МАЛЫЕ И МИКРОГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИИ
SMALL AND MICRO HYDRO-POWER PLANTS
Статья поступила в редакцию 05.12.13. Ред. рег. № 1885
The article has entered in publishing office 05.12.13 . Ed. reg. No. 1885
УДК 621.311
РАБОТА АСИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА В СОСТАВЕ МИНИ-ГЭС В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ
В.М. Кириленко, М.В. Головко
Национальный технический университет Украины "КШ" Факультет электроэнерготехники и автоматики, кафедра возобновляемых источников энергии Украина, 03056, г. Киев-56, проспект Победы, 37 Т/факс: 406-81-91 e-mail: vde@kpi.ua
Заключение совета рецензентов: 15.12.13 Заключение совета экспертов: 20.12.13 Принято к публикации: 25.12.13
Приведены методические положения анализа работы асинхронного генератора мини-ГЭС в автономном режиме. Определены условия, при которых обеспечивается стабилизация выходного напряжения генератора.
Ключевые слова: мини-ГЭС, асинхронный генератор, устойчивость системы
PERFORMANCE OF THE ASYNCHRONOUS GENERATOR AS A COMPONENT OF THE MINI HYDROPOWER STATION OPERATING IN AUTONOMOUS MODE
V.M. Kirilenko, M.V. Golovko
Faculty of Electric Power Engineering and Automatics, Department of Renewable Energy, National Technical University of Ukraine "KPI" Peremogy avenue, 37, Kiev-56, Ukraine, 03056 Tel./fax: 406-81-91, e-mail: vde@kpi.ua
Referred: 15.12.13 Expertise: 20.12.13 Accepted: 25.12.13
Operating mode of an asynchronous generator as a component of an autonomous mini hydropower station is analysed. The conditions stabilizing the voltage output are determined.
Keywords: mini HPS, asynchronous generator, stability of the system
Сведения об авторе: доцент кафедры возобновляемых источников энергии Национального технического университета Украины, канд. техн. наук. Образование: факультет радиоэлектроники (1964).
Область научных интересов: электротехническое материаловедение в приложении к использованию в области возобновляемой энергетики Публикации: 135.
Всеволод Михайлович Кириленко
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Одним из направлений повышения эффективности применения мини-ГЭС является использование в их составе асинхронных генераторов, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с синхронными. К этим преимуществам относятся низкая стоимость, простота конструкции и эксплуатации в нормальных режимах, стойкость к внешним авариям, значительный ресурс. Но асинхронные генераторы имеют и ряд недостатков, в частности невозможность регулирования напряжения и потребление реактивной мощности во время пуска агрегата, отрицательное влияние которых на распределительные электрические сети существенным образом повышаются с увеличением единичной мощности агрегата [1]. В 90-х годах прошлого века появились достаточно надежные и мощные технические средства, которые позволили обеспечить стабилизацию амплитуды и частоты электрогенераторного агрегата с использованием асинхронного генератора с короткозамкнутой обмоткой ротора [2].
При использовании асинхронного генератора на электростанциях возможны два режима их работы -режим параллельной работы, когда асинхронный генератор отдает мощность в центральную энергосистему, и автономный режим, когда генератор работает непосредственно на нагрузку.
При работе параллельно с централизованной электросетью электрогенераторный агрегат должен иметь средства поддержания качества регулирования оборотов асинхронного генератора и не должен отрицательно влиять на процесс регулирования частоты в энергетической системе. Асинхронные генераторы обеспечивают достаточную надежную работу с высокой стабильностью заданного напряжения и перегрузочной способностью только при определенных условиях. Коэффициент насыщения магнитной цепи генератора, как отношение полной намагничивающей силы магнитной цепи к намагничивающей силе воздушного промежутка, должен находиться в пределах 2,8-4 для улучшения рабочих характеристик и повышения КПД асинхронного генератора [3].
В общем случае работу асинхронного генераторного оборудования в автономном режиме работы мини-ГЭС можно разбить на следующие этапы:
- пуск генератора за счет самовозбуждения;
- стабилизация напряжения системы при росте нагрузки и при неизменном моменте на валу турбины;
- стабилизация напряжения системы при снижении момента на валу турбины и неизменной нагрузке.
Автономный режим работы при эксплуатации мини-ГЭС требует надежного начального возбуждения генератора. Начальное самовозбуждение автоматически обеспечивается при достижении критической частоты вращения вала ротора, которая на 2030% ниже номинальной частоты вращения вала гидротурбины. В реальных условиях эксплуатации сис-
темы возбуждения асинхронных генераторов должны обеспечить работоспособность энергоблоков мини-ГЭС при изменении частоты вращения вала ротора, которая вызвана колебаниям мощности нагрузки, напора или расхода воды.
Исходные параметры асинхронного генератора при изменении нагрузки можно стабилизировать путем регулирования числа оборотов турбины или управления магнитным потоком электрогенератора с помощью конденсаторных батарей. Известные технические решения, при которых предлагается преобразовывать исходное напряжение генератора в постоянное, а потом опять в переменное с необходимой частотой и амплитудой. При этом инвертор-стабилизатор выполняет функции управления емкостным возбуждением и поддержания заданных исходных параметров.
