Avtonom elektrik stansiyalarında bir neçə sinxron generator ümumi yükü qidalandırarkən generatorların yalnız nominal gərginliyi və tezliyi saxlaması deyil, həm də yükü dayanıqlı şəkildə bölüşdürməsi və aralarındakı elektromexaniki güc rəqslərinin məhdud səviyyədə qalması tələb olunur. Bu tədqiqat uzununa d və eninə q oxlarında müstəqil təsirlənmə dolaqlarına malik iki sinxron generatorun dizel intiqalları, sürət və gərginlik tənzimləyiciləri və ümumi aktiv-induktiv yüklə birlikdə paralel işini MATLAB/Simulink mühitində modelləşdirir.

Generatorun riyazi modeli Park–Gorev diferensial tənlikləri əsasında rotorla birlikdə fırlanan dq koordinat sistemində qurulmuşdur. Dizel intiqalı modeli yalnız orta mexaniki momentdən istifadə etmək əvəzinə, dördsilindrli daxiliyanma mühərrikinin dirsəkli valın bucağından asılı qeyri-xətti fırlanma momenti əyrisini ehtiva edir. Model həmçinin bir silindrin işdən çıxması kimi qeyri-normal intiqal vəziyyətlərini və sürət tənzimləyicisindəki mexaniki boşluğu təsvir edə bilir.

Simulyasiya nəticələrinə görə, tam yükün pilləvari qoşulması zamanı generatorun bucaq sürətinin sapması təxminən −%2,2 ilə +%0,8 arasında olmuş və təxminən 3–3,5 saniyədə yenidən istinad səviyyəsinə yaxınlaşmışdır. İki generator normal iş rejimində yükü təxminən bərabər bölüşdürərkən aralarında generator gücünün %9,5-i səviyyəsində aktiv güc mübadiləsi rəqsləri yaranmışdır. İkinci dizel qrupunun bir silindri işdən çıxarıldıqda bu rəqsin amplitudası %32,2-yə yüksəlmiş və rəqs təxminən 2,47 Hz tezlikdə baş vermişdir.

Nəticələr fiziki elektrik stansiyasının və ya gəmi generator qrupunun sahə sınağından əldə edilməmişdir; onlar MATLAB/Simulink riyazi modelindən alınmışdır. Tədqiqatın əsas töhfəsi iki ox üzrə təsirlənməli sinxron generatorları, qeyri-xətti dizel intiqalı momentini, sürət və gərginlik tənzimləyicilərini və ümumi yükü vahid parametrik simulyasiya mühitində birləşdirməsidir.

Ətraflı izah

Uzununa-eninə təsirlənməli sinxron generator nədir?

Uzununa-eninə təsirlənməli sinxron generator rotorun d və q oxlarında bir-birindən müstəqil iki təsirlənmə kanalına malik sinxron maşındır. Ənənəvi bir ox üzrə təsirlənməli sinxron generatorda əsas idarəetmə d oxundakı sahə dolağı vasitəsilə aparıldığı halda, iki oxlu quruluşda q oxunda əlavə təsirlənmə dolağının olması elektromaqnit və elektromexaniki rəqsləri idarə etmək üçün əlavə idarəetmə sərbəstliyi yaradır.

Tədqiqatda q oxundakı əlavə dolağın əsas təsirlənmə oxuna nəzərən elektrik bucağı üzrə π/2 sürüşdürüldüyü qəbul edilir. Müəlliflərin əsas yanaşması d oxundakı təsirlənmədən generatorun çıxış gərginliyini saxlamaq, q oxundakı təsirlənmədən isə rotorun bucaq hərəkətini və mexaniki rəqslərini sönümləmək üçün istifadə etməkdir.

Model niyə standart Simulink generator bloku ilə qurulmayıb?

