков, Г.М. Системы автоматического управления электроприводами:

Учеб. пособие по курсовому проектированию. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. 116 с.

82. Шрейнер Р.Т. Системы подчиненного регулирования электроприводов.

Екатеринбург: учеб. пособие. ГОУ ВПО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2008.

83. Глазырин М.В., Диров Р.Х., Краснопеев Е.А. Построение системы регулирования активной мощности гидроагрегата с переменной частотой вращения вала // Вестник Таджикского технического университета. 2013. № 2.

С. 73-77.

84. Броновский Г. А., Гольдфарб А. И., Фасулати Р. К. Технология гидротурбиностроения. Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1978. 192 с.

85. Глазырин М.В., Диров Р.Х. Анализ и исследование радиально-осевой гидротурбины для МГЭС с машинами двойного питания // Вестник Таджикского технического университета. 2012. № 4. С. 54-59.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПАРАМЕТРЫ ИССЛЕДУЕМОГО ГИДРОАГРЕГАТА МОЩНОСТЬЮ 500 кВт

МИНИ-ГЭС АРТУЧ, РЕСПУБЛИКА ТАДЖИКИСТАН

1. Исходные данные Мини-ГЭС предназначена для работы параллельно с промышленной электросетью.

Работа на изолированную нагрузку и в режиме синхронного компенсатора не предусмотрена.

Установленная мощность ГЭС, кВт Количество гидроагрегатов, шт.

кВт

оошштштшт

аап

Высота расположения ГЭС на уровнем моря, м

На водоприемнике перед водоводом устанавливается ремонтный плоский затвор и сороудерживающая решетка.

открытием и закрытием предтурбинного затвора (рисунок А.1).

2. Общие технические требования к гидроагрегату Выходная мощность гидроагрегата при напоре нетто 71,5 м и расходе не 3. Требования к гидротурбине Тип гидротурбины - радиально-осевая, горизонтальная Диаметр рабочего колеса, м

- номинальная

- разгонная

Номинальная мощность на валу турбины при напоре 71,3 м, кВт …………………………………………….. 4. Требования к генератору Мощность активная-номинальная, кВт

Коэффициент мощности номинальный…………...

Напряжение номинальное, В ……………...............

Частота вращения - номинальная, об/мин ………....

Частота тока, Гц …………………………….………..

Коэффициент полезного действия-номинальный, % не менее Рисунок А.1 – Габаритные и установочные размеры гидроагрегата с радиально-осевой турбиной РО100- 1-Гидротурбина; 2-Генератор; 3-Муфта (Маховик); 4- Кожух; 5-Колено; 6Дифузор; 7,8,9-Шкаф управления; 10-Противоразгонное устройство; 11Предтурбиный затвор

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

СПОСОБ ПУСКА ГИДРОАГРЕГАТА МИНИ-ГЭС НА ОСНОВЕ МАШИНЫ

ДВОЙНОГО ПИТАНИЯ

Пуск ГА мини-ГЭС на основе МДП.

Порядок запуска ГА мини-ГЭС на основе МДП:

1. Включить питание цепей управления;

2. Открыть предтурбинную задвижку;

3. Медленно начать приоткрывать НА;

4. Разгонять ГА до минимального значения диапазона частоты вращения;

5. Подать питание на силовую часть ГК;

Система управления тиристорным короткозамыкателем (ТК) подключит кольца ротора к ПЧ, если напряжение U r на кольцах ротора меньше допустимого.

Напряжение на кольцах ротора должно быть меньше максимального допустимого напряжения ПЧ U r U ПЧ доп (ТК в любой момент готов закоротить роторную цепь между ПЧ и МДП (рис. П2.1). ТК предназначен для защиты системы от превышения напряжения при s sдоп и защищает ПЧ от перегрузки по току при коротком замыкании в цепях статора);

7. Автоматически вступают в работу контуры фазных токов ПЧ. Сигналы задания фазных токов ПЧ формирует СВУ МДП.

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ОСЦИЛОГРАММЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ НА ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЙ

УСТАНОВКЕ – МИКРО-ГЭС МОЩНОСТЬЮ 300 Вт Результаты отработки ступенчатого увеличения сигнала задания по мощности.

Рисунок В.1 – Переходный процесс по активной мощности ГА микро-ГЭС Рисунок В.2 – Переходный процесс по угловой скорости вала ГА микро-ГЭС Результаты отработки ступенчатого уменьшения сигнала задания по мощности.

Рисунок В.3 – Переходный процесс по активной мощности ГА микро-ГЭС Рисунок В.4 – Переходный процесс по угловой скорости вала ГА микро-ГЭС

ПРИЛОЖЕНИЕ Г