Автономдуу электр станцияларында бир нече синхрондук генератор жалпы жүктү камсыздаганда, генераторлор номиналдык чыңалууну жана жыштыкты гана сактабастан, жүктү туруктуу бөлүштүрүшү жана алардын ортосундагы электромеханикалык кубат термелүүлөрүн чектелген деңгээлде кармашы керек. Бул изилдөө узунунан багытталган d жана туурасынан багытталган q окторунда көз карандысыз козгоо оромдору бар эки синхрондук генератордун дизелдик жетектери, ылдамдык жана чыңалуу жөндөгүчтөрү жана жалпы активдүү-индуктивдүү жүк менен бирге параллелдүү иштөөсүн MATLAB/Simulink чөйрөсүндө моделдейт.

Генератордун математикалык модели Park–Gorev дифференциалдык теңдемелеринин негизинде ротор менен бирге айланган dq координаталар системасында түзүлгөн. Дизелдик жетектин модели орточо механикалык моментти гана колдонуунун ордуна, төрт цилиндрлүү ички күйүү кыймылдаткычынын муунактуу валдын бурчуна көз каранды болгон сызыктуу эмес айландыруучу момент ийри сызыгын камтыйт. Модель ошондой эле бир цилиндрдин иштен чыгышы сыяктуу жетектин нормалдуу эмес абалдарын жана ылдамдык жөндөгүчүндөгү механикалык боштукту чагылдыра алат.

Симуляциянын натыйжаларына ылайык, толук жүк баскыч түрүндө берилгенде генератордун бурчтук ылдамдыгы болжол менен −%2,2 менен +%0,8 аралыгында четтеп, болжол менен 3–3,5 секундда кайра эталондук деңгээлге жакындаган. Эки генератор нормалдуу иштөөдө жүктү болжол менен тең бөлүштүргөндө, алардын ортосунда генератор кубатынын %9,5 и чамасында активдүү кубат алмашуу термелүүлөрү пайда болгон. Экинчи дизелдик топтун бир цилиндри өчүрүлгөндө бул термелүүнүн амплитудасы %32,2 ге чейин өсүп, термелүү болжол менен 2,47 Hz жыштыкта жүргөн.

Натыйжалар физикалык электр станциясынын же кемедеги генератор тобунун натуралык сыноосу эмес; алар MATLAB/Simulink математикалык моделинен алынган. Изилдөөнүн негизги салымы — эки ок боюнча козголуучу синхрондук генераторлорду, дизелдик жетектин сызыктуу эмес моментин, ылдамдык жана чыңалуу жөндөгүчтөрүн жана жалпы жүктү бирдиктүү параметрдик симуляция чөйрөсүндө бириктирүү.

Кеңири түшүндүрмө

Узунунан-туурасынан козголуучу синхрондук генератор деген эмне?

Узунунан-туурасынан козголуучу синхрондук генератор — ротордун d жана q окторунда бири-биринен көз карандысыз эки козгоо каналы бар синхрондук машина. Салттуу бир ок боюнча козголуучу синхрондук генератордо негизги башкаруу d огундагы талаа орому аркылуу жүргүзүлсө, эки октуу түзүлүштө q огунда кошумча козгоо оромунун болушу электромагниттик жана электромеханикалык термелүүлөрдү башкаруу үчүн кошумча башкаруу эркиндигин берет.

Изилдөөдө q огундагы кошумча ором негизги козгоо огуна карата электрдик бурч боюнча π/2 ге жылдырылган деп каралат. Авторлордун негизги ыкмасы — d огундагы козгоону генератордун чыгыш чыңалуусун сактоо үчүн, ал эми q огундагы козгоону ротордун бурчтук кыймылын жана механикалык термелүүлөрүн басаңдатуу үчүн колдонуу.

Эмне үчүн модель стандарттуу Simulink генератор блогу менен түзүлгөн эмес?

Булакта стандарттуу Simscape/Simulink синхрондук машина моделдери негизинен классикалык бир ок боюнча козголуучу же туруктуу магниттүү машиналар үчүн даярдалганы белгиленет. q огунда көз карандысыз козгоо орому бар машинанын электромагниттик процесстерин толук чагылдыруу үчүн математикалык модель негизги Simulink блокторунан кайра түзүлгөн.

Park–Gorev өзгөртүүсү генератор моделин кантип жөнөкөйлөтөт?

Park–Gorev өзгөртүүсү статордогу үч кыймылсыз фазалык оромду ротор менен бирге айланган d жана q окторундагы эки эквиваленттүү электр чынжыры аркылуу чагылдырат. Ошентип, убакытка көз каранды үч фазалуу чоңдуктарды талдоо ротор координаталарында кыйла иреттелген дифференциалдык теңдемелер менен жүргүзүлүшү мүмкүн.