Mənbədə qeyd edilir ki, standart Simscape/Simulink sinxron maşın modelləri əsasən klassik bir ox üzrə təsirlənməli və ya daimi maqnitli maşınlar üçün hazırlanmışdır. q oxunda müstəqil təsirlənmə dolağı olan maşının elektromaqnit proseslərini tam təsvir etmək üçün riyazi model əsas Simulink bloklarından yenidən qurulmuşdur.

Park–Gorev çevrilməsi generator modelini necə sadələşdirir?

Park–Gorev çevrilməsi statordakı üç sabit faza dolağını rotorla birlikdə fırlanan d və q oxlarında iki ekvivalent elektrik dövrəsi ilə təsvir edir. Beləliklə, zamandan asılı üçfazalı kəmiyyətlərin təhlili rotor koordinatlarında daha nizamlı diferensial tənliklər vasitəsilə aparıla bilər.

Mənbədə istifadə olunan əsas fərziyyələr

• Maşın ikiqütblüdür və maqnit/elektrik baxımından simmetrikdir.
• Maqnit doyma nəzərə alınmamışdır.
• MMF ilə maqnit seli arasındakı əlaqə xətti qəbul edilmişdir.
• Sahə və MMF paylanmaları sinusoidal qəbul edilmiş, yüksək harmonikalar nəzərə alınmamışdır.
• Sistem tarazlaşdırılmışdır və sıfır ardıcıllıqlı komponent sıfırdır.

Park–Gorev diferensial tənlikləri

Mənbə d və q oxlarındakı stator, təsirlənmə və dempfer dolaqlarının sel ilişmələrini aşağıdakı quruluşdakı diferensial tənliklərlə təsvir edir:

\[ \frac{d\Psi_d}{dt} = u_d-r_ai_d-\omega\Psi_q \]

\[ \frac{d\Psi_q}{dt} = -u_q-r_ai_q+\omega\Psi_d \]

\[ \frac{d\Psi_{fd}}{dt} = \frac{u_{fd}}{T_{0d}} - \frac{i_{fd}}{T_{0d}} \]

\[ \frac{d\Psi_{fq}}{dt} = \frac{u_{fq}}{T_{0q}} - \frac{i_{fq}}{T_{0q}} \]

\[ \frac{d\Psi_{1d}}{dt} = -\frac{i_{1d}}{T_{1d}}, \qquad \frac{d\Psi_{1q}}{dt} = -\frac{i_{1q}}{T_{1q}} \]

Burada d və q rotor oxlarını, Ψ sel ilişməsini, u gərginliyi, i cərəyanı, r_a statorun aktiv müqavimətini, T₀ təsirlənmə dolağının zaman sabitlərini və T₁ dempfer dolağının zaman sabitlərini göstərir.

Mənbə diferensial tənlikləri və sel ilişməsi tənliklərini matris şəklində də ifadə edir:

\[ \left[\frac{d\Psi}{dt}\right] = [u]-[RT][i]+[\omega][\Psi] \]

\[ [\Psi]=[KX][i] \]

Cərəyan matrisi ikinci tənlikdən çıxarıldıqda elektrik modeli:

\[ \left[\frac{d\Psi}{dt}\right] = [u] - \left( [RT][KX]^{-1} - [\omega] \right)[\Psi] \tag{3} \]

şəklinə gətirilir. Mənbənin Şəkil 1-indəki Simulink generator modeli birbaşa bu quruluş əsasında yaradılmışdır.

Simulink generator blokunun giriş və çıxışları

Model elektrik baxımından cərəyan mənbəyi şəklində qurulmuşdur. Girişlərinə gərginliklər massivi və rotorun bucaq tezliyi verilir, çıxışlarında isə elektromaqnit momenti və d və q oxlarındakı ekvivalent stator cərəyanları i_d və i_q əldə edilir.

Dizel intiqalının qeyri-xətti fırlanma momenti niyə modelə daxil edilib?

