Лукутин Б.В. и др. Возобновляемая энергетика в децентрализованном электроснабжении

Подождите немного. Документ загружается.

181

()

[]

()

[]

()

[]

()

[]

ая.составляющ синусная

1sin

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ω+

−ω−

−

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

ω+

−ω−

−

α+π

Степень искажения тока генератора нелинейной вентильной на-

грузкой характеризуется коэффициентом несинусоидальности, который

определяется как отношение среднеквадратичного значения величины

высших гармоник

к первой гармонике исследуемого сигнала I

%100

нс

∑

= .

Зная гармонический состав тока балласта можно определить сте-

пень искажения кривой напряжения микроГЭС. Для этого следует вос-

пользоваться схемами замещения расчетной цепи для высших гармони-

ческих составляющих:

()

IZI

nnn

+==

где

– величина n-й гармоники фазного тока генератора.

Расчетные значения

нс

для напряжения и тока микроГЭС с ав-

тобалластным регулированием показаны на рис. 54.

Рис. 54. Зависимость К

нс

напряжения АГ от

нагрузки станции

120

нс

, %

α, град.

150

182

Следовательно, для станций мощностью 10–20 кВт величина ко-

эффициента несинусоидальности напряжения при классической авто-

балластной системе на биполярных тиристорных ячейках достигает

12%.

Результаты измерений степени нелинейных искажений напряже-

ния, проведенные на экспериментальной установке, представлены в ви-

де графиков на рис. 55. Коэффициент несинусоидальности определялся

для нескольких схем тиристорных регуляторов балластной нагрузки.

Учитывая несинусоидальность

напряжения собственно синхрон-

ного генератора серии ЕСС мощностью 12 кВт, которая составляет ве-

личину порядка 5%, можно утверждать, что экспериментальные значе-

ния лишь незначительно отличаются от расчетных.

Искажения напряжения, вызванные действием симметричных би-

полярных тиристорных ячеек, включенных по схеме с нулевым прово-

дом, представлены кривой 1. Некоторое смещение

максимума кривой

нс

в сторону меньших токов нагрузки

объясняется нелинейной

зависимостью углов управления тиристорами регулятора от величины

тока

. Кривая 2 характеризует искажения, вносимые в форму напря-

жения генератора регулятором мостового типа с включением балласта

на сторону постоянного тока.

Как следует из зависимостей, показанных на рис. 55, степень ис-

кажения напряжения генератора микроГЭС зависит от схемы тиристор-

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

о.е.

нс

Рис. 55. Зависимость коэффициента несинусоидальности фазного

напряжения генератора от тока полезной нагрузки микроГЭС

1 – симметричная тиристорная ячейка с нулевым проводом;

2 – трехфазная мостовая выпрямительная схема;

3 – комбинированная схема

183

ного регулятора балластной нагрузки и от величины тока полезной на-

грузки. Худшие показатели в этом отношении имеют схемы выпрями-

тельного типа, поскольку они искажают фазные токи и напряжения ге-

нератора и при углах управления вентилями

α = 0 (что соответствует

= 0). Наиболее неблагоприятной величиной полезной нагрузки стан-

ции является половинная нагрузка, соответствующая углам управления

тиристорами

α ≈ 90° и вызывающая максимальные искажения напря-

жения.

Классические автобалластные системы, регулирующие мощность

на балластных резисторах с помощью симметричных биполярных тири-

сторных ячеек, обеспечивают стабилизацию значения напряжения мик-

роГЭС с быстроходной турбиной пропеллерного типа в пределах

± (10–

20)%, частоты – в пределах

± (2–4)% при коэффициенте искажения си-

нусоидальности 2–13% [8,28,29].

Основными путями улучшения качества генерируемого напряже-

ния являются совершенствование схем тиристорных регуляторов мощ-

ности балласта, подбор оптимальных значений и характера балластных

нагрузок, дробление балласта с целью сокращения его фазорегулируе-

мой части.

Уменьшить степень несинусоидальности генерируемого напряже-

ния позволяет балластная нагрузка активно-индуктивного характера.

На рис. 56 показаны расчетные значения

нс

для напряжения ге-

нератора при активно-индуктивном (кривая 1) и активном (кривая 2)

балласте.

