» Главная  » Энергетика  » "Исследование задач управления и моделирование автономной энергосистемы с асинхронным генератором"

ВВЕДЕНИЕ.…......................................................................................................... ……6

ГЛАВА 1. ТРАДИЦИОННЫЕ НЕВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ЭНЕРГО-СБЕРЕГАЮЩИЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ…...……. …..10

1.1. Общие вопросы мировой энергетики и энергетики России.…............... ..…10

1.2. Состояние и перспективы использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии..…........................................................ …..14

1.3. Роль малой гидроэнергетики..…................................................................ .….17

1.4. Результаты и выводы по главе 1..….......................................................... …..21

ГЛАВА 2. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ АВТОНОМНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ПРИМЕРЕ ОБЪЕКТОВ МАЛОЙ ГИДРОЭНЕРГЕТИКИ..…............................................................................ ……...….22

2.1. Классификация объектов малой гидроэнергетики..…............................ .….22

2.2. Общие принципы функционирования и особенности объектов малой гидроэнергетики..…........................................................................................... .….25

2.3. Представление объекта микроГЭС в виде взаимодействующих

подсистем.…............................................................................................. .…...........30

2.4. Результаты и выводы по главе 2..…................................................ .…...........37

ГЛАВА 3. ФОРМАЛИЗАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПОДСИСТЕМ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ..…......................................................................... .….38

3.1. Математическое описание механической подсистемы микроГЭС........ …..38

3.2. Математическое описание процессов и элементов гидродинамической подсистемы..…................................................................................................... .….39

3.2.1. Постановка задачи математического описания гидродинамической подсистемы малой ГЭС для решения задач управления…….…................ .….39

3.2.2. Математическое описание гидротурбины..….......................... ………....40

3.2.3. Математическое описание проточного тракта микроГЭС на основе простого напорного трубопровода без гидравлических потерь для жесткого случая.…................................................................................................. .………...43

3.3. Математическое описание процессов и элементов электродинамической подсистемы..…......................................................................................... .………...45

3.3.1. Постановка задачи математического описания электродинамической подсистемы малой ГЭС…………………………………………………....... .….45

3.3.2. Обоснование выбора асинхронной машины в качестве электрогенератора для микроГЭС……………………………...….............. .….45

3.3.3. Общие сведения о режимах работы асинхронных машин................ .….48

3.3.4. Математическое описание обобщенной асинхронной машины....... .….50

3.3.5. Схема замещения и векторная диаграмма асинхронной машины.... …..52

3.3.6. Работа асинхронных машин в генераторном режиме..….................. .….55

3.3.6.1. Условия генераторного режима..…................................................ .….55

3.3.6.2. Работа асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением

в режиме холостого хода и условия самовозбуждения системы............. ..…57

3.3.6.3. Общие условия самовозбуждения и работа генератора под нагрузкой.....................................................................................….............. .….58

3.4. Система автобалластного регулирования микроГЭС.…......................... .….59

3.5. Результаты и выводы по главе 3. .…......................................................... .….63

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОДСИСТЕМ ОБЪЕКТА МИКРОГЭС.............. .….64

4.1. Выбор инструментальных средств для моделирования и исследования объекта управления..…...................................................................................... .….64

4.1.1. Библиотека блоков SimPowerSystems..…............................................ .….65

4.2. Моделирование гидравлической турбины с регулятором (Hydraulic

Turbine and Governor)......................................................................................... .….68

4.3. Модель асинхронной машины (Asynchronous Machine SI Units)........... …..70

4.3.1. Реализация модели ASM SI..…............................................................ .….70

4.3.2. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным..….................................................................................. .….73

4.3.3. Расчет параметров схемы замещения для асинхронной машины 5АМ280S8..…................................................................................................... .….76

4.4. Моделирование нагрузки электрогенератора.…...................................... .….78

4.4.1. Нагрузка потребителя........................................................................... .….78