Porşenli daxiliyanma mühərriki sabit fırlanma momenti yaratmır. Silindr təzyiqi, dirsəkli val-şatun mexanizminin həndəsəsi və hərəkətli hissələrin ətalət qüvvələri səbəbindən dirsəkli valdakı ani fırlanma momenti valın bucağına görə dövri dəyişir. Bu dalğalanma paralel işləyən generatorlar arasındakı elektromexaniki güc rəqslərinə təsir edə bildiyindən tədqiqatda dizel mühərriki yalnız orta fırlanma momenti ilə təsvir edilmir.

Birkütləli mexaniki model

Dizel mühərrikinin, generator rotorunun, valın və muftanın bütün fırlanma ətalətləri vahid ekvivalent ətalət həddində birləşdirilmişdir. Mexaniki tarazlıq Tənlik 4 ilə:

\[ M_{MECH} - M_{EM} - T_J\frac{d\omega}{dt} - M_{BT} = 0 \tag{4} \]

şəklində ifadə edilir.

Burada M_MECH dizel mühərrikinin momentini, M_EM generatorun elektromaqnit momentini, T_J ümumi fırlanma ətalətinin zaman sabitini və M_BT mexaniki itkiləri təsvir edən özlü sürtünmə momentini göstərir.

Özlü sürtünmə mənbədə:

\[ M_{BT}=B\omega \]

şəklində modelləşdirilir.

4 silindrli dizel mühərriki modeli

Mənbənin Şəkil 2-si 0–4π dirsəkli val bucağı boyunca dördsilindrli dizel mühərrikinin ani fırlanma momentinin dəyişməsini göstərir. 4π intervalı dördtaktlı mühərrikin dirsəkli valının iki dövründən ibarət tam iş tsiklidir.

Modeldə bu fırlanma momenti əyrisi Lookup Table blokuna ötürülmüş və giriş olaraq valın faktiki bucağından istifadə edilmişdir. Beləliklə, Simulink-də mexaniki fırlanma momenti mühərrikin tsikl daxilindəki faktiki mövqeyinə görə dəyişir.

Silindr nasazlığı necə modelləşdirilir?

Şəkil 2-də ikinci fırlanma momenti əyrisi birinci silindrin işləmədiyi vəziyyəti təsvir edir. Müvafiq güc impulsunun itməsi fırlanma momenti əyrisində nəzərəçarpan enmə yaradır və mühərrikin orta mexaniki momentini də azaldır.

Bu nasazlıq daha sonra iki generatorlu stansiya modelində DG2 intiqalına tətbiq edilmiş və aktiv güc paylaşmasının necə dəyişdiyi araşdırılmışdır.

Tədqiqatın metodu və nəticələri

İki ox üzrə təsirlənmənin tənzimlənməsi necə işləyir?

Tədqiqatda generatorun d və q oxları üzrə təsirlənmələri iki müstəqil idarəetmə kanalı ilə tənzimlənir. d oxundakı idarəetmə klassik avtomatik gərginlik tənzimlənməsinə bənzər şəkildə çıxış gərginliyinin istinad qiymətindən sapmasına əsasən işləyir. q oxundakı idarəetmə isə rotorun bucaq sapmasını sıfıra yaxın saxlamağı hədəfləyir.

Mənbənin Şəkil 4-ündə hər iki idarəetmə kanalında PID, Saturation və birinci tərtib Transfer Function komponentləri mövcuddur. T_d və T_q tənzimləyicilərin dinamik zaman sabitlərini göstərir.

d oxu

Üçfazalı kəmiyyətlərdən alınan d və q gərginliklərindən stator gərginliyinin amplitudası hesablanır və U_ref ilə müqayisə edilir. Yaranan xəta d oxu üzrə təsirlənməni tənzimləyir.

q oxu

q oxundakı idarəetmə rotorun bucaq sapmasını sıfıra yaxınlaşdıran təsirlənmə komponenti yaradır. Mənbənin məqsədi bu kanal vasitəsilə mexaniki rəqslərin əlavə sönümlənməsini təmin etməkdir.

