ХЕРСОНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ДО АНЬ ТУАН

УДК 621.436:621.313.1

МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК

ПАРАЛЕЛЬНО ПРАЦЮЮЧИХ

ГАЗОДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРНИХ АГРЕГАТІВ

05.13.07 – автоматизація процесів керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Херсон – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному університеті кораблебудування імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Рябенький Володимир Михайлович, Національний університет кораблебудування імені адмірала Макарова, завідувач кафедри теоретичної електротехніки та електронних систем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, заслужений діяч науки і техніки України, професор Бойко Віталій Іванович, завідувач кафедри електроніки і автоматики Дніпродзержинського державного технічного університету, м. Дніпродзержинськ;

доктор технічних наук, професор Шарко Олександр Володимирович, професор кафедри загальної та прикладної фізики Херсонського національного технічного університету, м. Херсон.

Захист відбудеться 14 лютого 2008 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 67.052.01 Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24, корпус №3, аудиторія 320.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Херсонського національного технічного університету за адресою: 73008, м. Херсон-8, Бериславське шосе, 24.

Автореферат розісланий 10 січня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.В. Шеховцов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В порівнянні з дизелями на рідкому паливі газодизелі (ГД) забезпечують менші витрати на паливо, є можливість ефективного використання газу з різним хімічним складом, зокрема попутного. Крім того, у разі аварії системи газопостачання без втрат ефективності і потужності установки можливий повний перехід на дизельний режим роботи.

В умовах країн Південно-Східної Азії, і, зокрема, В’єтнаму, існує достатня сировинна база для виробництва палив широкого фракційного складу на нафтових і газоконденсатних родовищах “Білий тигр”, “Дракон” та інших, розташованих на континентальному шельфі Південно-Китайського моря, в районі Тонкинської затоки. Для видобутку нафти створюється велика кількість плавучих бурових установок, для яких використання газодизелів є вкрай перспективним.

Газодизель-генераторні агрегати (ГДГА), незважаючи на значні коливання обертів, а, отже, і частоти вихідної напруги, знаходять все більш широке застосування для вирішення задач резервного та автономного електропостачання. Обумовлено це, в першу чергу, їх високими техніко-економічними показниками. До теперішнього часу ГДГА використовуються як одиночні системи автономного електропостачання, проте все більш актуальними стають задачі їх паралельного застосування. Однак є ряд проблем їх паралельної роботи, які обумовлені значними коливаннями обертів ГД, що призводять до появи значних обмінних коливань потужності між генераторними агрегатами. Використання для стабілізації частоти обертання сучасних мікропроцесорних ПІД-регуляторів не вирішує проблеми і дозволяє забезпечити достатню якість стабілізації обертів лише в дуже обмеженому діапазоні потужностей. Для усунення цього явища необхідне глибше вивчення статичних властивостей і динамічних характеристик ГДГА на основі експериментальних даних, що дозволить розробити необхідні апаратно-програмні засоби для стабілізації обертів ГД, а також системи керування, що забезпечують стійкість паралельної роботи ГДГА. Це дозволить підвищити встановлені потужності ГДГА і розширити сферу їх застосування, що є актуальним народногосподарським завданням.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному університеті кораблебудування ім. адм. Макарова в рамках державної бюджетної теми “Підвищення якості систем керування й автоматизації промислових і суднових об’єктів електроенергетики” (тема №1637) договорами з підприємством “Дельмор” (тема №1641) та інженерним центром “КLG-ENGENERING” (тема №1812). Робота виконана відповідно до державної програми Республіки В’єтнам “Програма розвитку океанської економіки й будівництва суден В’єтнаму”, що передбачає проектування та будівництво суден і плавзасобів різного призначення. Дисертація є складовою зазначених програм і відповідає напряму досліджень державної компанії “ХІТАКО”, в яких автор брав участь як виконавець.

Мета й завдання дослідження. Розробка методів і систем керування паралельно працюючими ГДГА для підвищення стабільності обертів і пропорційного розподілу активної потужності.

Для досягнення поставленої мети в роботі вирішено наступні основні задачі:

- проаналізовано та уточнено методи розподілу активної потужності паралельно працюючих ДГ, детально досліджено системи розподілу активної потужності між генераторними агрегатами в напрямку розробки більш ефективних систем, що забезпечують пропорційний розподіл активної потужності між ГДГА;

- розроблено апаратно-програмні засоби випробувального стенду для забезпечення автоматизованого проведення випробувань та обробки результатів, детального вивчення динамічних властивостей ГДГА та ідентифікації його параметрів при одночасній мінімізації ресурсних витрат на проведення випробувань;

- досліджено динамічні властивості ГДГА при різних навантаженнях з урахуванням впливу турбокомпресора і розроблено його динамічну модель;

- визначено оптимальні параметри ПІД-регулятора ГДГА при різних навантаженнях, що забезпечують аперіодичний перехідний процес, а також розроблено апаратно-програмні засоби для автоматичної ідентифікації оптимальних параметрів регулятора для реалізації в адаптивному і нечіткому регуляторах з метою ефективного підвищення стабільності обертів ГДГА;

- досліджено і розроблено методи рівномірного розподілу активної потужності між паралельно працюючими ГДГА, розроблено апаратно-програмні засоби для їх практичної реалізації;

- розроблено методологію моделювання сумісної взаємодії пристроїв силової електроенергетики та мікропроцесорних систем керування ними на базі програмних продуктів Matlab-Simulink і Proteus, що дозволяє досліджувати статичні і динамічні режими, з ГДГА.