4.4.2. Балластная нагрузка……………………………………....….............. .….78

4.5. Модель регулятора балластной нагрузки..…........................................... .….79

4.6. Модель цепи возбуждения электрогенератора..….................................. .….80

4.7. Измерительные и контрольные устройства. .…....................................... .….80

4.8. Результаты и выводы по главе 4. .…......................................................... .….82

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ ОБОБЩЕННОЙ МОДЕЛИ В СРЕДЕ MATLAB И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОГЭС........ .….83

5.1. Функциональная схема модели микроГЭС.…......................................... .….83

5.2. Разработка модели микроГЭС в среде MatLab. .…................................. .….85

5.3. Анализ результатов проведенных исследований модели микроГЭС.... .….87

5.3.1. Краткая постановка задачи исследования, исходные данные проведения экспериментов.................................................................................................. .….87

5.3.2. Моделирование режима запуска системы..…..................................... .….88

5.3.3. Исследование статических режимов работы микроГЭС................... .….89

5.4. Моделирование выхода системы в номинальный режим работы на нагрузку, отработки системой возмущающих воздействий и работы системы регулирования..................................................................................................... .….92

5.5. Результаты и выводы по главе 5................................................................ .….96

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.….................................................................................................. .….97

ЛИТЕРАТУРА.….................................................................................................... .….99

ПРИЛОЖЕНИЕ.….................................................................................................. …102

В диссертации решен комплекс вопросов по разработке имитационной модели автономной микроГЭС с асинхронным генератором: получены формализованные модели подсистем объекта, представлена обобщенная структурная схема рассматриваемого объекта, включающая систему автоматического регулирования режима, реализована полная имитационная модель гидроэнергосистемы в среде MATLAB 7. Методом вычислительного эксперимента с применением имитационной модели проведены исследования статических и динамических режимов при работе микроГЭС на автономную нагрузку.

ВВЕДЕНИЕ

Экономическое состояние любого государства во многом определяется уровнем и эффективностью использования энергии. При этом устойчивое экономическое развитие страны возможно только при сохранении благоприятного состояния окружающей среды и природно-ресурсного потенциала в целях удовлетворения жизненных потребностей населения.

В связи с этим, вовлечение природных нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ) в энергетический баланс является одним из приоритетных направлений развития современной энергетики во всем мире.

Существенное место по мировым запасам и масштабам использования занимает энергия потоков воды, что объясняется высокой энергетической плотностью потока воды, относительно стабильным временным режимом и низкой стоимостью энергии в сравнении с другими видами НВИЭ.

Наиболее конкурентоспособной областью применения установок малой энергетики являются зоны децентрализованного электроснабжения, которые расположены, как правило, в отдаленных труднодоступных районах и занимают, по разным оценкам, до 70% территории России. Значительно улучшить существующую ситуацию с электроснабжением потребителей, расположенных в децентрализованных зонах электроснабжения, позволяет использование микрогидроэлектростанций (микроГЭС). Гидроэлектростанции могут устанавливаться практически на любых водотоках: от небольших ручьев до крупнейших рек. Соответственно изменяется и мощность их гидроагрегатов. По принятой классификации к ГЭС класса "микро" относят электрические станции с установленной мощностью до 100 кВт.

Поэтому актуальной задачей является создание современных объектов малой гидроэнергетики с применением новых технологических решений и инновационных информационных технологий. Основными требованиями, предъявляемыми к современным микроГЭС являются простота и надежность конструкции; высокое качество выходных электрических параметров в статических и динамических режимах; полностью автоматизированный режим работы, не требующий постоянного присутствия человека при эксплуатации; экологическая чистота; быстрая окупаемость.

МикроГЭС отличаются большим разнообразием конструктивных исполнений. Из существующего многообразия конструктивных решений гидроэлектрических установок класса "микро", наиболее перспективными являются бесплотинные станции, использующие напорный трубопровод.

Обычно микроГЭС содержит в своей конструкции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элементов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей станции.