Tənzimləyici hədləri

Mənbədə avtomatik sürət tənzimləyicisinin Saturation parametri 2,5 götürülmüşdür. Təsirlənmə tənzimləyicisi üçün yuxarı hədd generatorun təsirlənmə sisteminin forsaj rejimində işləmə imkanından asılı olaraq 7-ni aşmayacaq şəkildə müəyyən edilmişdir.

İki dizel-generator ümumi yükdə necə modelləşdirilir?

Mənbənin Şəkil 5-i iki eyni dizel-generator qrupunun ümumi aktiv-induktiv yükə paralel qoşulduğu tam stansiya modelini göstərir. Hər qrup d-q generator modelindən, iki ox üzrə təsirlənmə sistemindən və dizel intiqalı modelindən ibarətdir.

Ümumi yük ardıcıl qoşulmuş müqavimət və induktivlikdən təşkil edilmişdir:

\[ U = R_{load}i + L_{load}\frac{di}{dt} \]

Park və tərs Park çevrilmələri standart Simulink blokları ilə yerinə yetirilir.

Generator modeli cərəyan mənbəyi şəklində qurulduğundan mənbə həqiqi yüksüz iş rejimini birbaşa modelləşdirə bilmir. Buna görə başlanğıc yük stansiyanın nominal gücünün %10-u seçilmişdir.

Mənbədə istifadə olunan generator parametrləri

Mənbə model zamanını bəzi qrafik və parametrlərdə radianla ifadə edir. Generatorun bucaq tezliyi 314 rad/s olduğundan tədqiqatda 314 rad təxminən 1 saniyəyə, 628 rad isə təxminən 2 saniyəyə uyğundur. Mənbədə verilmiş “rad” qiymətləri bu simulyasiya zaman bazası ilə birlikdə şərh edilməlidir.

Tam yükün pilləvari qoşulması zamanı bucaq sürəti necə dəyişib?

Şəkil 6 ayrıca sınaq ssenarisində stansiyanın %100 yükünün 628 rad, yəni təxminən 2 saniyə anında qoşulmasından sonra generatorun bucaq sürətini göstərir.

Yükün pilləvari artması ilə rotor sürəti əvvəlcə nəzərəçarpacaq dərəcədə azalır, sonra tənzimləyicinin müdaxiləsi ilə istinad qiymətini aşır və sönən rəqslərdən sonra təxminən 1 p.u. səviyyəsinə qayıdır.

Dizelin bir silindri nasazlandıqda generatorlar arasındakı güc rəqsi necə dəyişir?

Şəkil 7 üçün istifadə olunan ssenari Şəkil 6-dan fərqlidir. Burada iki generator ümumi yükü qidalandırarkən əvvəlcə yük artırılmış, sonra ikinci dizel mühərrikində bir silindr nasazlığı tətbiq edilmişdir.

Normal vəziyyətdə güc paylaşması

İki eyni generator normal şəraitdə ümumi yükü təxminən bərabər bölüşdürür. Bununla belə, aktiv güclər tam sabit deyil; iki maşın arasında rəqs edən güc mübadiləsi yaranır.

Mənbə normal şəraitdə bu aktiv güc mübadiləsi rəqsinin amplitudasını generatorun nominal gücünün təxminən %9,5-i olaraq göstərir.

Silindr nasazlığından sonra

DG2-nin birinci silindri işdən çıxarıldıqda intiqal momentinin həm orta səviyyəsi, həm də tsiklik forması dəyişir. Nəticədə generatorlar yükü yenidən bölüşdürərkən aktiv güc mübadiləsi rəqslərinin amplitudası təxminən %32,2 səviyyəsinə yüksəlir.

Rəqs tezliyi təxminən:

\[ f \approx 2,47\ \text{Hz} \]

olaraq bildirilmişdir.