Об’єкт дослідження. Газодизель-генераторні агрегати, які працюють паралельно на єдине навантаження, що змінюється випадково в широких межах.

Предмет дослідження. Апаратно-програмні засоби систем керування паралельно працюючими газодизель-генераторними агрегатами з контролем і пропорційним вирівнюванням потужності, що генерується.

Методи дослідження. У роботі застосовані теоретичні і експериментальні методи дослідження. Теоретичні дослідження побудовані на основі методів автоматичного управління, методів теорії нечіткої логіки, методів теорії випадкових процесів, а також на основі моделювання процесів з використанням програмних продуктів Matlab-Simulink. Експериментальні дослідження проводилися відповідно до вітчизняних і міжнародних стандартів на проведення випробувань двигунів внутрішнього згорання.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

1. Уперше:

- запропонована єдина методологія моделювання електроенерге-тичних систем і їх мікропроцесорних систем керування;

- створена система керування ГДГА, що дозволяє забезпечити його оптимальне керування при зміні навантаження шляхом корекції коефіцієнтів ПІД-регулятора;

- запропонована адаптивна нелінійна система керування ГДГА, що дозволяє автоматично визначати і встановлювати коефіцієнти ПІД-регулятора незалежно від номінальної й поточної потужності.

2. Удосконалено методологію й апаратно-програмні засоби випробування дизелів, що дозволяють з мінімальними ресурсними витратами отримувати експериментальні дані.

3. Знайшов подальший розвиток метод адаптивних систем нейронечіткого висновку для завдань ідентифікації характеристик моделі ГДГА.

4. Розроблено нечіткий ПІД-регулятор, коефіцієнти якого змінюються залежно від значень поточної потужності і її відхилень.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним використанням математичного апарату і збігом результатів експериментальних досліджень з теоретичними прогнозами.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теоретичних і експериментальних досліджень ідентифікації параметрів і керування складними нелінійними динамічними системами, якими є паралельно працюючі газодизель-генераторні агрегати.

Практичне значення отриманих результатів полягає в практичній реалізації систем керування паралельно працюючими ГДГА, що дозволяють істотно підвищити діапазон експлуатованих потужностей і сфер практичного використання економічних ГДГА.

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні положення і результати дисертації доповідались і обговорювалися на науково-технічних семінарах НАН “Проблеми керування перетворенням енергії в стаціонарних та автономних (судових) електроенергетичних системах” з комплексної проблеми “Наукові основи електроенергетики”, що проводяться на кафедрі ТЕЕС; на щорічних наукових конференціях молодих вчених та аспірантів, НУК; IX науково-практичній міжнародній конференції “Інформаційні технології в освіті й керуванні” (НКПІ, м. Нова Каховка, 2007 р.); 8-й і 9-й міжнародних наукових конференціях “Силова електроніка і енергоефективність”, м. Алушта, 2006-2007 рр.

Особистий внесок здобувача. Всі наукові результати отримані особисто автором. У роботах [1; 5] автором наведено опис алгоритмів формування огинаючої напруги та зміни частоти для визначення параметрів газодизель-генератора, розглянуто алгоритми проведення випробувань для ідентифікації параметрів газодизель-генераторів. На їх основі розроблено програмне забезпечення. У роботах [2; 4] дисертантом розроблено MATLAB-модель газодизель-генераторного агрегату, що дозволяє вирішувати завдання розподілу активної потужності між генераторними агрегатами та перевіряти ефективність систем її розподілу. У роботах [6; 7] дисертантом розроблено методику моделювання електроенергетичної системи із двома газодизель-генераторними агрегатами та опис системи керування мікропроцесора і розглянуто метод коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора обертів ГДГА за допомогою нечіткого регулятора, що дозволяє розширити діапазон стійкої роботи газодизеля до аварійних режимів.

Публікації. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, викладені у 8-ми статтях в спеціалізованих наукових журналах і збірниках праць та 3-х патентах.

Структура та об’єм дисертаційної роботи. Дисертація складається зі вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел, що містить 133 найменування. Повний об’єм дисертації складає 189 сторінок друкарського тексту, з них 154 сторінки основного тексту, 99 рисунків і 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, сформульовані мета і наукова новизна роботи, наведені дані про звязок роботи з науковими програмами, зазначений особистий внесок здобувача в друкованих працях зі співавторами, представлені отримані практичні результати, а також положення роботи, що виносяться на захист.

У першому розділі проаналізований стан питання і сформульовані завдання дослідження.

Проведення досліджень, направлених на розширення сфер застосування ГДГА, є задачею перспективною і необхідною для електроенергетики. При роботі на одному газі стабільність обертів цих машин і наслідків цього не задовольняють багатьох замовників, що обмежує їх сфери застосування і можливість паралельної роботи.

Динамічні моделі дизелів з турбонагнітачами недостатньо обґрунтовані і не доведені до інженерних методик, які можуть бути використані на практиці. Практично відсутнє глибоке фізичне обґрунтування ролі і місця турбонагнітача в загальній структурі дизеля. Все це ускладнює ефективне використання сучасних мікропроцесорних систем керування.

Системи, що забезпечують паралельну роботу ГДГА, розраховані лише на усунення нерівності статичних характеристик дизель-генераторних агрегатів (ДГА) і малопридатні при наявності власних коливальних процесів у кожній машині. Це викликає необхідність детальніших досліджень у цьому напрямку і розробки ефективніших систем, що забезпечують пропорційний розподіл активної потужності між ДГА.

