Внедрение в производство энергосберегающих технологий
и освоение нетрадиционных возобновляемых источников электроэнергии
непосредственно связано с исследованием и разработкой генераторных
комплексов (ГК) переменного тока. Различные варианты таких ГК на
базе асинхронных (АГ) и синхронных (СГ) генераторов работают в составе
энергетических систем и характеризуются как переменной, в общем
случае, частотой вращения вала генератора, так и меняющейся по величине
и характеру нагрузкой (малые ГЭС; судовые валогенераторы, ветроэлектростанции
и др.). Требования, предъявляемые к ГК по обеспечению качества вырабатываемой
электроэнергии (частоты fc и величины напряжения
Uc) должны соблюдаться во всех режимах его работы,
среди которых:
- автономный;
- работа параллельно с другими ГК;
- работа на сеть "бесконечной" мощности.
Обеспечить стабилизацию параметров вырабатываемой электроэнергии
ГК можно как механическим способом (на основе редукторных передач,
дифференциальных механизмов и др.), так и электрическим (например,
с помощью статических преобразователей частоты (ПЧ).
Первый способ имеет низкий КПД, обусловленный потерями энергии
в самой механической передаче, и в статье не рассматривается. Второй
- обеспечивает более высокий КПД генерирования и к тому же имеет
лучшие показатели вырабатываемой электроэнергии в динамике [1].
В этом случае ГК может быть построен как на базе АГ с ПЧ в роторе
(машина двойного питания (МДП) так и по схеме СГ-ПЧ в статоре.
ГК на базе МДП имеет два канала генерирования мощности - через
статор и ротор АГ. При этом ПЧ рассчитан на передачу только энергии
скольжения АГ, т. е. его мощность пропорциональна отклонению частоты
вращения вала генератора от синхронной.
Вариант ГК по схеме СГ-ПЧ в статоре имеет один канал генерирования
энергии - через статор СГ. Поэтому мощность ПЧ в статоре альтернативного
ГК на базе СГ рассчитана на передачу всей мощности генератора, что
увеличивает капитальные затраты.
В статье рассмотрен вариант автономного ГК по схеме МДП (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема автономного МДП-генератора
Для стабилизации параметров вырабатываемой электроэнергии (fc,
Uc) ГК, работающего в автономном режиме необходимо
обеспечить баланс активной и реактивной мощностей между ГК и нагрузкой.
Баланс активной мощности поддерживается в МДП-генераторе с помощью
ПЧ. Баланс реактивной мощности обеспечивается как за счет управления
ПЧ, так и с помощью дополнительных источников реактивной мощности
(ИРМ).
В ГК на основе МДП потребителями реактивной мощности являются АГ
(QАГ), ПЧ (QПЧ) и нагрузка (QН).
Причем при изменении режима работы автономной системы QАГ
остается практически неизменной, а QПЧ и QН
изменяются. В связи с этим постоянную составляющую QАГ
целесообразно обеспечивать за счет использования нерегулируемых
по величине конденсаторных батарей (CВ), а QПЧ
и QН обеспечивать регулируемым ИРМ.
На рис. 2 представлены зависимости минимальной требуемой величины
ИРМ для работы автономного МДП-генератора с различными типами ПЧ
(ШИМ-ПЧ, ТНПЧ и "классический" НПЧ), отличающимися как по возможности
фазового регулирования тока (напряжения) в роторе АГ, так и по его
гармоническому составу.
Рис.2 Зависимость минимальной требуемой мощности ИРМ от активной
мощности нагрузки QИРМ = f(Pн)
при работе со скольжением s = 0,25 и cos( j н)
= 0,7
Из анализа зависимостей QИРМ = f(Pн)
следует, что наибольшие значения ИРМ соответствуют варианту МДП
с классическим НПЧ. При этом ИРМ является необходимым звеном ГК
во всем диапазоне мощностей нагрузок,когда потребителями реактивной
энергии являются как АГ так и преобразователь. В варианте с ШИМ-ПЧ
установленная мощность ИРМ имеет минимальное значение, что обусловлено
энергетическими и регулировочными показателями преобразователя (cos
j пч = 1). Причем в диапазоне мощностей нагрузки
от 0 до 80% от Pн при s = 0,25 и cos(
j н) = 0,7 МДП-генератор обеспечивает автономный
режим работы без ИРМ, т. к. генерирование требуемой реактивной мощности
в нагрузку (QН) осуществляется через статор АГ,
а ПЧ ее практически не потребляет (QПЧ = 0). Требуемая
мощность ИРМ для варианта МДП-генератора с ТНПЧ больше, чем в первом
но меньше, чем во втором варианте ГК. Это связано с ограниченными
возможностями по регулированию фазы тока (напряжения) в роторе АГ
и потреблением реактивной мощности преобразователем частоты в данном
варианте ГК.
Оценка коэффициента нелинейных искажений (Кн)
в автономной сети проведена на основе анализа электромагнитных процессов
в МДП-генераторе. Считаем, что форма тока АГ для варианта МДП с
ШИМ-ПЧ - синусоидальная, а для двух рассмотренных вариантов МДП
с ТНПЧ и "классическим" НПЧ - несинусоидальная. Гармонический состав
тока в роторе АГ зависит как от индуктивного сопротивления сглаживающего
дросселя ПЧ (Хdr), так и от режима работы ГК (нагрузки,
частоты вращения вала генератора). На рис. 3 представлены зависимости
коэффициента нелинейных искажений в автономной сети - Кн
от нагрузки.
Рис. 3. Зависимости Кн = f(Pн)
Наибольшие искажения напряжения соответствуют варианту ГК с ТНПЧ.
Вариант автономного МДП-генератора на базе "классического" НПЧ отличается
меньшими искажениями, что связано с большей (по сравнению с вариантом
на базе ТНПЧ) мощностью ИРМ, выполняющей к тому же функцию фильтра
высших гармоник.
Оценка энергетических показателей автономного МДП-генератора проведена
на основе коэффициента потерь Кp = Р
е /Рн, где:
- Р е - суммарные электрические потери в МДП;
- Рн - мощность нагрузки.
Из представленных на рис. 4 зависимостей Кн =
f(Pн) следует, что максимальные значения
Кн соответствуют варианту МДП-генератора с "классическим"
НПЧ. Использование токового НПЧ в составе МДП-генератора приводит
к снижению коэффициента Кн. Минимальные потери
(Кн) соответствуют варианту с ШИМ-ПЧ. Расчеты
проводились с учетом минимально требуемой величины ИРМ для каждого
из вариантов МДП. Зависимости Кн = f(Pн)
характеризуют не только тепловое состояние МДП, но и используются
при выборе мощности движителя МДП-генератора (турбины, дизеля и
др.).
Рис. 4. Зависимости Кн = f(Pн)
Расчеты проводились в математическом приложение Mathcad Plus 6.0
for Windows для АГ с фазным ротором типа 4АНК350М8У3 с номинальной
мощностью 160 кВт.
Титов В. Г., Хватов О. С., Ошмарин О. Н.
|