Bu %32,2 qiyməti stansiya gücünün %32,2-sinin itirilməsi demək deyil. O, generatorlar arasındakı aktiv güc mübadiləsinin rəqs amplitudasını ifadə edir.

Müəlliflər idarəetmə sistemində nəyin təkmilləşdirilməsini təklif edirlər?

Mövcud q-oxu təsirlənmə idarəetməsi rotor bucağını sıfıra yaxın saxlamağa çalışsa da, mübadilə rəqslərinin tam yatırılmadığı müşahidə edilmişdir. Mənbə gələcəkdə q oxundakı idarəetmə qanununa aktiv güc mübadiləsi rəqsindən və/və ya bucaq tezliyinin sapmasından istifadə edən əlavə əks əlaqə kanallarının daxil edilməsini təklif edir.

Tədqiqatın əsaslandırdığı nəticələr

Tədqiqat əsas Simulink blokları ilə iki ox üzrə təsirlənməli sinxron generator, qeyri-xətti dizel intiqalı, sürət və gərginlik tənzimləyiciləri və ümumi RL yükü ehtiva edən parametrik avtonom stansiya modelinin qurula bildiyini göstərir.

Mənbənin modelində yük dəyişməsi və dizel intiqalı nasazlığı kimi pozucu təsirlər generatorların bucaq sürətində və aktiv güc paylaşmasında ölçülə bilən keçid prosesləri yaradır. Xüsusilə porşenli mühərrikin ani fırlanma momenti dalğalanmasının nəzərə alınması, orta fırlanma momentinə əsaslanan daha sadə intiqal modeli ilə müqayisədə stansiya dinamikasının daha ətraflı araşdırılmasına imkan verir.

Tədqiqatın əsaslandırmadığı ümumiləşdirmələr

Mənbənin nəticələri real gəmi və ya quruda yerləşən avtonom stansiyanın fiziki sınaqları deyil. %9,5, %32,2 və 2,47 Hz qiymətləri istifadə olunan model parametrlərinə və idarəetmə sazlamalarına aiddir.

Tədqiqat iki ox üzrə təsirlənmənin bütün stansiyalarda avtomatik olaraq müəyyən faizlə dayanıqlıq artımı təmin edəcəyini göstərmir. Bundan əlavə, yanacaq sərfi, istilik göstəriciləri, real mexaniki aşınma, harmonik təhrif, istehsal müsaidələri və ya sahə etibarlılığı təhlil edilməmişdir.

Mənbə və metod qeydi

Tədqiqatın elektrik modeli ideallaşdırılmış ikiqütblü, tarazlaşdırılmış, doymamış sinxron maşın fərziyyəsinə əsaslanır. Yüksək harmonikalar və sıfır ardıcıllıqlı komponent modelə daxil edilməmişdir.

Dizel-generatorun mexaniki hissəsi birkütləli ekvivalent sistem kimi modelləşdirilmişdir. Real mühərrik-generator val xəttindəki çoxsaylı ətalətlər, burulma modları və mufta dinamikası ayrıca sərbəstlik dərəcələri ilə həll edilməmiş; onların ümumi təsiri T_J, Backlash və özlü sürtünmə parametrlərinə endirilmişdir.

Modelin cərəyan mənbəyi yanaşması generatorun həqiqi yüksüz işini birbaşa təsvir edə bilmədiyindən başlanğıcda %10 aktiv yük istifadə edilmişdir. Buna görə model nəticələri bu başlanğıc şərti nəzərə alınmaqla qiymətləndirilməlidir.

Şəkil 6 və Şəkil 7 eyni təcrübə deyil. Şəkil 6 tam yükün pilləvari qoşulmasına bucaq sürətinin cavabını, Şəkil 7 isə %10 başlanğıc yük, 2/3 yükün qoşulması və ardınca DG2 silindr nasazlığı zamanı aktiv güc paylaşmasını göstərir.