Другий розділ присвячений розробці динамічної моделі ГДГА на основі експериментальних досліджень агрегатів на заводі “Дизельмаш” (м. Первомайськ). Для цієї мети був розроблений апаратно-програмний комплекс, що забезпечує стандартну методологію випробувань з мінімальними витратами енергоресурсів.

На рис. 1,а представлена характерна для розглянутих агрегатів осцилограма коливань частоти вихідної напруги ГДГА потужністю 500 кВт у часовому інтервалі 45 сек. при активній потужності, що віддається, 100 кВт. Рис. 1,б ілюструє оброблені експериментальні дані для таких же ГДГА, при роботі в діапазоні до 60 % від номінальної потужності.

Рис. 1. Коливання частоти вихідної напруги (а) та оброблені експериментальні дані ГДГА (б)

Відповідні залежності, що описують поведінку ГДГА в статиці, отримані на основі методів планування експерименту, а також за допомогою підпрограм пакета Matlab, зокрема Simulink, Siseditor. В останньому випадку автором створена нейромодель ГДГА для роботи в статичних режимах.

У розділі показано, що в загальному вигляді з урахуванням всіх основних параметрів і процесів ГД описується системою диференціальних рівнянь 8-го порядку.

Показано, що, враховуючи ряд допущень і зіставляючи постійні часу ряду елементів ГДГА, можна представити у вигляді системи диференціальних рівнянь 2-го порядку.

З урахуванням викладеного, динамічна модель будувалася на основі розробленої структурної схеми ГДГА, представленої на рис. 2,а. Повітряний потік через повітряний фільтр 1 подається в змішувач 2, до якого підводиться газ по газових трубах 2а і 2б. По трубі 2а подається основний потік газу, а по трубі 2б – газ, що необхідний для підтримки режиму холостого ходу. Після змішувача газоповітряна суміш відбирається трубо-нагнітачем 3, з виходу якого через охолоджувач 4 і регульовану заслінку 5 подається в блок циліндрів 7 двигуна. Турбонагнітач працює від вихлопних газів, які поступають у нього через вихідну трубу 7а.

Рис. 2. Функціональна схема з урахуванням взаємозв’язку елементів (а)
та структурна схема газодизеля (б)

Заслінка керується двигуном постійного струму 6, а останній – через широтно-імпульсний регулятор від сигналу ПІД-регулятора 8, виконаного з використанням мікропроцесорної техніки. Як датчики обертів використовуються датчики Холла 9.

ПІД-регулятор умовно представляється передавальною функцією WПІД. Він формує вигляд АЧХ одноконтурної замкненої системи. Двигун керування заслінкою спільно із заслінкою представлений у вигляді передавальної ланки першого порядку, вхідним параметром якої є сигнал з виходу ПІД-регулятора, а вихідним – кількість газоповітряної суміші . Власне дизель представлений у вигляді двох ланок: підсилювальна ланка, що відображає перетворення потоку газоповітряної суміші в момент на валу М, і інерційна ланка першого порядку, що встановлює взаємозв’язки між обертами на валу і величиною моменту.

Динамічну модель дизеля без урахування турбонагнітача ряд авторів описують відомою передавальною функцією:

де М(р) – момент, що розвивається двигуном на валу; (р) – параметр палива, що підводиться; D – коефіцієнт, що враховує саморегулюючі властивості первинного двигуна; Тэ – еквівалентна постійна часу двигуна, що враховує інерційність махових мас власне двигуна і ротора генератора.

По керуючій дії передавальна функція двигуна з урахуванням турбонагнітача в ланцюзі позитивного зворотного зв’язку має вигляд:

,

де kg – коефіцієнт передачі власне двигуна.

Якщо врахувати, що турбонагнітач зазвичай представляється аперіодичною ланкою

то ,

де КТН – коефіцієнт підсилення змішувача і турбонагнітача; TTH – постійна часу турбонагнітача.

Із структурної схеми, що представлена на рис. 2.б, витікає, що динамічну модель ГД представляють чотири інерційні ланки. Параметри динамічної моделі ГД визначаються шляхом використання методів ідентифікації з подальшим підстроюванням по адекватності перехідних процесів скидання/набросу навантаження і по керуванню.

Розроблені методологія проведення випробувань і апаратно-програмні засоби дозволили отримати достовірні результати коливань обертів. Результати їх математичної обробки дозволили встановити, що коливання обертів носять нестаціонарний характер у всьому діапазоні навантажень. Математичне очікування M і середньоквадратичне відхилення коливань частоти генератора для 4-х агрегатів залежно від відносної потужності, що віддається агрегатом представлені на рис. 3.

Рис. 3. Результати обчислення математичного очікування (а)
та середньоквадратичного відхилення (б)

Сам процес із достатньою точністю описується кореляційною функцією ()=2exp(-)cos для діапазону навантажень (0 0,4)РН і функцією 2exp(-) для діапазону навантажень (0,4 1)РН.

Як показав аналіз, параметри і є залежними від інерційних властивостей агрегату.

Коливання обертів можуть розглядатися як адитивна перешкода, що зявляється на виході структури (рис. 2,б). Її наявність пояснюється теплотворною властивістю газоповітряної суміші, яка на вході ГД може розглядатися як білий шум, відфільтрований інерційними масами агрегату.

