Разработка и исследование моделей судовых

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ СУДОВЫХ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Труднев Сергей Юрьевич
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
г. Петропавловск-Камчатский
Цель создания и исследования модели - возможность применения ионисторов на судах
промыслового флота в качестве резервных источников питания в электроэнергетической системе.
Актуальность создания дополнительных источников, несмотря на имеющиеся на судне резервные
источники – очевидна. Участились случаи обесточивания промысловых судов по причине
изношенности дизель-генераторных установок, и выходом их из строя непосредственно в ходе
промысловых операций, что значительно увеличивает риски аварий особенно в штормовую погоду.
Имеющиеся на судне средства резерва, из инерционности требуют времени для запуска, и не всегда
могут своевременно восстановить прерванную подачу электроэнергии в судовой сети.
Параметры современных ионисторов позволяют говорить о возможности создания на их
основе резервного источника питания переменного тока напряжением, способного обеспечить
электрической энергией судовую сеть в течение 30 – 90 сек, которых должно быть достаточно для
запуска имеющего на судне резервного дизель-генератора.
1.
Первые этапы исследования существующих вторичных источников питания
электрической энергии и анализ системы защиты судового генератора
В настоящее время, вопросам повышения
безопасности мореплавания уделяется
огромнейшее внимание на всех этапах проектирования, строительства и эксплуатации
плавсооружения. Концепция повышения безопасности мореплавания предполагает постоянное
совершенствование теории и практики расследования аварийных случаев на море, методики
разработки и реализации оперативных мер по устранению причин и условий, приводящих к
возникновению аварийных случаев с большим материальными затратами и гибелью людей. На
сегодняшний день состояние промыслового флота в целом характеризуется значительным износом.
Наряду с техническим прогрессом появляются новые требования к автоматическим системам на
судах, которым большинство судов рыбопромыслового флота России по своим техникоэксплуатационным характеристикам не отвечают. Исходя из вышесказанного целесообразна
модернизация отдельных элементов судовой электроэнергетической системы. Анализируя
современные судовые автоматизированные электроэнергетические системы, я выявил, что наиболее
опасный в отношении продолжительности по времени, перебой в электроснабжении может
наступить при автономной работе дизель- генератора на общие шины главного распределительного
щита.
На первых этапах исследования я рассмотрел все существующие виды защит генератора,
применяемые на судах рыбопромыслового флота. И выявил недостаток в системе защиты генератора
от обратной мощности, так как она не в состоянии обеспечить бесперебойное питание судовой
электроэнергетической системы, что снижает безопасность мореплавания.
Основной задачей системы защиты генератора от обратной мощности является отключение
генераторного агрегата от сети. Это приводит к продолжающейся работе дизеля на холостом ходу
или полной его остановке, что в свою очередь повлечет дополнительный расход топлива.
Система защиты предусматривает переброс нагрузки на резервный генератор или отключение
потребителей по ступеням нагрузки и невозможность получение питания некоторых важных
потребителей как следствие этого. Одним из решений данной проблемы может являться
модернизация системы защиты путем добавления в нее блока ионисторных модулей и блока
широтно - импульсного преобразователя. Система предусматривает подключение резервного
источника питания взамен недопустимого отключения генераторного агрегата от сети.
1
Расчет экономического эффекта новой системы
После повторного запуска дизель-генератора, часть времени используется для его прогрева,
втечение которого расходуются энергоресурсы
Расчет расхода топлива:
1. время для прогрева дизель генератора Δt приблизительно составляет 10 минут;
2. удельный индикаторный расход топлива gi равен 0,2 кг/(кВт·ч);
3. тогда, индикаторная мощность Ni будет определяться:
Ni = 0,15×N
(1)
где N – мощность дизель генератора.
Ni = 0,15×N = 300 кВт
4. определим часовой расход топлива дизель генератора Bч:
Bч = Ni×gi
(2)
Bч =300×0,2 = 60л
5. расход топлива при повторном запуске дизель генератора B:
B = Bч×Δt = Δt×gi×Ni
(3)
B = 10×0,2×60 ≈ 10л
Исходя из вышеуказанных расчетов видно, что при каждом срабатывании защиты
генераторного агрегата от обратной мощности будет наблюдаться экономия топлива в объеме 10
литров.Приведем расчет срока окупаемости проекта. Потребность в инвестициях составит 85 000
руб.
Из расчета расхода топлива на запуск дизель генератора, определим экономию затрат
предприятия с одного СРТМ в год. При этом необходимо учесть, что в месяц, без модернизации
системы защиты генераторного агрегата от обратной мощности, отключение дизель генератора в
среднем для данного типа судов может доходить до 25 раз. Тогда, с учетом установки защиты,
экономия топлива в месяц составит 250 литров, а в год 3 000 литров. Исходя из этого, экономия
топлива в год с одного судна составит 76 800 руб. Как уже отмечалось выше, численность
промыслового флотаприморского края составляет 97 единиц. Тогда, экономия топлива для субъектов
предпринимательства рыбохозяйственного комплекса края в год составит 76 800 руб. × 97 = 7449600
руб.
Определим срок окупаемости Сок проекта с одного судна:
Сок 
85000
 1,1 года
76800
(4)
Срок окупаемости проекта составит 1,1 года.Результаты данного внедрения показывают
эффективность от реализации проекта, так как предлагаемый проект позволит окупить
дополнительные затраты на горюче-смазочные материалы и дизельное топливо, и позволит
повысить уровень безопасности мореплавания, что в свою очередь, позволяет сэкономить большую
сумму затрат и повышает показатели прибыльности и рентабельности предприятия.
2.
Преимущества и недостатки существующих источников бесперебойного питания
На следующем этапе исследования я произвел сравнительный анализ всех современных
безынерционных источников питания электрической энергией и по основным преимуществам и
недостатком выявил, что самым оптимальным является применение в судовой
электроэнергетической системе ионисторных батарей.
При изучении ионисторных батарей выявил следующие недостатки и преимущества по
сравнению с другими традиционными источниками питания, которые применяются на судах флота
рыбной промышленности.
Преимущества:

Высокие скорости зарядки и разрядки.

Малая деградация даже после сотен тысяч циклов заряда/разряда.

Малый вес.
2
Низкая токсичность материалов.
Высокая эффективность (более 95 %).
Недостатки:

Удельная энергия меньше, чем у традиционных источников (1—3 Вт·ч/кг при 30—40
Вт·ч/кг для батареек).

Напряжение зависит от степени заряженности.


Рисунок 1 Сравнительная диаграмма энергетического потенциала
современных безынерционных источников
3.
Исследование виртуальных моделей новой системы
Для обоснования высказанного утверждения средствами пакета MATLAB 7.0 с
расширением Simulink 5/6 была создана модель емкостного источника питания емкостью 210 ф
нагруженного на трехфазный силовой ШИМ – преобразователь с подключенным к нему
асинхронным электроприводом(АД) мощностью 15 кВт. Модель силового ШИМ- инвертора,
асинхронного двигателя, ШИМ – генератора имеются в библиотеке Simulink 5/6, SimPowerSystem,
блоки 1-7 моделируют работу батареи ионисторов в процессе питания силового ШИМ, параметры
ионистора – начальное напряжение и емкость задаются в блоке 5. Результаты моделирования,
представленные на рисунке позволяют сделать следующие выводы :
1.
Работоспособность и адекватность модели подтверждается компьютерными
экспериментами, сопоставимость модельных результатов пуска асинхронного двигателя с ШИМ –
преобразователем и натурными испытаниями оценивается погрешностями не более 5 % ;
2.
Учет процесса разрядки ионистора в режиме пуска асинхронного двигателя
мощностью 15 кВт, проведенный с помощью модельного прибора vab(V)1 рис.1, показывает, что в
течение 50 секунд ионистор удерживает 70 % номинального напряжения;
3.
Показания прибора N(rpm) регистрирующего обороты АД, также подтверждают
работоспособность резервного питания в течение 50 сек.
4.
Точка срыва рабочей характеристики АД при питании от ионисторапри заданных
параметрах оценивается временем 50 сек.
Рисунок 2 Результаты моделирования процесса функционирования
3
электропривода с электропитанием
от ионистора
Таким образом созданная модель позволяет оценить время, в течение которого резервный
источник питания на основе современных ионисторов, при различных значениях мощности АД и
величинах электрической емкости ионистора.
4. Исследование электрических характеристик источника бесперебойного питания в судовой
электроэнергетической системе путем создания имитационной модели средствами Matlab
Для исследования судовой электроэнергетической системы с использованием ионисторных
батарей я создал имитационную модель в программе матлаб.Существующая система защиты
генератора срабатывает таким образом, что она отключает генератор от сети. В результате дизель
продолжает работать на холостом ходу, расходуя при этом топливо впустую или отключается. В
добавок ко всему в лучшем случае всю нагрузку берет на себя второй генератор, в худшем – нагрузка
отключается и потребители не получают питание. Проблему можно решить модернизировав систему
защиты путем добавления в нее блока ионисторных модулей и блока широтно-импульсного
преобразователя. Защита будет уже не отключать генератор от сети, а подключать резервный
источник питания. Благодаря своей способности мгновенно менять частоту, источник
бесперебойного питания мгновенно возьмет на себя нагрузку, тем самым на некоторое время
разгрузит генератор. Ионистор по своей структуре обратим, поэтому через широтно – импульсный
преобразователь будет находиться практически всегда в заряженном состоянии.