Рис. 56. Зависимость К

нс

от

угла управления тиристорами

120

нс

, %

α, град.

150

184

Сравнивая степень искажения напряжения генератора при актив-

ном и активно-индуктивном характере балластной нагрузки, следует

отметить преимущество активно-индуктивного балласта. Степень иска-

жения кривой тока при активном балласте достигает 34%, при активно-

индуктивном в 2,5 раза меньше. Максимальное искажение напряжения

при активном балласте – 12%, при активно-индуктивном – 3,6%. Актив-

но-индуктивный балласт также лучше компенсирует

изменение полез-

ной нагрузки активно-индуктивного характера, особенно в режимах,

близких к холостому ходу станции. Таким образом, активно-

индуктивный балласт имеет преимущества по сравнению с активным и

рекомендуется к применению в разработках микроГЭС.

Перспективным вариантом системы стабилизации является ком-

бинированная схема с двумя балластами активного и активно-

индуктивного характера. Дробление

балласта позволяет уменьшить

мощность его фазорегулируемой части. В результате нелинейные иска-

жения тока и напряжения генератора станции уменьшаются практиче-

ски пропорционально количеству частей, на которые разделяется балла-

стная нагрузка.

По результатам исследований можно рекомендовать к использо-

ванию комбинированную схему регуляторов балласта, показанную на

рис. 57. Балласт в этой схеме разделен на две части:

(активно-

индуктивный) и

(активный). При уменьшении тока полезной нагруз-

ки относительно номинального значения, первым вступает в работу

балласт

, полное включение которого происходит при токе полезной

нагрузки равном половине номинального. Так как мощность

меньше

необходимой суммарной мощности балласта станции, то и уровень ис-

к нагрузке к генератору

Рис. 57. Комбинированная схема регулятора балластной нагрузки

185

кажений тока и напряжения генератора меньше чем при работе с балла-

стной нагрузкой полной мощности. Дальнейшее уменьшение тока на-

грузки приводит к подключению

дополнительно к полностью вве-

денной мощности

Качество напряжения станции улучшается за счет дробления бал-

ласта и в результате различия в характере ступеней балластной нагруз-

ки. Расчеты, проведенные для предлагаемой схемы, показывают, что от-

клонение модуля эквивалентной нагрузки микроГЭС от номинального

значения не превышает 10%, характера эквивалентной нагрузки – 8%. В

результате, точность стабилизации частоты вращения гидроагрегата,

при прочих равных

условиях, улучшается почти в 2 раза по сравнению с

классическим вариантом балластной нагрузки активного характера [27].

Дальнейшее дробление балласта на несколько ступеней является

эффективным способом уменьшения коэффициента искажений сину-

соидальности напряжения станции. В этом случае, при равномерном

интервале дискретизации балласта, мощность каждой ступени равна

=Δ , где Р

– номинальная мощность станции. Логика управления

мощностью балласта заключается в плавном фазовом регулировании

одной его ступени и в дискретном включении остальных ступеней в со-

ответствии с измене-

нием мощности по-

лезной нагрузки микро-

ГЭС.

Результаты рас-

чета искажений кри-

вой напряжения ге-

нератора со ступен-

чатым балластом по-

казаны на рис. 58

в виде

зависимости

нс

от ко-

личества ступеней балла-

ста

N. Как следует из

графика, уже три

ступени балласта

обеспечивают снижение коэффициента гармоник до 3–4%, что удовле-

творяет требованиям ГОСТ на электроэнергию, получаемую из сети

[27].

Кроме улучшения формы кривой выходного напряжения микро-

ГЭС, дробление балласта обеспечивает лучшую стабилизацию резуль-

Рис. 58. Зависимость К

нс

от количества

ступеней балластной нагрузки

4 1

нс

, %

186

тирующей нагрузки генератора. Так, при работе гидроэлектроагрегата в

диапазоне мощностей 30–60%

, эквивалентная нагрузка станции из-

меняется на величину около 2% по модулю и на 10% по фазе для четы-

рех отпаек. Станция с одним фазорегулируемым балластом работает в

условиях изменения эквивалентной нагрузки на 10%, фазы на 17%.