У третьому розділі вирішуються задачі підвищення стабільності обертів ГД і пошуку шляхів забезпечення рівномірного (пропорційного при нерівних потужностях) розподілу навантаження при їх паралельній роботі.

На прикладі аналізу динаміки навантажень автономної (суднової) мережі встановлено, що зміни навантажень за характером і чисельними параметрами близькі до коливальних процесів обертів і потужності ГДГА, а тому регулятори їх систем керування повинні налаштовуватися на забезпечення аперіодичного характеру перехідного процесу при наявності збурюючих дій. З іншого, боку встановлено, що для даної структури ГДГА для стійкої його роботи необхідно застосування ПІД-регулятора з незначним впливом інтегруючої складової.

Отримані результати дозволили для всього діапазону навантажень, використовуючи як критерій налаштування аперіодичний перехідний процес із максимальною швидкодією, визначити відповідні значення коефіцієнтів ПІД-регулятора. Графічні залежності коефіцієнтів інтегральної Ki, диференціальної Kd і пропорційної складових Kp наведені на рис. 4, відповідно.

Рис. 4. Залежності оптимальних значень коефіцієнтів ПІД-регулятора

Таким чином, стала можливою реалізація системи керування ГДГА на основі мікроконтролера з Flash-пам’яттю, в якій зберігаються значення коефіцієнтів. На мові програмування високого рівня таблиця коефіцієнтів виглядатиме як масив для доступу до елементів, де використовується поточне значення навантаження ГДГА.

Оскільки для роботи такої системи керування необхідно мати заздалегідь певні коефіцієнти, які є унікальними для кожного ГДГА, виникає необхідність рішення задачі, що дозволяє автоматизувати цей процес, тобто побудувати регулятор з самонастроюванням.

Алгоритм, реалізований програмно на базі мікроконтролера ATmega16, наведений на рис. 5. Робота алгоритму починається з ініціалізації змінних. Установка P=0 означає, що коефіцієнти регулятора налаштовуються для режиму холостого ходу. Вибирається початкове значення коефіцієнта пропорційності і крок приросту значення цього коефіцієнта.

Рис. 5. Алгоритм функціонування самоналаштованого ПІД-регулятора

Автоматизація методу полягає в заміні регулятора, що настроюється, двопозиційним реле, що приводить до виникнення сталих автоколивань у контурі регулювання. При оптимізації налаштувань регулятора по запропонованій методиці враховуються реальні характеристики не тільки об’єкта регулювання, але і всіх інших елементів замкненої системи. Отриманий алгоритм може бути реалізований на мікропроцесорних регуляторах, які в цьому випадку переводяться в режим самонастроювання як по команді персоналу, так і автоматично, по певному алгоритму (періодично, при змінах навантаження або за інших умов).

Розроблена система може мати низьку якість роботи при різких змінах режиму роботи, що приводить до необхідності використання теорії нечітких множин.

Нечіткі регулятори реалізуються на практиці, як правило, у формі програмного забезпечення високого рівня (наприклад, С++), що забезпечує велику гнучкість при їх настроюванні. При цьому за результатами моделювання і випробування системи керування, що містить нечіткий регулятор у замкненому контурі, можна змінювати кількісні діапазони лінгвістичних змінних, функції приналежності і модифікувати базу правил з метою отримання необхідної якості керування.

Структура одного з можливих варіантів використання нечіткого регулятора для коригування коефіцієнтів посилення ПІД-регулятора обертів ГДГА показана рис. 6.

Рис. 6. Структура ГДГА на базі нечіткої логіки

У роботі використовується нечіткий регулятор типу Мамдані, спроектований в Matlab. Пакет Fuzzy Logic Toolbox в Matlab, що має простий інтерфейс, дозволяє легко проектувати і діагностувати нечіткі моделі.

Нелінійна залежність коефіцієнтів регулятора від значень поточної потужності та її відхилень на вході нечіткого регулятора показана на рис. .

Рис. 7. Нелінійна залежність коефіцієнтів регулятора: а – Kd=f(P);

б – Kp=f(P); в – Ki=f(P)

Метод коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора обертів ГД за допомогою нечіткого регулятора є ефективним, оскільки дозволяє розширити діапазон стійкої роботи ГД аж до аварійних режимів. По суті, введення нечіткого регулятора для коригування коефіцієнтів традиційного ПІД-регулятора у функції параметрів поточного режиму роботи ГД додає системі керування обертами ГД властивість адаптивності.

Для оцінки ефективності роботи ПІД-регулятора структуру ГД представимо з точки зору дії на неї випадкової перешкоди, що з’являється на виході системи (рис. 8).

Рис. 8. Структурна схема ГД

Після виконання ряду перетворень знаходимо, що дисперсія коливань може бути визначена з виразу

,

де TИ – постійна часу інтегральної ланки ПІД-регулятора; КЭ – коефіцієнти підсилення системи; Вых і Вх – дисперсія вихідного і вхідного сигналу.

Численні результати показують, що при оптимальному настроюванні регулятора для всього діапазону потужностей вдається теоретично знижувати діапазон коливань обертів у 25-30 разів, що забезпечує допустимі стандартами норми коливань частоти навіть у режимі холостого ходу.

Для забезпечення рівномірного розподілу навантаження при паралельній роботі ГДГА слід виконати аналіз потужності, що віддається одним з агрегатів. Електромагнітна потужність PEM є функцією Е.Р.С Е1 і Е2 обох генераторів, частоти fc мережі, кута між роторами та опору навантаження, тобто РЕМ=f(fc, E1, E2, 12, P12, ZH).