В зависимости от конкретных условий, в качестве электрогенератора может быть применен как синхронный генератор, так и асинхронная машина, работающая в генераторном режиме. Если вопросам управления режимами автономных энергосистем с синхронным генератором в литературных источниках уделено должное внимание, то информации об управлении объектами малой гидроэнергетики с асинхронными генераторами явно недостаточно, чтобы при проектировании станций решать только практические вопросы создания систем автоматики.

Также важнейшим элементом энергоустановки является система стабилизации, обеспечивающая статически устойчивый режим работы гидроагрегата и стабилизацию его выходных параметров. К основным показателям качества источников электропитания в соответствии с ГОСТ 4.171-85 относятся параметры выходного напряжения, характеризуемые номинальной величиной и частотой. Построение систем управления для подобного класса объектов имеет свою специфику, основанную на особенностях функционирования объекта управления в различных режимах эксплуатации, и требует подробного изучения его динамических свойств. Сложность решаемых задач управления существенно возрастает при работе станции на изолированных от электросети потребителей, когда изменения электрической нагрузки могут оказаться достаточно резкими и сравнимыми по величине с номинальной мощностью источника энергии.

Исходя из значимости практических приложений и актуальности теоретических вопросов исследования режимов управления объектом автономной энергосистемы с асинхронным генератором, требуется разработка научной базы в виде средств моделирования режимов работы, которая обеспечила бы информационную поддержку на этапах проектирования объектов малой гидроэнергетики и систем управления этими объектами.

Поэтому, для комплексного решения поставленных задач необходима достаточно полная имитационная модель, которая отражала бы все требуемые управляющие, выходные и возмущающие воздействия, учитывала бы все существенные с точки зрения управления особенности объекта и давала бы достаточное представление о динамических процессах, протекающих в нем.

Встречающиеся в литературных источниках описания представляют собой либо модели объектов управления других классов, отличных от рассматриваемых, либо модели физических процессов, протекающих в отдельных элементах объекта без учета процессов в других элементах и особенностей их взаимодействия.

Таким образом, задача разработки подробной модели для исследования и решения комплекса задач управления объектом автономной энергосистемы с асинхронным генератором является актуальной и в подобной постановке в литературе не встречается.

Диссертационная работа имеет следующую структуру.

В первой главе проводится анализ основных тенденций развития энергопотребления и использования существующих источников энергии в России и зарубежом. Также приводится подробное обоснование целесообразности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

Во второй главе представлена подробная классификация, описаны общие принципы функционирования и особенности объектов малой гидроэнергетики, как объектов управления, решается задача декомпозиции и представления объекта управления в виде взаимодействующих подсистем. Приведена полная структурная схема модели рассматриваемого объекта.

Третья глава посвящена разработке математического описания следующих подсистем объекта управления: механической, гидродинамической и электродинамической. Приведено обоснование выбора асинхронной машины в качестве электрогенератора для автономной микроГЭС, рассмотрены основные принципы, режимы функционирования и математическое описание как обобщенной асинхронной машины, так и схемы ее замещения. Также описаны различные варианты построения систем автобалластного регулирования

В четвертой главе проводится выбор инструментального средства для программной реализации отдельных элементов подсистем и обобщенной модели микроГЭС. Представлены реализованные модели гидравлической турбины с регулятором, асинхронного генератора, цепи его возбуждения, подсистем полезной и балластной нагрузок, системы дискретного автобалластного регулятора, а также измерительных и контрольных устройств. На основе безитерационной методики разработаны программные средства для определения параметров схемы замещения серийной асинхронной машины и произведен соответствующий расчет.

В пятой главе описана функциональная схема обобщенной модели микроГЭС. Также в этой главе рассматриваются вопросы совместного моделирования подсистем и создание единой комплексной цифровой модели микроГЭС, исследуются статические и динамические режимы функционирования системы.

1. Капица С.П. Общая теория роста человечества. - М.: Наука, 1999.