Неплохие результаты могут дать комбинированные схемы регулято-

ров с дроблением балла-

ста активного типа. При-

мером подобной схемы

стабилизации являет-

ся схема, в которой

балласт разделен на

две части

1б

б2

подключенных к сво-

им регуляторам, соб-

ранных на различных

схемах (рис. 59). Так,

1б

включены последо-

вательно с вентильными

ячейками и соединены

в звезду. Второй бал-

ласт

б2

включен на

выход мостового полу-

управляемого выпрями-

теля. При уменьшении

тока полезной нагрузки относительно номинального значения, первым

вступает в работу балласт

б1

, полное включение которого происходит

при токе полезной нагрузки равным половине номинального. Так, как

мощность

б1

меньше необходимой суммарной мощности балласта

станции, то и уровень искажений при этом ниже, чем при работе с бал-

ластной нагрузкой полной мощности.

При полностью открытых тиристорах регулятора

б1

, искажения

фазных токов и напряжений практически отсутствуют. Дальнейшее

уменьшение тока нагрузки микроГЭС приводит к открытию мостового

регулятора балластной нагрузки

б2

, который также вносит меньшие

искажения напряжения станции за счет уменьшения мощности

б2

от-

носительно расчетной мощности гидроагрегата. Графическая зависи-

мость

нс

напряжения этой схемы в виде кривой 3 приведена на рис. 55.

б1

б2

Рис. 59. Комбинированная схема

регулятора балластной нагрузки

187

В комбинированных схемах регуляторов балласта имеется воз-

можность смещать рабочие зоны каждого регулятора друг относительно

друга, выбирая более равномерную зависимость изменения эквивалент-

ной нагрузки станции с целью улучшения стабилизации ее выходных

параметров.

Работа блока фазового управления приводит к периодическим

коммутационным процессам в цепях статорной обмотки генератора,

обусловленных коммутацией балластных сопротивлений в

момент от-

крытия вентилей регулятора. При этом изменяются мгновенные зна-

чения токов в статорной обмотке генератора, и соответственно, паде-

ния напряжения на обмотках электрической машины. Длительность пе-

реходного коммутационною процесса, или его свободная составляю-

щая, в общем случае определяется величиной индуктивностей обмоток,

а принужденная составляющая зависит только от падения напряжения

на статорных обмотках генератора. Максимальная величина искажений

напряжения генератора, как отмечалось выше, соответствует углам

управления тиристорами, близким к 90° и пропорциональна максималь-

ной мощности балластных сопротивлений, подключаемых на выход

блока фазового управления.

Для уменьшения нелинейных искажений в схему классического

регулятора предлагается ввести дополнительное балластное сопротив-

ление

бдоп

, подключаемое последовательно полезной нагрузке, и до-

полнительный тиристорный ключ, подключенный параллельно сопро-

тивлению

бдоп

, вход которого соединен с входом блока фазового

управления (рис. 60) [28]. Подключение дополнительного балластного

оп

Рис. 60. Cиловая схема фазы автобалластной

системы стабилизации напряжения микроГЭС

188

сопротивления в последовательную цепь нагрузки и его шунтирование в

момент коммутации тиристора блока фазового управления, позволяет

компенсировать падение напряжения на обмотке генератора из-за воз-

растания тока

III

бнг

+= при включении тиристоров

Как показали исследования, оптимальное значение дополнитель-

ного балластного сопротивления

бдоп

≈ r

. Осциллограмма напряже-

ния на нагрузке, для наиболее неблагоприятного случая – угла включе-

ния тиристоров 90

°, приведена на рис. 61. Как видно, искажения кривой

напряжения станции определяются только свободной составляющей пе-

реходного процесса включения балластной нагрузки – принужденная

составляющая напряжения до и после коммутации практически не из-

меняется.

Результаты гармонического анализа напряжения нагрузки показы-

вают, что данная схема позволяет уменьшить максимальную величину

коэффициента гармоник напряжения

в 2–3 раза по сравнению с класси-

ческой схемой без дополнительного последовательного балласта. Ком-

пенсировать некоторое снижение величины напряжения на нагрузке

можно путем увеличения на соответствующую величину напряжения

генератора.

В результате проведенных исследований предложено новое тех-

ническое решение автобалластной системы регулирования, на которое

получено свидетельство на полезную модель № RU6958 [32].