Лінеаризація цього керування в околиці робочої крапки при незмінному збудженні і навантаженні дає

.

Детальніший аналіз цього рівняння дозволив встановити, що найбільш ефективний шлях демпфування обмінних коливань при забезпеченні достатнього запасу стійкості забезпечується при рівності моментів на валах двигунів, кутових положень валів і їх похідних.

Відповідна структура, що забезпечує вказані умови, наведена на рис. 9. Вона має перехресні зворотні зв’язки. Показано, що перехресна структура може бути приведена до вигляду, аналогічного структурам підлеглого регулювання.

Рис. 9. Структурна схема системи керування паралельно працюючими ГДГА

Для забезпечення керування паралельно працюючими ГДГА з урахуванням сформованих вимог розроблений відповідний алгоритм, реалізований на основі мікроконтролера ATmega16.

У четвертому розділі вирішуються задачі моделювання як автономної роботи генераторів ГДГА, так і їх паралельної роботи. У роботі моделювання нерозривно пов’язане з розробкою математичної моделі ГД, визначенням коефіцієнтів ПІД-регулятора, із забезпеченням якості і стійкості як окремих агрегатів, так і їх спільної паралельної роботи.

Як базовий програмний засіб вибрано пакет Matlab-Simulink, в якому розроблені наступні моделі:

1. Модель газодизеля, що враховує такі нелінійності, як зона нечутливості, впливи турбонагнітача, нелінійність коефіцієнта передачі дизеля, коефіцієнта D1 саморегулювання враховуючих властивості дизеля. Модель також враховує випадковий характер коливань обертів. Спрощений варіант моделі ГД наведений на рис. 10.

Власне двигун як елемент перетворення газоповітряної суміші в момент на валу представлений підсилювальною ланкою ДАД. Елемент чистого запізнювання враховує інтервали часу між спалахами газоповітряної суміші в циліндрах і розраховується виходячи з обертів дизеля та числа циліндрів.

Рис. 10. Спрощений варіант моделі ГД

Оскільки інтенсивність вихлопних газів безпосередньо пов’язана з моментом на валу, а ефективність турбонагнітача визначається саме інтенсивністю потоку вихлопних газів, то вказані дві ланки, що представляють власне двигун, охоплюються позитивним зворотним зв’язком з інерційною ланкою WТН. Постійна часу ланки WТН визначається маховими масами й обертами ротора турбіни, а коефіцієнт передачі, що залежить від навантаження, визначається експериментально.

Ланка Д2 здійснює перетворення моменту на валу в частоту обертів вала двигуна і враховує його інерційні властивості.

Для отримання у вихідному параметрі двигуна адитивної перешкоди, що описує коливання частоти обертання його вала, передбачено додавання шумової складової у вихідний момент двигуна через суматор С3.

Врахування нахилу статичної характеристики =f(М) забезпечується за рахунок введення додаткової ланки C4, в якій вирішується рівняння вигляду:

,

де – поточне значення обертів вала ГД; 0 – оберти в режимі холостого ходу; – відхилення обертів вала двигуна при навантаженні. Введення цього суматора дозволяє врахувати статичний розкид навантаження паралельно працюючих генераторів.

Таким чином, розроблена модель ГДГА дозволяє вирішувати задачі розподілу активної потужності між генераторними агрегатами і перевіряти ефективність систем її розподілу.

2. Комплексна модель, що містить розроблену модель ГД і стандартну модель генератора, дозволяє враховувати статичні і динамічні властивості ГДГА у всьому діапазоні навантажень.

3. Комплексна модель, що містить групу з 3-х ГДГА, які працюють на загальне навантаження і дозволяють досліджувати особливості їх паралельної роботи в статичних режимах при комутації навантажень різної величини і характеру.

Показано, що недолік усіх вказаних моделей полягає у відсутності врахування реального мікропроцесорного керування, що забезпечує задані алгоритми. Для усунення цього недоліку були проведені додаткові дослідження, внаслідок чого була виконана розробка гібридної моделі. Мікропроцесорна система керування була реалізована в пакеті Proteus, що працює на іншому ПК, і обидва ПК було об’єднано через СОМ-порт. Така модель дозволяє враховувати всі особливості мікропроцесорного керування. Більш того, замість Proteus – моделі мікропроцесорної системи підключалася реальна мікропроцесорна система, що забезпечує керування Matlab-моделлю через СОМ-порт ПК. Бібліотека для роботи з СОМ-портом представлена блоками “RS232 Setup”, “RS232 Write Format” і “RS232 Read Format”.

В одній моделі може використовуватися декілька блоків передачі даних, причому вони можуть працювати з різними портами. Для формування пакетів, які передаються в Matlab, використовується функція Sprintf.

Розроблені додаткові програмні засоби, які дозволяють моделювати практично будь-які процеси. Є можливість моделювання паралельної роботи декількох генераторів, процесів їх синхронізації, розподілу активної/реактивної потужності, аварійних ситуацій і т.д. Система дозволяє створити засоби моніторингу, керування віддаленим устаткуванням та інше.

У п’ятому розділі викладені результати експериментального дослідження системи розподілу активної потужності.

Нестабільність обертів ГДГА в широкому діапазоні навантажень приводить до необхідності детального дослідження різних способів розподілу активної потужності.