Булакта колдонулган негизги божомолдор

• Машина эки уюлдуу жана магниттик/электрдик жактан симметриялуу.
• Магниттик каныгуу эске алынган эмес.
• MMF менен магнит агымынын ортосундагы байланыш сызыктуу деп кабыл алынган.
• Талаанын жана MMF тин бөлүштүрүлүшү синусоидалдуу деп кабыл алынып, жогорку гармоникалар эске алынган эмес.
• Система тең салмакталган жана нөлдүк түзүүчү нөлгө барабар.

Park–Gorev дифференциалдык теңдемелери

Булак d жана q окторундагы статор, козгоо жана демпфер оромдорунун агым чиркелүүлөрүн төмөнкү түзүлүштөгү дифференциалдык теңдемелер менен чагылдырат:

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

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

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

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

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

Бул жерде d жана q ротордун окторун, Ψ агым чиркелүүсүн, u чыңалууну, i токту, r_a статордун активдүү каршылыгын, T₀ козгоо оромунун убакыт туруктууларын жана T₁ демпфер оромунун убакыт туруктууларын билдирет.

Булак дифференциалдык жана агым чиркелүү теңдемелерин матрицалык түрдө да туюнтат:

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

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

Ток матрицасы экинчи теңдемеден чыгарылганда электрдик модель:

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

түрүнө келтирилет. Булактын 1-сүрөтүндөгү Simulink генератор модели түздөн-түз ушул түзүлүштүн негизинде курулган.

Simulink генератор блогунун кириштери жана чыгыштары

Модель электрдик жактан ток булагы түрүндө түзүлгөн. Анын кириштерине чыңалуулар массиви жана ротордун бурчтук жыштыгы берилет, ал эми чыгыштарынан электромагниттик момент жана d менен q окторундагы эквиваленттүү статор токтору i_d жана i_q алынат.

Эмне үчүн дизелдик жетектин сызыктуу эмес айландыруучу моменти моделге киргизилген?

Поршендүү ички күйүү кыймылдаткычы туруктуу айландыруучу момент жаратпайт. Цилиндрдеги басым, муунактуу вал-шатун механизминин геометриясы жана кыймылдуу бөлүктөрдүн инерция күчтөрү себептүү муунактуу валдагы көз ирмемдик айландыруучу момент валдын бурчуна жараша мезгилдүү өзгөрөт. Бул өзгөрүү параллелдүү иштеген генераторлордун ортосундагы электромеханикалык кубат термелүүлөрүнө таасир эте алгандыктан, изилдөө дизелдик кыймылдаткычты орточо айландыруучу момент менен гана чагылдырбайт.

Бир массалуу механикалык модель

Дизелдик кыймылдаткычтын, генератор роторунун, валдын жана муфтанын бардык айлануу инерциялары бир эквиваленттүү инерция мүчөсүнө бириктирилген. Механикалык тең салмак 4-теңдеме аркылуу:

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

түрүндө туюнтулат.

Бул жерде M_MECH дизелдик кыймылдаткычтын моментин, M_EM генератордун электромагниттик моментин, T_J жалпы айлануу инерциясынын убакыт туруктуусун, ал эми M_BT механикалык жоготууларды чагылдырган илээшкек сүрүлүү моментин билдирет.

Илээшкек сүрүлүү булакта:

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

түрүндө моделденет.

4 цилиндрлүү дизелдик кыймылдаткыч модели

Булактын 2-сүрөтү муунактуу валдын 0–4π бурч аралыгында төрт цилиндрлүү дизелдик кыймылдаткычтын көз ирмемдик айландыруучу моментинин өзгөрүшүн көрсөтөт. 4π аралыгы төрт тактылуу кыймылдаткычтын муунактуу валынын эки айлануусунан турган бир толук иш циклин түзөт.

Моделде бул айландыруучу момент ийри сызыгы Lookup Table блогуна өткөрүлүп, кириш катары валдын чыныгы бурчу колдонулган. Ошентип, Simulink теги механикалык айландыруучу момент кыймылдаткычтын цикл ичиндеги чыныгы абалына жараша өзгөрөт.

Цилиндрдин бузулушу кантип моделденет?

2-сүрөттөгү экинчи айландыруучу момент ийри сызыгы биринчи цилиндр иштебеген абалды чагылдырат. Тиешелүү кубат импульсунун жоголушу айландыруучу момент ийри сызыгында байкаларлык төмөндөөнү жаратып, кыймылдаткычтын орточо механикалык моментин да азайтат.

