С параллельно работающими генераторами.

Структурная схема судовой электроэнергетической системы (СЭЭС) с параллельно работающими СГ приведена на рис.2.26.

СЭЭС состоит из основного источника электроэнергии и главной энергетической установки (ГЭУ). Основным источником электроэнергии на судах служат дизель-генераторные агрегаты ДГА1, ДГА2, …, состоящие из генераторов Г1, Г2, …, приводимых во вращение дизелями Д1, Д2, … . Главная энергетическая установка состоит из главного двигателя (ГД), приводящего в движение судно с помощью винта регулируемого шага (ВРШ). Валопровод сочленен с ГД через редуктор (Р). Скорость движения судна изменяют разворотом лопастей ВРШ через механизм изменения шага (МИШ). К редуктору, из которого выходит валопровод, подсоединен валогенератор (ВГ), являющийся генератором отбора мощности.

Все генераторы подключены параллельно на общие шины главного распределительного щита (ГРЩ). Потребители получают электрическую энергию от ГРЩ и РЩ ВГ. СЭС является сетью с ограниченной мощностью.

На все генераторы из системы возбуждения подводится напряжение возбуждения u_f, а все дизели получают из топливной системы топливо с величиной расхода g.

Для автономно работающих ДГА и для ДГА, являющимся ведущим в группе параллельно работающих СГ, используются системы автоматического регулирования напряжения (АРН) и автоматического регулирования частоты (АРЧ). Для этих регуляторов уставками являются заданные уровень и частота напряжения сети.

Для ДГА, являющихся ведомыми в группе параллельно работающих СГ, осуществляются регулирования активной и реактивной мощности с использованием регуляторов, соответственно, АРАМ и АРРМ, воздействующих на дизель через топливную систему, а на генератор – через систему возбуждения.

На рис.2.26 принят ведущим генератор СГ1 и, поэтому, его топливной системой и системой возбуждения управляют, соответственно, АРЧ1 и АРН1. Топливными системами и системами возбуждения всех остальных ведомых генераторов (СГ2, … ) управляют, соответственно, АРАМ и АРРМ. На ведущий генератор СГ1 системы АРАМ и АРРМ не оказывают никакого влияния (связи показаны пунктиром), а на ведомые генераторы не оказывают влияния (отсоединены) системы АРЧ и АРН.

Качество электроэнергии на судне в статических и динамических режимах работы генераторных агрегатов регламентируется Регистром флота.

Для моделирования электромеханических процессов в генераторах СЭЭС используют уравнения Парка-Горева (УПГ). УПГ описывают СГ в осях d-q ориентированных по оси его обмотки возбуждения. Так как роторы параллельно работающих СГ не имеют между собой жесткого соединения и, поэтому, вращаются с разными частотами и занимают различное положение в пространстве, то, естественно, оси d₁-q₁, d₂-q₂, ... являются несовпадающими. Поэтому, между осями d-q параллельно работающих СГ существуют углы, которые обозначим как δ. Для объединения УПГ параллельно работающих СГ в одну систему уравнений необходимо их дополнить уравнениями связи, являющимися функциями углов δ.

Технику моделирования электромеханических процессов параллельно работающих СГ рассмотрим на СЭЭС, состоящей из двух СГ (рис.2.27).

Рисунок 2.26 - Структурная схема СЭЭС с параллельно работающими СГ

Для ведущего генератора СГ1 моделью является система УПГ (2.12) и выражения-определения потокосцеплений (2.13), в которых произведена следующая замена индексов: . Токи и напряжения статора в модели имеют обозначения i_1d, i_1q, u_1d и u_1q.

Рисунок 2.27 - Структурная схема модели СЭЭС с двумя параллельно работающими СГ: ведущим СГ1 и ведомым СГ2

Составляющие напряжения сети u_Сd и u_Сq принимаются равными состав-

ляющим u_1d и u_1q напряжения СГ1. Под этим напряжением находятся потребители нагрузки электростанции и при известной нагрузке рассчитываются составляющие i_Нd, i_Нq ее тока, которые привязаны к осям d₁-q₁ СГ1.

Моделью ведомого генератора СГ2 моделью является система УПГ (2.12) и выражения-определения потокосцеплений (2.13), в которых произведена следующая замена индексов: . Токи и напряжения статора в модели имеют обозначения i_2d, i_2q, u_2d и u_2q.