Модель АЕЕС має три генераторних агрегати, в яких використані автомобільні трифазні генератори, що генерують потужність до 4 кВт кожний і мають незалежні схеми збудження. Їх системи автоматичного регулювання працюють по відхиленню контрольованого параметра.

Всі три генераторних агрегати мають свої приводні двигуни, які призначені для вирішення дослідницьких завдань лабораторії. На рис. 11 наведена функціональна схема моделі АЕЕС, на основі якої проводяться подальші експерименти.

Рис. 11. Функціональна схема моделі АЕЕС

У табл. 1 наведені результати експериментальної обробки коливань частоти, отримані на лабораторній моделі.

Таблиця 1

Р | М | * | к

0 | 49,31 | 1,31 | 0,3 | 0,0138 | 0,026 | 8

0,2 | 49,54 | 0,71 | 0,36 | 0,0092 | 0,014 | 12

0,4 | 49,3 | 0,62 | 0,39 | 0,014 | 0,013 | 11

0,6 | 49,16 | 0,52 | 0,54 | 0,0168 | 0,011 | 10

0,8 | 48,5 | 0,49 | 0,59 | 0,03 | 0,010 | 10

1,0 | 48,26 | 0,51 | 0,46 | 0,0348 | 0,011 | 9

Ефективність зниження середньоквадратичного відхилення коливань частоти оцінюється коефіцієнтом К. Математичне очікування коливань частоти стабілізувалося на відмітці заданого показника 50 Гц, але має дещо менше значення. Це обумовлено тим, що двигун має меншу “жорсткість” механічної характеристики.

При паралельній роботі генераторів досліджувалася система вирівнювання активної потужності, що віддається кожним з генераторів. Складність проведення експериментів полягала в тому, що генератори мають фазну напругу 10 В і номінальний фазний струм 140 А при номінальній потужності 4,2 кВт. Оскільки приводні двигуни і перетворювачі розраховані на номінальну потужність 4,2 кВт, то прийнято проводити дослідження при потужності, що віддається кожним з генераторів 2,1 кВт, при якій кожен генератор повинен віддавати струм 70 А, а сумарний струм генераторів 140 А при величині фазної напруги 10 В. Складність такого експерименту полягає в тому, що для вказаного діапазону потужностей опір навантаження повинен змінюватися в діапазоні 0,7 Ом до 0,007 Ом (табл. 2).

Таблиця 2

РкВт/Рн | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,0 | I(A) | 7 | 14 | 28 | 42 | 56 | 70 | Rн (Ом) | 0,7 | 0,35 | 0,17 | 0,12 | 0,09 | 0,07 |

Оскільки опори сполучних проводів є співвідносними з опорами навантажень, то встановити задане значення струму досить складно.

Складно також задати однакові опори навантажень. Тому контроль роботи схеми буде здійснюватися лише по вимірних струмах. У табл. 3 наведені значення фазних струмів двох працюючих генераторів.

Таблиця 3

I | 8,0 | 15,2 | 31,4 | 45,1 | 55,2 | 71,6 | I1 | 4,2 | 7,8 | 15,2 | 28,25 | 26,5 | 36,7 | I2 | 4,15 | 7,40 | 16,15 | 26,85 | 28,7 | 34,9 | I* | 4,2 | 4,5 | 4,5 | 5 | 2,2 | 2,58 |

З аналізу результатів, наведених у таблиці, витікає, що відхилення струмів, а отже, і потужності, з великим запасом знаходяться в межах, які не перевищують норми, що задаються класифікаційними даними (припустимий розкид 10 %). При експериментальних дослідженнях не були враховані збурення, що створюються в реальній мережі комутацією споживачів.

ВИСНОВКИ

У роботі отримані наступні результати:

1. Розроблений комплекс апаратно-програмних засобів дозволив з мінімальними ресурсними витратами отримати експериментальні дані, за допомогою яких визначені статичні характеристики ГДГА, ймовірнісні і спектрально-кореляційні характеристики коливань обертів дизеля, а також розроблена його динамічна модель.

2. Розроблена достатньо проста і фізично обґрунтована динамічна модель ГД, що враховує вплив турбонагнітача і розроблені методики ідентифікації параметрів цієї моделі по перехідних процесах скидання /набросу навантаження у всьому діапазоні навантажень агрегату. Створена динамічна модель ГДГА дозволяє враховувати нелінійні властивості ГД, врахування впливу турбонагнітача і перебудовувати параметри регуляторів залежно від навантаження на валу ГД. Встановлено, що турбонагнітач проявляє себе в динамічних режимах набросу навантаження лише в діапазоні навантажень не нижче 0,6-0,7 від номінальної. Адекватність моделі перевірялася у всьому діапазоні потужності, що генерувалася, з інтервалом 20 %.

3. На основі результатів експериментальних досліджень встановлено, що коливання обертів ГД носять нестаціонарний характер і мають розкид, що не дозволяє їм працювати паралельно з аналогічними агрегатами через неприпустимо великі обмінні коливання активної потужності.

4. Розроблений комплекс апаратно-програмних засобів керування параметрами ПІД-регулятора залежно від навантаження ГДГА дозволив оптимізувати його динамічні режими у всьому діапазоні навантажень і тим самим у 25-30 разів понизити дисперсію коливань обертів вала ГД.

5. Розроблений комплекс апаратно-програмних засобів, що реалізований на основі мікроконтролерів, дозволяє автоматично здійснювати ідентифікацію параметрів ПІД-регулятора ГДГА, їх налаштування і коригування в процесі експлуатації на основі динамічних процесів, обумовлених комутацією навантажень.