Работа электрических машин в целом описывается системой уравнений Парка - Горева, которая практически не дает возможности провести анализ колебаний, возникающих при изменении отдельных параметров энергосистемы (автономной или объединенной). Для проведения такого анализа необходимо использовать уравнения малых колебаний, которые получаются из исходных нелинейных уравнений после разложения их в ряд Тейлора (в первом, линейном, приближении).
Для асинхронного генератора уравнения Парка -Горева имеет вид:
(Г + L1Р)Id - ЮД/g - kP'd + k= -U Sin ©; (oLJd + (r + L p)Iq - kmid - kpiq = -U cos в;
rPId- (r2 + l2 p)id =0; kPId - (r2 + L2P)iq = 0; jpm +M = Mгал; ю = юи + p&;
M = - EdIdю = k(idIa - igId).
ю
Для учета влияния автономной нагрузки на работу асинхронных генераторов, необходимо включить в уравнения источник реактивной мощности (рис.1):
- нагрузка
_L
cJL
Рис. 1. Блок-схема системы «генератор-нагрузка» в автономном режиме работы Fig. 1. Block diagram of the "generator-load" in autonomous operating mode
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 17 (139) 2013 © Научно-технический центр «TATA», 2013
р
Малые и микрогидроэлектростанции
Тогда система уравнений примет вид:
. d ю E01U . J-T + 01 sin ©= Мгал; dt юх1
- Iна = 0;
Ir - 4, + IC = 0.
EmU . 1 E0IU J(a--01—sin © I Дю +—01—cos ©A©-
ч ЮХ1
E01U . ©AU —01—sin ©-= 0;
U
E
-¿—Til
-cos ©A©--
U2 AU
Rh U
E„,U
-sin ©A©-U2---+ —
= 0;
1 1
1 1 AU
U
= 0.
EmU
обозначения: p = Jю--sin © ; C1 =
EmU
-01—cos © ;
ЮХ
C2 = ^ sin ©; D1 = — x R„
D = U2| —- — + —
лять D2 = U2---+ —
1 1
1
откуда имеем,
что
^ Я п I 1 1 1
tg2- = Ян|----I--|, т.е. для повышения
Хе V Х1 ХН ХС .
устойчивости необходимо уменьшать емкостное сопротивление, которое зависит от характеристик как генератора, так и нагрузки.
На рис. 2 приведены результаты экспериментальных стендовых исследований процесса стабилизации напряжения на зажимах генератора за счет введения компенсирующих конденсаторов при росте нагрузки. Эксперименты проведены на стенде, структура и параметры которого приведены в [5].
и, в зоо
200
100
Для более компактной записи уравнений введем с> мкф
10
где j - постоянная инерции, которая приведена к угловой частоте ю; E01, U - ЭДС и напряжение генератора; х1 - индуктивное сопротивление генератора; © - внутренний угол машины (угол между векторами напряжения и ЭДС); хН, хС - соответственно индуктивное сопротивление нагрузки и емкостное сопротивление конденсаторов.
Для всех нагрузочных режимов система имеет характеристическое уравнение следующего вида [4]: a2n-1 p2"-1 + а2п-2p1" 2 +... + а2p2 + ap + a0 = 0, где п -количество машин в системе.
Для автономной системы, которая состоит из одного генератора и узла нагрузки, характеристическое уравнение будет иметь третью степень:
А3 + (-С - Р1 - D2)X2 + (P1C1 + C1D2 + P1D2 - С2ДЯ + + (CPiDi - CiPiDi) = 0.
Согласно критерию Гурвица устойчивость такой системы обеспечивается при выполнении условий:
ai = (-Ci -Pi - D2) > 0;
а1а2 - а0а3 = C1P1D1 + (C1 + P1)(D1D2 + C1P1 + C2D1) -- C2 D12 + D2(C1 + P1)2 + P1(C2D1 - C1D2) < 0.
Запас устойчивости, определяемый из условия: C2P1D1 - C1P1D2 = 0, в данном случае, будет состав-
зо
50
•
л
1 /,А 6
Рис. 2. Зависимость емкости конденсаторов от нагрузки на генераторе при стабилизации выходного напряжения на зажимах
Fig. 2. Dependence of condensers capacity on the generator's load during the stabilization of the voltage output on the clamps
При достижении номинального напряжения на зажимах генератора при холостом ходе подавалась симметричная трехфазная активная нагрузка (лампы накаливания). При падении напряжения на 10% от номинального подсоединялась дополнительная группа конденсаторов, чтобы компенсировать величину падения. Нагрузка возрастала от 0,4 до 1,2 от номинального значения (2,2 кВт), при этом компенсирующая емкость достигла 50 мкФ.
Выводы
Проведенный аналитический анализ работы асинхронного генератора мини-ГЭС в автономном режиме дал возможность определить условия для стабилизации его напряжения, при которых необходимо уменьшать емкостное сопротивление системы. Результаты теоретического анализа подтверждены стендовыми экспериментальными исследованиями.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 17 (139) 2013
© Scientific Technical Centre «TATA», 2013
Список литературы
References
1. Лукутин Г.В., Обухов С.Г., Шандарова Е.Б. Автономное электроснабжение от микрогидроэлектростанций. Томск, 2001.
2. Лежнюк П.Д., Нгома Ж.-П., Кылымчук А.В
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.