EN Новости приводной техники
и промышленной автоматизации
Всероссийский инженерный портал

Большая Арктика и малая энергетика

По общей площади неосвоенных земель наша великая и обильная страна находится впереди планеты всей. Севера и Сибирь – места, над которыми можно часами летать на самолете, не наблюдая внизу ни единого следа человеческой цивилизации. Это впечатляет, и это, конечно - потенциал.

Вопрос освоения этих территорий в последние годы актуализируется в связи с жёсткой конкуренцией за доминирование в Арктике. Причём в ней учавствуют не только скандинавские страны, Канада и США, но и далеко неарктические державы, например, Китай и Индия.

В соответствии со спецификой северных территорий (суровость климата, непроходимость и т. д.) их освоение будет носить точечный характер с преобладающим использованием  безлюдных технологий.

Автоматические посты связи, радиолокационные комплексы наблюдения за воздушной и метеорологической обстановкой, навигационное оборудование и многое другое – всё это требует автономного электроснабжения без присутствия обслуживающего персонала. При этом сервисное обслуживание техники желательно осуществлять не чаще чем один-два раза в год.

Ресурс радиоэлектронных систем на сегодняшний день достигает 100 тыс. часов и более (15 лет эксплуатации), а традиционные для севера дизельные электростанции требуют сервисного обслуживания каждые 250 часов, что делает их применение непригодными для использования в автономных системах.

В рамках разработки новых источников автономного электропитания в ПАО «НПО «Алмаз» ведутся работы в направлении создания перспективных систем автономного и автоматического электроснабжения (САЭС) небольшой мощности (30 … 100 кВт). Данная статья посвящена принципам построения комплексов преобразования электроэнергии, входящих в состав САЭС на основе ветрогенераторных и газотурбинных установок с прямым приводом электрогенераторов.

Важно отметить, что описание подобных комплексов преобразования электроэнергии практически отсутствует в отечественной литературе.

Составными частями рассматриваемых САЭС являются:

  • первичный источник энергии - ветро или газотурбинная установка с электрическим генератором
  • накопитель энергии (аккумулятор)
  • комплекс преобразования электроэнергии (блоки преобразования напряжения, объединяющие в единую систему вышеперечисленные устройства и обеспечивающие их совместную работу)
  • система управления верхнего уровня (СВУ, обеспечивающую управление комплексом и общую логику его работы).

Преобразовательный комплекс осуществляет двойное преобразование энергии (AC=>DC=>AC).

Состоит преобразовательный комплекс из трёх преобразователей:

  • преобразователя электроэнергии генератора (преобразователь генератора)
  • преобразователя электроэнергии аккумулятора (преобразователь аккумулятора)
  • преобразователя напряжения звена постоянного тока в напряжение промышленной сети (сетевой преобразователь).

Преобразовательный комплекс под управлением СВУ решает следующие задачи:

  • преобразование переменного напряжения генератора (в нашем случае синхронного) в напряжение звена постоянного тока
  • преобразование напряжения звена постоянного тока (Udc на Рис.1) в напряжение выходной электрической сети (220В или 380В, 50 Гц)
  • обеспечение баланса между отдаваемой генератором и потребляемой нагрузкой электрической мощностью за счет заряда-разряда аккумулятора
  • обеспечение работы генератора в режиме стартера при запуске газотурбинного двигателя.

Очевидно, что эти функции должны выполняться при обеспечении максимального КПД САЭС.

КПД ветро, газотурбинных установок определяется выбором режима их работы.

В установках с прямым приводом генератора и преобразованием электроэнергии скорость вращения генератора зависит от разности раскручивающего момента и моментом сопротивления на валу генератора.

Например, для ветроэлектрической установки при существующей скорости ветра можно найти угол поворота лопастей турбинного колеса и скорость генератора, соответствующие максимальному КПД установки.

Аналогично для газотурбинной установки, работающей на заданную нагрузку, существует набор параметров, включающий скорость, соответствующий максимальному КПД установки.

Таким образом, для генерации электроэнергии с максимальным КПД во всем диапазоне нагрузок необходимо управлять скоростью вращения вала генератора. Эту функцию выполняет преобразователь генератора. Управляя моментом на валу генератора и поддерживая заданную скорость, он обеспечивает заряд конденсатора в звене постоянного тока (см. Cdc на Рис.1).

Напряжение Udc на этом конденсаторе стабилизируется в зависимости от  режима работы установки сетевым или аккумуляторным преобразователем.

Если источник САЭС подключается к сети переменного тока, то для стабилизации напряжения Udc используется сетевой преобразователь, называемый «инвертор, ведомый сетью». В этом случае аккумулятор в комплексе обычно отсутствует.

Если САЭС работает на автономную нагрузку, то напряжение в звене постоянного тока стабилизируется на необходимом уровне двунаправленным преобразователем аккумулятора, а преобразователь сети формирует требуемое выходное напряжение (например, 220/380 В, 50 Гц).