6. На основі нечіткої логіки розроблена структура ПІД-регулятора, що реалізована на основі мікроконтролера і дозволяє коригувати його параметри у функції поточного режиму, забезпечуючи адаптацію ГДГА до величини його навантаження і необхідну “грубість” в управлінні.

7. Створена мультикомп’ютерна модель АЕЕС, яка дозволяє об’єднати в собі як силову електроенергетику, так і мікропроцесорні системи керування, що відкриває широкі можливості моделювання не тільки задач електроенергії, а й задач керування. Така методологія дозволяє створювати не тільки системи моніторингу, але і видаленого керування устаткуванням. При цьому дані можуть передаватися як по послідовному інтерфейсу RS-232, так і по локальній мережі Ethernet.

8. Розроблена детальна модель з двома ГДГА дозволила визначити оптимальні умови забезпечення їх паралельної роботи з пропорційним розподілом активної потужності.

9. Розроблена і виготовлена модель АЕЕС дозволяє імітувати і моделювати режими реальної автономної електростанції. Експериментальні дослідження запропонованих способів вирівнювання активної потужності підтвердили ефективність теоретичних розробок, виконаних у попередніх розділах. Запропонована система вирівнювання активної потужності ГДГА, які працюють паралельно, забезпечує рівномірний розподіл активної потужності агрегатів з похибкою, що не перевищує 5 %.

Основні положення дисертаційної роботи опубліковані в наступних роботах:

1. Ушкаренко А.О. Воскобоенко В.И. До Ань Туан. Автоматизация обработки результатов измерений напряжения для идентификации параметров дизель-генератора // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2007. – №1(412). – С.130-138.

Здобувачем розроблено алгоритм використання огинаючої напруги та зміни частоти для визначення параметрів дизель-генератора. На їх основі розроблено програмне забезпечення для стенду.

2. Воскобоенко В.И., До Ань Туан. Matlab-модель газодизель-генераторного агрегата для моделирования обменных колебаний мощности в автономных электроэнергетических системах // Вестник ХНТУ. – 2007. – №4(27). – С. 453-456.

Здобувачем запропонована і створена спрощена MATLAB – модель газодизель-генераторного агрегату, що дозволяє вирішувати завдання розподілу активної потужності між генераторними агрегатами та перевіряти ефективність систем її розподілу.

3. Воскобоенко В.И., До Ань Туан. Совершенствование методологии изменения активной мощности в судовой электроэнергетике // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2007. – №2(413). – С. 144-149.

Здобувачем наведено опис створеного на основі сучасних технологій і впровадженого у виробництво датчика активної потужності, який характеризується простотою схемотехніки та виготовлення, а також низькою вартістю і високою надійністю.

4. Рябенький В.М., Воскобоенко В.И., До Ань Туан. Использование Matlab-Simulink для оптимальной настройки ПИД-регулятора газодизель-генераторного агрегата // Вестник ХНТУ. – 2007. – №4(27). – С. 457-464.

Здобувачем розроблено методологію визначення параметрів ПІД-регулятора, що забезпечують задані показники динамічних режимів ГДГА з використанням пакета MATLAB-Simulink.

5. Воскобоенко В.И., До Ань Туан. Аппаратно-программные средства для изучения динамических свойств газодизель-генераторов // Збірник наукових праць НУК. – Миколаїв: НУК, 2007. – №3 (414). – С. 152-159.

Здобувачем запропоновано і розроблено алгоритми проведення випробувань для ідентифікації параметрів газодизель-генераторів.

6. Ушкаренко А.О., Воскобоенко В.И., До Ань Туан. Модельные исследования повышения точности распределения активной мощности между газодизель-генераторными агрегатами // Технічна електродинаміка. – К.: Інститут електродинаміки НАН, 2007. – Частина 4. С. 92-98.

Здобувачем розроблено методику моделювання електроенергетичної системи із двома газодизель-генераторними агрегатами з використанням мікропроцесорної системи керування.

7. Рябенький В.М., Ушкаренко А.О., До Ань Туан. Использование нечеткой логики для настройки коэффициентов ПИД-регулятора газодизель-генератора // Технічна електродинаміка. – К.: Інститут електро-динаміки НАН, 2007. – Частина 5. – С. 53-56.

Здобувачем запропоновано метод коригування коефіцієнтів автоматичного регулятора обертів ГДГА за допомогою нечіткого регулятора, що дозволяє розширити діапазон стійкої роботи газодизеля при різких змінах навантаження.

8. Рябенький В.М., Нгуен Ван Шанг, До Ань Туан. Системный подход к созданию САПР судового электрооборудования // Вестник ХГТУ. – 2006. – №1(24). – С. 338-345.

Автором запропоновано використання системних принципів при моделюванні складних систем електроенергетики.

9. Рябенький В.М., Ушкаренко О.О., Петренко Л.П., До Ань Туан. Спосіб підключення додаткового генератора до загального навантаження. Патент на корисну модель Укр. U200701212 Пріоритет від 13.08.07.

Внесок співавторів: Рябенький В.М. – запропоновано використання дискретного контролю за обертами; Ушкаренко О.О. – розроблено загальний алгоритм керування; Петренко Л.П. – виконана експериментальна перевірка роботи запропонованого способу; До Ань Туан – запропоновано алгоритм визначення різниці кутових положень роторів ГАГА.