СГ2 подключен к общим с СГ1 шинам ГРЩ и участвует в создании тока в нагрузке, который обозначим как комплексную величину . СГ1 также создает в нагрузке, который обозначим как комплексную величину . Полный комплексный ток нагрузки является суммой указанных токов: . Описание тока в комплексной форме содержит в себе одновременно его амплитуду и электрическую фазу. Просуммировать комплексные токи можно при условии, что электрические фазы слагаемых токов отсчитаны относительно общих координатных осей. Это условие не выполняется в рассмотренных выше блоках структурной схемы, приведенной на рис.2.27, а именно, в моделях СГ1, СГ2 и модели нагрузки. В моделях СГ1 и нагрузки используются оси d₁-q₁, а модели СГ2 - оси d₂-q₂. Из-за несогласованного вращения указанных пар осей в пространстве, совместные операции над электрическими фазами токов i_1d, i_1q, i_2d и i_2q лишены смысла. Для преодоления возникшей проблемы необходимо ввести блоки приведения токов i_2d и i_2q, рассчитанных на модели СГ2 в осях d₂-q₂, к эквивалентным токам, но в осях d₁-q₁.

Для вывода формул приведения рассмотрим обобщенный вектор тока со стороны пар осей d₁-q₁ и d₂-q₂ (рис.2.28). Проекциями на оси d₂-q₂ будут токи i_2d и i_2q, которые являются действительными токами, рассчитанными из модели СГ2 в осях d₂-q₂. Проекциями на оси d₁-q₁ будут токи i_21d и i_21q, которые являются фиктивными токами. У пар токов i_2d - i_2q и i_21d - i_21q общим является вектор тока . Поэтому, пара токов i_21d - i_21q заменяет пару токов i_2d - i_2q.

Из-за несинхронного вращения пар осей d₁-q₁ и d₂-q₂ между ними имеется угол δ. При найденных из моделей СГ1 и СГ2 значениях скольжений s₁ и s₂, угол δ может быть найден по выражению

(2.115)

При компьютерном моделировании вместо (2.115) нужно использовать эквивалентное ему дифференциальное уравнение в нормальной форме

(2.116)

Рисунок 2.28 - К приведению токов i_2d и i_2q, определенных в осях d₂-q₂, связанных с СГ2, к токам i_21d и i_21q, привязанным к осям d₁-q₁ СГ1

Из построений, приведенных на рис.2.28, следуют формулы приведения токов СГ2, определенных в осях d₂-q₂, в токи осях d₁-q₁:

(2.117)

Для приведения найденных из модели СГ2 в относительных единицах токов i_21d и i_21q к токам в относительных единицах модели СГ1, необходимо учесть коэффициент приведения номинальных полных мощностей СГ, равный

Приведенные к СГ1 токи ведомого СГ2 определятся по формулам

Теперь могут быть найдены составляющие тока СГ1 в токе нагрузки (рис.2.27):

(2.118)

Эти токи заводятся на вход модели СГ1.

Аналогично токам, требуется также приведение напряжений сети u_Сd и u_Сq, которые рассчитаны в осях d₁-q₁, к напряжениям u_2d и u_2q в осях d₂-q₂, в которых моделируется СГ2. Формулы приведения, выведенные по той же методике, что и формулы приведения для токов (2.117), имеют вид

(2.119)

Напряжения u_2d и u_2q являются входными для модели СГ2 и используются в УПГ, описывающих этот генератор.

Вопросы для самоконтроля

1. Поясните состав и взаимодействие элементов структурной схемы СЭЭС с параллельно работающими генераторами.

2. По каким уравнениям моделируется ведущий генератор СЭЭС?

3. По каким уравнениям моделируются ведомые генераторы СЭЭС?

4. Почему невозможно сложение токов СГ, работающих на общую нагрузку, если токи определены из раздельных моделей СГ?

5. Поясните роль обобщенного вектора тока в процедурах приведения токов ведомого СГ в ведущему.

6. Выполните вывод формул приведения токов СГ2 к токам СГ1.

7. Зачем нужно приведение напряжения СГ1 к напряжению СГ2?

Литература [1-9]