Андан кийин бул бузулуу эки генераторлуу станция моделинде DG2 жетегине колдонулуп, активдүү кубаттын бөлүштүрүлүшү кандай өзгөрөрү изилденген.

Изилдөөнүн ыкмасы жана натыйжалары

Эки ок боюнча козгоону жөнгө салуу кантип иштейт?

Изилдөөдө генератордун d жана q октору боюнча козгоосу эки көз карандысыз башкаруу каналы аркылуу жөнгө салынат. d огундагы башкаруу классикалык автоматтык чыңалуу жөнгө салууга окшош түрдө чыгыш чыңалуусунун эталондук мааниден четтөөсүнө жараша иштейт. q огундагы башкаруу болсо ротордун бурчтук четтөөсүн нөлгө жакын кармоону көздөйт.

Булактын 4-сүрөтүндө эки башкаруу каналында тең PID, Saturation жана биринчи тартиптеги Transfer Function компоненттери бар. T_d жана T_q жөндөгүчтөрдүн динамикалык убакыт туруктууларын билдирет.

d огу

Үч фазалуу чоңдуктардан алынган d жана q чыңалуулары аркылуу статор чыңалуусунун амплитудасы эсептелип, U_ref менен салыштырылат. Пайда болгон ката d огундагы козгоону жөнгө салат.

q огу

q огундагы башкаруу ротордун бурчтук четтөөсүн нөлгө жакындата турган козгоо түзүүчүсүн жаратат. Булактын максаты — ушул канал аркылуу механикалык термелүүлөргө кошумча басаңдатуу берүү.

Жөндөгүчтүн чектери

Булакта автоматтык ылдамдык жөндөгүчүнүн Saturation параметри 2,5 деп алынган. Козгоо жөндөгүчү үчүн жогорку чек генератордун козгоо системасынын күчөтүлгөн режимде иштөө мүмкүнчүлүгүнө жараша 7 ден ашпагандай белгиленген.

Эки дизель-генератор жалпы жүктө кантип моделденет?

Булактын 5-сүрөтү эки бирдей дизель-генератор тобу жалпы активдүү-индуктивдүү жүккө параллелдүү туташтырылган толук станция моделин көрсөтөт. Ар бир топ d-q генератор моделинен, эки ок боюнча козгоо системасынан жана дизелдик жетек моделинен турат.

Жалпы жүк удаалаш туташтырылган каршылык менен индуктивдүүлүктөн түзүлгөн:

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

Park жана тескери Park өзгөртүүлөрү стандарттуу Simulink блоктору менен аткарылат.

Генератор модели ток булагы түрүндө түзүлгөндүктөн, булак чыныгы жүксүз иштөө абалын түздөн-түз моделдей албайт. Ошондуктан баштапкы жүк станциянын номиналдык кубатынын %10 у деп тандалган.

Булакта колдонулган генератор параметрлери

Булак моделдеги убакытты айрым графиктерде жана параметрлерде радиан менен туюнтат. Генератордун бурчтук жыштыгы 314 rad/s болгондуктан, изилдөөдө 314 rad болжол менен 1 секундага, ал эми 628 rad болжол менен 2 секундага туура келет. Булакта берилген “rad” маанилери ушул симуляциянын убакыт базасы менен бирге чечмелениши керек.

Толук жүк баскыч түрүндө берилгенде бурчтук ылдамдык кандай өзгөргөн?

6-сүрөт өзүнчө сыноо сценарийинде станциянын %100 жүгү 628 rad, башкача айтканда болжол менен 2 секунда учурунда туташтырылгандан кийинки генератордун бурчтук ылдамдыгын көрсөтөт.

Жүк баскыч түрүндө көбөйгөндө ротордун ылдамдыгы адегенде байкаларлык төмөндөйт, андан кийин жөндөгүчтүн таасири менен эталондук мааниден ашат жана басаңдаган термелүүлөрдөн кийин болжол менен 1 p.u. деңгээлине кайтып келет.

Дизелдин бир цилиндри бузулганда генераторлордун ортосундагы кубат термелүүсү кандай өзгөрөт?

7-сүрөт үчүн колдонулган сценарий 6-сүрөттөгүдөн айырмаланат. Бул жерде эки генератор жалпы жүктү камсыздап турганда алгач жүк көбөйтүлүп, андан кийин экинчи дизелдик кыймылдаткычта бир цилиндрдин бузулушу киргизилген.

Нормалдуу абалда кубаттын бөлүштүрүлүшү

Эки бирдей генератор нормалдуу шартта жалпы жүктү болжол менен тең бөлүштүрөт. Ошол эле учурда активдүү кубаттар толугу менен туруктуу эмес; эки машинанын ортосунда термелүүчү кубат алмашуу пайда болот.