10. Рябенький В.М., Ушкаренко О.О., Петренко Л.П., До Ань Туан. Пристрій підключення додаткового генератора до загального навантаження. Патент на корисну модель Укр. U200709219 Пріоритет від 13.08.07.

Внесок співавторів: Рябенький В.М. – запропоновано контролювати частоту обертів за допомогою дискретних датчиків Холла і отворів, розміщених на маховику двигуна; Ушкаренко О.О. – підготовка програмного забезпечення, участь у випробовуваннях і налагодженні; Петренко Л.П. – проведення експериментальних досліджень. Участь у виготовленні зразка; До Ань Туан – створена мікропроцесорна схема для визначення різниці кутових положень роторів.

11. Рябенький В.М., Воскобоєнко В.І., Ушкаренко О.О., Марков А.Е., Петренко Л.П., До Ань Туан. Спосіб розподілу активної потужності між генераторами. Патент на корисну модель Укр. U200706926 Пріоритет від 20.06.07.

Внесок співавторів: Рябенький В.М. – запропоновано використовувати момент на валу газодизеля; Воскобоєнко В.І. – створення системи тензометрії моменту і дистанційне визначення моменту на валу дизеля; Ушкаренко О.О. – розробка мікропроцесорної системи керування і програмних засобів; Марков А.Е. – виконання розрахунків по визначенню величини моменту на валу дизеля за допомогою тензодатчиків; Петренко Л.П. – створення експериментального зразка та участь у випробуваннях; До Ань Туан – розробка апаратно-програмних засобів по визначенню потужностей агрегатів та їх різниці.

АНОТАЦІЯ

До Ань Туан. Методи підвищення технічних характеристик паралельно працюючих газодизель-генераторних агрегатів.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.13.07 – автоматизація процесів керування. Херсонський національний технічний університет, м. Херсон, 2008.

Дисертація присвячена рішенню актуального наукового завдання детального вивчення динамічних моделей ГДГА для підвищення якості системи розподілу активної потужності паралельно працюючих ГДГА. Синтезовано структуру ГДГА та їх системи керування, розроблена нелінійна математична модель ГДГА, система керування ГДГА, адаптивна нелінійна система керування ГДГА та нечіткий ПІД-регулятор, на основі експериментальних даних, що дозволило розробити необхідні апаратно-програмні засоби для стабілізації обертів ГДГА, а також розробити системи керування, що забезпечують стійкість паралельної роботи ГДГА. Це дозволило підвищити встановлені потужності ГДГА і розширити сфери їх застосування. Розроблена методологія спільної взаємодії пристроїв силової електроенергетики та мікропроцесорних систем керування на базі програмних продуктів Matlab-Sіmulіnk і Proteus, що дозволяє досліджувати статичні та динамічні режими роботи АЕЕС із ГДГА. Створений науково-дослідницький кафедральний стенд дозволяє імітувати і моделювати режими реальної АЕЕС.

Ключові слова: система розподілу активної потужності, газодизель, газодизель-генераторний агрегат, система автоматичного керування, ПІД-регулятор, автономна електрична система, нейронечіткий вивід, експериментальний стенд.

АННОТАЦИЯ

До Ань Туан. Методы повышения технических характеристик параллельно работающих газодизель-генераторных агрегатов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 – автоматизация процессов управления. Херсонский национальный технический университет, г. Херсон, 2008.

Диссертация посвящена решению актуальной научной задачи разработки аппаратно-программных средств для обеспечения качественного распределения активной мощности параллельно работающих газодизель-генераторных агрегатов (ГДГА).

Показано, что имеется ряд проблем их параллельной работы ввиду значительных колебаний оборотов ГД, что приводит к появлению значительных обменных колебаний активной мощности между ГА.

Разработанные методология приведения испытаний и аппаратно-программные средства позволили получить достоверные результаты колебаний оборотов. Результаты их математической обработки позволили установить, что колебания оборотов носят нестационарный характер во всем диапазоне нагрузок.

В диссертации решены задачи создания динамической модели ГДГА, учитывающей влияние турбонаддува, и разработаны методики идентификации ее параметров и определения типа и параметров регуляторов с изменяющимися коэффициентами для существенного повышения стабильности оборотов, в том числе и нечеткого регулятора.

Разработаны методы, алгоритмы и аппаратные средства для повышения точности распределения активной мощности между параллельно работающими ГДГА. В работе выполнена оценка эффективности работы ПИД-регулятора. Многочисленные результаты показывают, что при оптимальной настройке регулятора для всего диапазона мощностей удается снижать диапазон колебаний оборотов в 25-30 раз, что обеспечивает допустимые стандартами нормы колебаний частоты даже в режиме холостого хода.

Решена проблема систем электроэнергии с управлением электростанции на основе модели микропроцессорных систем, созданной в Proteus, что открывает широкие возможности моделирования не только энергетических задач, но и задач управления.

В работе предложена и синтезирована детальная модель с двумя ГДГА, что позволило определить наилучшие условия обеспечения их параллельной работы с пропорциональным распределением активной мощности.

Ключевые слова: система распределения активной мощности, газодизель, ПИД-регулятор, автономная электрическая система, нейронечеткий вывод, экспериментальный стенд.

ANNOTATION

Do Anh Tuan. Methods of increase characteristics of in parallel working gas-diesel-generating units.

The dissertation on reception of а scientific degree the candidate engineering science on а speciality 05.13.07 – Automation of processes management. The