РОЗДІЛ 2
СИНТЕЗ СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КЕРУВАННЯ НАПРУГИ АВТОНОМНОЇ АСИНХРОННОЇ ГЕНЕРАТОРНОЇ УСТАНОВКИ НЕЧУТЛИВОЇ ДО ЗОВНІШНІХ ЗБУРЕНЬ
2.1. Ідентифікація АГ з самозбудженням, як ланки САК
В залежності від вимог та режиму роботи автономної асинхронної генераторної установки можливі різні варіанти побудови системи автоматичного керування - від найпростішої одноконтурної системи регулювання напруги [10,11] до складної системи з мікропроцесорним керуванням [105,126]. Кожному з цих варіантів для синтезу САК необхідно мати інформацію про модель АГ різного рівня деталізації.
В літературних джерелах [3,5] відомі підходи до визначення передавальної функції (ПФ) АГ з самозбудженням. Їх основні недоліки: складність запропонованих методик, не врахування нелінійності характеристики АГ, низька точність (передбачається використання паспортних даних АГ та номінальних значень ємностей батарей конденсаторів), непридатність для використання в найбільш поширеному програмному середовищі MATLAB Simulink.
Тому пропонується підхід до визначення ПФ в каналі збурення за струмом збудження АГ, який базується на результатах його експериментальних досліджень в режимі самозбудження. Причому можуть бути використані результати експерименту як на фізичній, так і на цифровій моделях. Використання результатів цифрового моделювання можливе за умови, що така модель забезпечує високу ступінь адекватності реальній установці.
На стадії синтезу САК АГ з самозбудженням пропонується використати лінеаризовану модель АГ у вигляді структурної схеми, яка дозволяє працювати в програмному середовищі MATLAB Simulink і аналізувати вплив на електромеханічні процеси в АГ таких збурень в каналах:
* швидкості обертання ротора АГ (?дв), яка пов'язана з вітровим потоком;
* реактивної складової струму статора, тобто зміни струму статичного компенсатора реактивної потужності (Ік);
* струму навантаження (Iн).
Модель АГ розроблена за допущення, що в діапазоні напруги АГ UАГ, близькому до номінального значення UАГ.Н, тобто 0,9UАГ.Н?UАГ?1,05UАГ.Н, АГ є лінійним об'єктом. Даний діапазон вибраний згідно зі стандартом на допустимі відхиленням напруги джерела електричної енергії. На рис.2.1 наведена структурна схема моделі АГ з самозбудженням, яка розроблена для вітроенергетичної установки, виходячи з рівнянь (1.1), функціональної схеми (рис.1.1) і аналізу зовнішніх збурень.
Рис.2.1. Структурна схема асинхронного генератора з самозбудженням з врахуванням зовнішніх збурень
Структурна схема АГ складається з окремих ланок з відповідними передавальними функціями. Канал дії збурень за швидкістю побудований згідно зі структурою вітру, аналіз якої наведений в розділі 1.
Вплив пориву вітру в моделі АГ вітроенергетичної установки імітується стрибкоподібним сигналом, амплітуда якого дорівнює максимальному відхиленню швидкості вітру під час пориву від середнього значення, на вхід аперіодичної ланки Ф, стала часу якої вибирається виходячи з темпу наростання і спадання вітру (рис.1.1,б).
Передавальна функція системи автоматичного керування частоти (СКЧ) обертання вітродвигуна W?(p) в загальному випадку [55,76] можна представити ланкою другого порядку
, (2.1)
де vв(р)- швидкість вітру, яка задається у вигляді стрибкоподібної функції, ?ДВ - швидкість вітрового двигуна, Квк - коефіцієнт передачі вітрового колеса і редуктора, ? ? коефіцієнт демпфування, Т1 - еквівалентна стала часу, яка визначається в залежності від еквівалентної інерційності вітрового колеса, редуктора і генератора, Т2 - еквівалентна стала часу, яка визначається інерційністю механізму повороту лопатей.
Це зумовлено тим, що нею можна з високою точністю описати даний об'єкт, вважаючи його двомасовою системою [55]. Правомірність такого представлення підтверджують результати наближеного моделювання системи регулювання частоти обертання вітрової турбіни в програмному середовищі MATLAB Simulink. Модель розроблена згідно з виразом (1.5) за допущення, що вітрова турбіна і механізм повороту лопатей представлені як інерційні ланки першого порядку з передавальними функціями
, ,
де Квт, Кпл і Твт, Тпл - коефіцієнти передачі і сталі часу вітрової турбіни і механізму повороту лопатей, відповідно.
Дослідження системи керування частоти обертання вітрової турбіни, проведені для ВЕУ потужністю 107 кВт в режимі накиду навантаження, доказали виникнення затухаючих коливань швидкості обертання вала вітрової турбіни з частотою ?1 Гц, що співпадає з результатами досліджень на реальній установці.
Вплив випадкової складової вітру зімітований уведенням в канал збурень за швидкістю на вході ПФ W?(p) генератора випадкових сигналів (ГВС1). Сигнал з ГВС1 формується на основі автокореляційної функції (1.6), розрахованої на основі досліджень регістрограми вітру для регіону, де встановлюється вітроенергетична установка.
В канал збурень за швидкістю уведена ланка обмеження, яка враховує допустиме відхилення швидкості обертання вала двигуна від синхронної за рахунок її регулювання системою керування частоти обертання АГ шляхом зміни кута атаки лопатей вітрового колеса. В сучасних системах керування частоти зміна швидкості обертання ротора в перехідних режимах (порив вітру, тощо) практично не перевищує величини 2-3%. При цьому в моделі враховано, що частота напруги статора АГ (f0) залежить від частоти обертання ротора і від величини ковзання s ? sн згідно з виразом f0 = ?двр1/[2?(1-s)]. Ковзання s, у свою чергу, визначається величиною навантаження АГ, а номінальне ковзання sн відповідає номінальному струму навантаження АГ Iн. Величина f*=f0/50 Гц, яку надалі будемо називати збуренням f*, характеризує відносне відхилення частоти напруги статора від номінальної і через блок множення (БМ) коректує амплітуду вихідної напруги АГ UАГ.0. Частина структурної схеми моделі АГ, яка формує збурення f* в функції сигналів vв і струму навантаження, може бути представлена як фу