2. Галахов М.А., Орлов Ю.Н., Суслин В.М. Математические модели жизнеустройства. Демография. - Препринт ИПМ РАН, 2000. №69.

3. Орлов Ю.Н., Суслин В.М. Кинетический подход к описанию нелинейных демографических процессов. - Препринт ИПМ РАН, 2001. №47.

4. World Energy Horizonts 2000 - 2020. WEC, 1998.

5. Васильев Ю.С., Елистратов В.В. Возобновляемые источники энергии: Учебное пособие. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1995.

6. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

7. Шпильрайн Э.Э. Нетрадиционные возобновляемые источники энергии. // Энергия, 1997. № 5.

8. Энергетическая стратегия России (основные положения). // Энергетическое строительство, 1995. № 1.

9. Арбузов Ю.Д., Евдокимов В.М., Зайцев С.В. Возобновляемые источники энергии в России до 2010 года // Возобновляемая энергия, 2002. №2.

10. Макаров А.А. Энергетическая стратегия и атомная энергетика России. // Энергия, 1996. №8.

11. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. - М.: Изд-во МЭИ, 2000.

12. Каршев В.М., Сокольский А.К. Малая гидроэнергетика России - современное состояние // Возобновляемая энергия,.2002. №1.

13. Михайлова Л.П. Малая гидроэнергетика. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

14. Зотов В.М., Новоженин В.Д., Фаин И.И. Гидроэнергетика России. // Электрические станции, 2000. № 1.

15. Садовский С.И. Пути развития малой гидроэнергетики России. // Гидротехническое строительство, 1997. № 9.

16. Дьяков А.Ф. Малая энергетика России: проблемы и перспективы. - М.: НТФ "Энергопресс", "Энергетик", 2003.

17. Бреусов В.П. Технологии преобразования нетрадиционных возобновляемых источников энергии. - СПб.: Нестор, 2001.

18. Ковалев Н.Н. Гидротурбины. - Л.: Машиностроение, 1971.

19. Кривченко Г.И. Автоматическое регулирование гидротурбин. - М.: Энергия, 1964.

20. Кривченко Г.И. Гидромеханические переходные процессы в гидроэнергетических установках. - М.: Энергия, 1975.

21. Ковалев Н.Н. Справочник по гидротурбинам. - Л.: Машиностроение, 1984.

22. Птицын О.В., Григораш О.В. Генераторы переменного тока. Состояние и перспектива. //Электротехника, 1994. № 9.

23. Григораш О.В. Современное состояние и перспективы применения асинхронных генераторов в автономной энергетике. //Промышленная энергетика, 1995. № 3.

24. Григораш О.В. К вопросу использования непосредственных преобразователей частоты для стабилизации напряжения асинхронных генераторов с высокоскоростными приводными двигателями. //Промышленная энергетика, 1995. № 8.

25. Алиев И.И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию: Учеб.пособие для вузов.- 3-е изд., исправл.- М.: Высш.шк., 2002.

26. Вольдек А. И. Электричесие машины. Учебник для студентов высших учебн. заведений. - Л., "Энергия", 1974.

27. Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины: Учебник для вузов. - М.: Энергия, 1980.

28. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

29. Копылов И.П. Математическое моделирование электрических машин. -2-е изд., перераб. и доп.- М.: Высш. шк., 1994.

30. Копылов И.П. Проектирование электрических машин: Учеб. Для вузов. - М.: Высш. Шк., 2002.

31. Лукутин Б.В., Обухов С.Г., Шандарова Е.Б. Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций. - Томск: STT, 2001

32. Лукутин Б.В., Обухов С.Г. Выбор способа регулирования микрогидроэлектростанций с автобалластной нагрузкой. // Гидротехническое строительство, 1990. №7.

33. Домбровский В.В. Разработка и исследование имитационной модели малой ГЭС для решения комплекса задач управления. - М.: МЭИ, 2004.

34. Мощинский Ю.А., Беспалов В.Я., Кирякин А.А. Определение параметров схемы замещения асинхронной машины по каталожным данным. // Электричество, 1998. №4/98.

35. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5+Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. - М.: СОЛОН-Пресс, 2002.

36. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0: Учебное пособие. - СПб.: КОРОНА принт, 2001.

37. Герман-Галкин С.Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем в MATLAB 6.0. - СПб.: КОРОНА принт, 2001.

38. Черных И.В. Simulink: среда создания инженерных приложений.- М.: Диалог-МИФИ. 2003.

39. Simulink Documentation (Release 14) // Интернет www.mathworks.com

40. Мэтьюз Дж.Г., Финк К.Д. Численные методы. Использование MATLAB, - 3-е издание.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом "Вильямс", 2001.

41. Митрофанов В.Е., Осипов А.М. Разработка и исследование алгоритмов автоматизации управления режимами малой ГЭС на базе математической модели. // Тезисы докл. XVI междунар. научно-технич. семинара "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", 2007.

Примечаний нет.

"Исследование задач управления и моделирование автономной энергосистемы с асинхронным генератором" ( Дипломная работа, 100 стр. )
"Повышение конкурентоспособности ОАО "Тюменьэнерго" Ниж-невартовской ГРЭС за счет снижение себестоимости выпускаемой про-дукции" ( Дипломная работа, 131 стр. )
3. Определение установленной мощности ГЭС ………………………………………………12 (Белоруссия) ( Контрольная работа, 13 стр. )
4927 тэк на примере газовой промышленности ( Реферат, 21 стр. )
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЭКСПОРТА ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В 2004-2006 Г.Г. ( Дипломная работа, 91 стр. )
АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЭКСПОРТА ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ В 2004-2006 Г.Г. 26 ( Дипломная работа, 91 стр. )
АНАЛИЗ ОБЪЕМА ВЫПУСКА И РЕАЛИЗАЦИИ ПРОДУКЦИИ НОВО-КЕМЕРОВСКОЙ ТЭЦ ( Контрольная работа, 21 стр. )
Анализ степени воздействия нефтяного фактора на внешнюю политику России ( Дипломная работа, 92 стр. )
Анализ этапов реструктуризации электроэнергетики в российской экономике ( Дипломная работа, 71 стр. )
Атомная энергетика в Энергетической стратегии и в реалии ( Курсовая работа, 33 стр. )
Безопасные альтернативные АЭС источники энергии ( Реферат, 15 стр. )
Возможность увеличения производства электрической энергии за счет использования тепла газов ( Дипломная работа, 134 стр. )
Вопрос энергоаудита здания средней школы № 14 по адресу г. Петрозаводск проспект Первомайский д.37а. ( Дипломная работа, 72 стр. )
выявление закономерностей и этапов развития топ¬ливно-энергетического комплекса в России и в Оренбургской области0 ( Дипломная работа, 62 стр. )
Газ в арабских странах ( Курсовая работа, 33 стр. )
Динамика производства электроэнергии в России ( Реферат, 15 стр. )
Защита водных бассейнов от выбросов ТЭС ( Реферат, 23 стр. )
Изучение и анализ отношений Российской Федерации и Европейского союза в сфере энергетики ( Реферат, 23 стр. )
Изучение и анализ отношений Российской Федерации и Европейского союза в сфере энергетики 2009-23 ( Реферат, 23 стр. )
Изучение особенностей управления в электроэнергетике ( Контрольная работа, 24 стр. )
Изучение проблем и тенденций мировой альтернативной энергетики ( Дипломная работа, 73 стр. )
Изучение теоретических аспектов и комплексное изучение отрасли электроэнергетика в России ( Курсовая работа, 44 стр. )
Изучить методы снижения тепловых потерь ( Реферат, 14 стр. )
Изучить методы экономии энергии на транспорте ( Реферат, 13 стр. )
Изучить энергоресурсы и энергопотребители, используемые на автомобильном транспорте ( Реферат, 12 стр. )


                                          /  8 (495) 971-76-12  /  info@refport.ru  /     ¤