Преобразователь аккумулятора находится в буфере и помогает обеспечить баланс мощности в динамике. Если энергии потребляется больше, чем вырабатывается - он разряжается, а если наоборот – то, естественно, наоборот.

Структура реализованного на ПАО «НПО «Алмаз»  преобразовательного комплекса приведена на Рис.1

Рис. 1

Преобразователь генератора

Силовая часть преобразователя генератора – это стандартный трёхфазный мостовой инвертор, управляемый ШИМ-сигналом (См. Рис.1).

Система управления преобразователем генератора представляет собой систему векторного регулирования скорости, построенную во вращающейся синхронно с потоком ротора генератора системе координат dq (см. Рис.2).

Структура подобной системы известна и подробно рассмотрена, например, в разделах 6 и 8 источника [1] из списка литературы.

Выход регулятора скорости (Рег W)  задаёт момент, необходимый для отработки заданной скорости. Момент обеспечивается q -составляющей вектора тока при нулевом значении его d - составляющей. Регуляторы тока (Рег Iq и Рег Id) формируют вектор управляющего напряжения. Перекрёстные связи между каналами регулирования токов координат компенсируются специальным блоком КПС (см. разделы 6 и 8 источника [1] в списке литературы).

Координатные преобразования осуществляются преобразователями ABC=>dq0 и dq0=> ABC.

Рис.2

Данная система позволяет управлять скоростью генераторного режима. Кроме того, при старте  турбогенератора  она может, используя питание от аккумулятора, в двигательном режиме раскрутить генератор до нужной стартовой скорости. То есть управляемый такой системой генератор может одновременно являться и стартером.

Для работы вышеприведенной системы управления генератором необходима информация о скорости и текущем положении ротора. Применение датчика положения ротора является нежелательным, а в случае высокочастотного турбогенератора и невозможным. Соответственно оценки скорости и положения ротора делаются в системе с помощью наблюдателя состояния генератора. В качестве наблюдателя используется скользящий наблюдатель за ЭДС генератора с ФАПЧ.

Кроме того, при реализации системы управления предприняты специальные меры по учёту   и компенсации временной дискретности управления, что в случае высокоскоростного (до 96000 об/мин) турбогенератора - необходимо.

Преобразователь аккумулятора

Данный преобразователь представляет из себя двунаправленный повышающий преобразователь напряжения с ШИМ-управлением. Его функция – за счёт управления током аккумулятора поддерживать напряжение в звене постоянного тока равным заданному.

Преобразователь имеет трёхканальную структуру, что позволяет делить мощность между каналами. Кроме того, для снижения амплитуды пульсаций тока и  напряжения ШИМ-сигналы управления полумостами каналов смещены относительно друг друга на 1/3 периода ШИМ.

Кроме трёх каналов преобразования в структуру входит резистор-ограничитель тока начального заряда (Rз)и гаситель энергии (Rг).

Гаситель обеспечивает резистивное рассеяние энергии в случае, если аккумулятор уже не способен принять энергию, а деть её куда-то надо.

Система управления блока - это система регулирования напряжения с трёхканальным внутренним контуром тока (см. Рис.3).

Рис.3

Преобразователь сети

Данный преобразователь спроектирован в двух вариантах.

Автономный преобразователь

Из напряжения звена постоянного тока он формирует трёхфазную сеть с нулевым проводом (3N 380 В 50 Гц). Предполагается, что нагрузка сети может быть нелинейная, несимметричная и переменная.

Силовая часть преобразователя состоит из трёхфазного инвертора фаз (АВС) с фильтром и однофазного инвертора нулевой точки (см. Рис.1).

Стабилизация амплитуды напряжения (UАВС) и обеспечение его синусоидальности и симметрии осуществляется за счёт управления ШИМ-напряжением (UШИМ) на выходе инвертора.

Система управления преобразователем строится во вращающейся синхронно с фазой вектора формируемой сети системе координат dq0. Это трёхканальная система управления напряжением с подчиненными контурами токов. Симметрию, синусоидальность и стабилизацию амплитуды система обеспечивает  с помощью обеспечения выполнение следующих трёх условий:

  • равенство величины d-составляющей напряжения UАВC заданной амплитуде (220В)
  • равенство 0 величины q-составляющей напряжения UАВC
  • равенство 0 величины нулевой последовательности напряжения UАВC

Рис.4

Система регулирования UАВС содержать три подсистемы регулирования величин соответствующих составляющих этого напряжения (d, q и 0). Упрощённая структура системы изображена на Рис.4.

Все три подсистемы строятся по одинаковой двухконтурной схеме:

  • регулятор контура напряжения вырабатывает сигнал тока соответствующей составляющей, который необходимо отработать для исключения рассогласования между заданием и сигналом обратной связи
  • внутренний контур тока обеспечивает отработку заданного значения тока соответствующей составляющей.