Задачей полезной

модели является уменьшение нелинейных ис-

кажений в вырабатываемом напряжении. На рис. 62 представлена

структурная электрическая схема устройства для регулирования часто-

ты вырабатываемого тока электрогенератора.

Данное устройство содержит логический блок 1, блоки дискретно-

го управления 2 и соответствующие им блоки сопротивлений балласт-

ной нагрузки 3, блок фазового управления 4 и соответствующий ему

блок сопротивлений балластной нагрузки 5, шунтирующее

сопротивле-

Рис. 61. Кривые выходного напряжения

микроГЭС

0 0,006

t, c

бдоп

0,002

0,004

0,012

, В

бдоп

0,008 0,01

189

ние

и дополнительный блок управления 6. На вход устройства по-

ступает сигнал

, пропорциональный требуемой величине рассеивае-

мой на балластных сопротивлениях мощности. Этот сигнал поступает

на вход логического блока 1, в котором формируются сигналы

, по-

ступающие на входы блоков дискретного управления 2, и сигнал

поступающий на вход блока фазового управления 4, и дополнительный

блок управления 6.

Входной сигнал, поступающий на логический блок, формируется

датчиком, установленным в якорной цепи генератора. Измеряемым сиг-

налом может служить частота генерируемого напряжения; активная со-

ставляющая мощности генератора; а при использовании синхронного

генератора с регулятором возбуждения – активная составляющая тока

генератора.

Логический блок формирует два сигнала:

– сигнал дискретно-

го управления, который обеспечивает подключение необходимого ко-

личества балластных сопротивлений,

– сигнал фазового управле-

ния, обеспечивающий изменение углов открытия тиристоров блоков фа-

зового и дополнительного управления в диапазоне от 0

° до 180°.

Блоки дискретного управления представляют собой тиристорные

ключи, нагрузкой которых являются балластные сопротивления. Вели-

чина балластных сопротивлений блоков дискретного управления может

быть выбрана пропорциональной ряду геометрической прогрессии с ко-

эффициентом 2, например, 1, 2, 4, 8. При этом логический блок будет

к нагрузке

Рис. 62. Структурная схема устройства для

регулирования частоты вырабатываемого тока генератора

190

обеспечивать такую комбинацию включения тиристорных ключей, при

которой полная мощность, потребляемая дискретной балластной на-

грузкой, будет изменяться в диапазоне от 0 до максимальной с равным

дискретным шагом, равным

()

−

, где N – число ступеней дис-

кретных балластных сопротивлений.

Блоки фазового и дискретного управления представляют собой

тиристорные регуляторы, для управления тиристорами которых исполь-

зуется один и тот же сигнал, поступающий с логического блока.

В качестве примера схемной реализации устройства могут быть

использованы известные технические решения, получившие примене-

ние в качестве систем стабилизации автономных

микроГЭС [14,16,21].

Например, сигналы дискретного управления формируются цифро-

вым регулятором чистоты [21], реагирующим на отклонение частоты

напряжения станции от опорной, равной номинальному значению.

Генератор опорной частоты содержит высокочастотный кварце-

вый генератор и счетчики формирования последовательности управ-

ляющих импульсов. Датчик частоты генератора преобразует синусои-

дальное напряжение генератора в последовательность коротких им-

пульсов с периодом

повторения, равным периоду генерируемого на-

пряжения. Измеритель частоты генератора на основе сравнения частоты

генератора с опорной производит измерение частоты напряжения мик-

роГЭС. Счетно-логическое устройство обрабатывает по определенному

алгоритму двоичный код, соответствующий измеренной частоте, и че-

рез усилитель мощности управляет работой тиристорных ключей балла-

стной нагрузки.

Таким образом, совершенствование тиристорных

схем регулиро-

вания мощности балласта, наряду с рассмотренными выше способами

построения автобалластных систем, являются эффективными путями

улучшения качества выходного напряжения автономной энергоустанов-

ки.

4.3. Технико-экономические характеристики автономных

микрогидроэлектростанций

Экономические показатели микроГЭС в значительной мере зави-

сят от ее конструкции. Обычно микроГЭС содержит в своей конструк-

ции такие обязательные элементы как гидротурбина, электромашинный

генератор, система стабилизации выходного напряжения и ряд элемен-

тов, наличие и конструкция которых зависит от типа и особенностей