Булак нормалдуу шарттагы бул активдүү кубат алмашуу термелүүсүнүн амплитудасын генератордун номиналдык кубатынын болжол менен %9,5 и деп берет.

Цилиндр бузулгандан кийин

DG2 нин биринчи цилиндри өчүрүлгөндө жетектин моментинин орточо деңгээли да, циклдик формасы да өзгөрөт. Натыйжада генераторлор жүктү кайра бөлүштүргөндө активдүү кубат алмашуу термелүүлөрүнүн амплитудасы болжол менен %32,2 деңгээлине көтөрүлөт.

Термелүү жыштыгы болжол менен:

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

деп билдирилген.

Бул %32,2 мааниси станция кубатынын %32,2 и жоголду дегенди билдирбейт. Ал генераторлордун ортосундагы активдүү кубат алмашуунун термелүү амплитудасын билдирет.

Авторлор башкаруу системасында эмнени жакшыртууну сунушташат?

Учурдагы q огу боюнча козгоону башкаруу ротордун бурчун нөлгө жакын кармоого аракет кылганы менен, алмашуу термелүүлөрү толук басылбаганы байкалган. Булак келечекте q огундагы башкаруу мыйзамына активдүү кубат алмашуу термелүүсүн жана/же бурчтук жыштыктын четтөөсүн колдонгон кошумча кайтарым байланыш каналдарын киргизүүнү сунуштайт.

Изилдөө негиздеген тыянактар

Изилдөө негизги Simulink блоктору аркылуу эки ок боюнча козголуучу синхрондук генераторду, сызыктуу эмес дизелдик жетекти, ылдамдык жана чыңалуу жөндөгүчтөрүн жана жалпы RL жүгүн камтыган параметрдик автономдуу станция моделин түзүүгө болорун көрсөтөт.

Булактын моделинде жүктүн өзгөрүшү жана дизелдик жетектин бузулушу сыяктуу бузуп таасир этүүчү факторлор генераторлордун бурчтук ылдамдыгында жана активдүү кубаттын бөлүштүрүлүшүндө өлчөнүүчү өткөөл процесстерди жаратат. Айрыкча поршендүү кыймылдаткычтын көз ирмемдик айландыруучу моментинин термелүүсүн эске алуу орточо моментке негизделген жөнөкөйүрөөк жетек моделине салыштырмалуу станциянын динамикасын кеңири изилдөөгө мүмкүндүк берет.

Изилдөө негиздебеген жалпылоолор

Булактын натыйжалары чыныгы кеме же кургактыктагы автономдуу станциянын физикалык сыноолору эмес. %9,5, %32,2 жана 2,47 Hz маанилери колдонулган модель параметрлерине жана башкаруу жөндөөлөрүнө тиешелүү.

Изилдөө эки ок боюнча козгоо бардык станцияларда автоматтык түрдө белгилүү бир пайыздык туруктуулук өсүшүн камсыз кыларын көрсөтпөйт. Ошондой эле күйүүчү майдын сарпталышы, жылуулук көрсөткүчтөрү, чыныгы механикалык эскирүү, гармоникалык бурмалануу, өндүрүштүк жол берилген четтөөлөр же натуралык шарттагы ишенимдүүлүк талданган эмес.

Булак жана ыкма жөнүндө эскертүү

Изилдөөнүн электрдик модели идеалдаштырылган эки уюлдуу, тең салмакталган, каныкпаган синхрондук машина божомолуна негизделет. Жогорку гармоникалар жана нөлдүк ырааттуулук түзүүчүсү моделге киргизилген эмес.

Дизель-генератордун механикалык бөлүгү бир массалуу эквиваленттүү система катары моделденген. Чыныгы кыймылдаткыч-генератор вал линиясындагы көптөгөн инерциялар, буралуу модалары жана муфтанын динамикасы өзүнчө эркиндик даражалары менен чечилген эмес; алардын жалпы таасири T_J, Backlash жана илээшкек сүрүлүү параметрлерине келтирилген.

Моделдин ток булагы ыкмасы генератордун чыныгы жүксүз иштөөсүн түздөн-түз чагылдыра албагандыктан, башында %10 активдүү жүк колдонулган. Демек, моделдин натыйжалары ушул баштапкы шарт менен бааланышы керек.

6-сүрөт жана 7-сүрөт бир эле эксперимент эмес. 6-сүрөт толук жүк баскычына бурчтук ылдамдыктын жообун, ал эми 7-сүрөт %10 баштапкы жүк, 2/3 жүктүн туташтырылышы жана андан кийинки DG2 цилиндринин бузулушу учурунда активдүү кубаттын бөлүштүрүлүшүн көрсөтөт.