Блок КПС обеспечивает компенсацию перекрёстных связей между каналами регулирования d и q составляющих.

Преобразование dq0=> ABC осуществляется соответствующим координатным преобразователем.

В качестве сигналов обратной связи по напряжению и току в систему вводятся сигналы с датчиков фазных напряжений и токов,  подвергнутые преобразованию ABC=>dq0.

Такая система:

  • обеспечивает поддержание синусоидальности выходных напряжений заданной амплитуды
  • выравнивает напряжение в фазах вне зависимости от нагрузки, увеличивая напряжение на входе фильтра в перегруженной фазе и уменьшая в недогруженной.

Инвертор, ведомый сетью

Данный вариант преобразователя предполагает наличие внешней сети и не предполагает наличия аккумулятора. Инвертор, ведомый сетью, позволяет обмениваться энергией с сетью и стабилизировать при этом напряжение в звене постоянного тока на заданном уровне. Такое управление делает возможным:

  • начальный пуск генератора с потреблением энергии от сети
  • выдачу энергии в сеть с обеспечением баланса мощности
  • компенсацию реактивной составляющей сети.

В общем случае сеть может быть несимметричной по напряжению и нагрузке.

Силовая часть представляет собой трёхфазный мостовой инвертор, подсоединяющийся к внешней сети через трёхфазный дроссель и являющийся двунаправленным повышающим AC-DC преобразователем. Используемые алгоритмы управления обеспечивают регулировку (вплоть до единичного значения) коэффициента мощности и низкие значения негармонических искажений выходного напряжения.

Данную схему часто называют активным выпрямителем.

Система управления активным выпрямителем строится во вращающихся синхронно с вектором сети координатах dq. Фаза сети отслеживается с помощью системы ФАПЧ.

Поддержание заданного напряжение в звене постоянного тока осуществляется ШИМ-напряжением, на выходе инвертора формируемым за счет управления величиной активной составляющей тока сети при обеспечении нулевого (или заданного) реактивного тока.

Упрощенная структура выполняющей эти функции системы управления силовым трёхфазным инвертором приведена на Рис.5.

Эта система регулирования - двухконтурная. Она содержит внешний контур напряжения и внутренний контур тока (контур вектора тока).

Сигнал с выхода регулятора напряжения (Рег U) подаётся на задание d-составляющей тока инвертора, а задание q-составляющей тока принимается равным 0. При этом обеспечивается поддержание заданного U и активный характер тока инвертора по отношению к сети.

Рис. 5

Блок КПС обеспечивает компенсацию перекрёстных связей между каналами регулирования d и q составляющих тока.

Координатные преобразования осуществляются соответствующими блоками.

Результаты:

  • оборудование турбогенераторного комплекса не требует частых регламентных работ и его ресурс на порядок превосходит ресурс традиционных дизельэлектрических станций
  • комплексы могут включаться в параллель и формировать автономные сети различной требуемой мощности
  • качеством энергии сети можно гибко управлять, компенсируя преобразователями реактивную мощность и токи нулевого провода.

На Рис.6 приведена осциллограмма трёхфазного выходного напряжения опытного образца САЭС при автономной работе с выходной мощностью потребления 25 кВт и 50-процентной несимметрией нагрузки в одной из фаз.

При этом содержание высших гармоник в напряжении фаз не более 1%, и несимметрия не более 2.6%.

Рис. 6

Далее на Рис.7  приведены осциллограммы работы на нелинейную нагрузку в виде трёхфазного диодного выпрямителя мощностью 19.5 кВт вместе с дополнительной несимметричной резистивной нагрузкой  фазы С  равной 2.5кВт.

 

Токи фаз А, В и С

Напряжения фаз А, В и С

Рис.7

При этом содержание высших гармоник в напряжении фаз равно 3.4%, и несимметрия - не более 2%.

Ю.Н.Калачёв

А.Г Александров

С.В.Монин

 

 

 

Список литературы

 

[1] Ю.Н. Калачёв, «Моделирование в электроприводе», Москва, «ДМК», 2019.

 

 [2]  Krzysztof Koska, Marcin Wawro, Adam Ruszczyk, «Control of 3-leg 4-wire inverter with passive LC output filter operating with nonlinear unbalanced load», Conference Paper ·November 2015, DOI: 10.13140/RG.2.1.4049.8002

 

[3]  Instantaneous Power Control of a High Speed Permanent Magnet Synchronous Generator based on a Sliding Mode Observer and a Phase Locked Loop, Jiandong Duan, Shaogui Fan, Quntao An, Li Sun, Electrical Engineering Department, Harbin Institute of Technology, Harbin, People’s Republic of China

 

[4] Sensorless Field Oriented Control of PMSM Motors, author: Jorge Zambada, Microchip Technology Inc.

 

 

Теги

Комментарии
Пока еще нет ни одного комментария. Ваш может быть первым!
Добавить комментарий