Подтверждением этого является модель процесса работы синхронного генератора на нагрузку
через широтно импульсный преобразователь(рисунок 3). В качестве нагрузки в модели представлен
асинхронный двигатель большой мощности, являющийся одним из основных энергоемких
потребителей на судах. Кроме того, что асинхронный двигатель является активно – индуктивной
нагрузкой, включение его на прямую к сети приводит к резкому провалу напряжения. Для данной
модели учитывание этих усложняющих факторов является существенным плюсом.
Voltage Measurement
v
Vdc
+
-
+
v
-
+
v
-
Scope
PWM
IGBT Inverter
L1
m
0.7516
Rectifier
Pm
A
B
B
Vf_
C
Step
C
Synchronous Machine
pu Standard
v ref
Vab_load
Scope1
+
A
+
Constant
+
v
-
Vab_inv
g
A
A
A
A Vabc
B
B
B
B
C
C
C
C
Gain
a
C
-
-
b
Saturation
0.1
c
Measure
LC Filter
ir,is (A)
100
vd
Tm
Product2
Vf
<Rotor current ir_a (A)>
<Stator current is_a (A)>
A
vq
m
B
<Rotor speed (wm)>
-K-
v stab
Ground1
4
Excitation
System
C
I Diodes 1 & 3
is_qd
m
3 HP - 380 V
50 Hz
Voltage Regulator
I IGBT 1 & 2
<Electromagnetic torque Te (N*m)>
rpm
Multimeter
Scope2
1
Pulses
Uref
Vabc_inv
Te (N.m)
Vabc (pu)
z
Vref (pu)
Discrete
PWM Generator
Machines
Measurement
Demux
N (rpm)
<Electromagnetic torque Te (N*m)>
m
Vd_ref (pu)
1
modulation index
Рисунок 3 Виртуальная модель процесса работы синхронного генератора на нагрузку
через широтно импульсный преобразователь средствами пакета MATLAB 7.0 с
расширением Simulink 5/6 и SimPowerSystems
На модели представлен генератор серии МСК работающий как на энергоёмкий потребитель,
так и на зарядку ионисторной батареи. Кроме того, улучшение качества электрической энергии
достигунуто применением в модели широтно - импульсного преобразователя. График заряда
ионистораи параметры электрической энергии представлены на рисунке 4
Рисунок 4 Результат моделирования: график заряда ионисторной батареи
и показатели качества преобразованной электроэнергии
4
В момент аварийного режима основным показателем целесообразности применения
ионисторного модуля как источника питания является время его способности поддерживать
судовую электроэнергетическую систему до включения резервного дизель - генератора. С целью
определения времени разряда на активно – индуктивную нагрузку средствами пакета MATLAB 7.0 с
расширением Simulink 5/6 и SimPowerSystems была смоделирована соответствующая система. Таким
образом созданные модели позволили оценить время, в течение которого резервный источник
питания на основе современных ионисторов, при различных значениях мощности асинхронного
двигателя и величинах электрической емкости ионистора,будет поддерживать его в работе, а также
основные параметры качества электрической энергии.
На основании представленных моделей можно сделать вывод о том, что время заряда и
разряда ионисторной батареи удовлетворяет требованиям предъявляемым к судовой
электроэнергетической системе. Полученные временные характеристики позволяют судить о том,
что количества накопленной электроэнергии может быть достаточным для поддержания судовой
электроэнергетической системы в рабочем состоянии до включения резервного источника питания
даже при наличии сложных энергоемких потребителей. Кроме того, элементы схемы, повышающие
качество электрической энергии позволяют на достаточно высоком требуемом уровне избежать
помех и скачков напряжения.
Заключение
По завершению первого года исследований
сделана сравнительная характеристика
современных источников электрической энергии, произведен расчет и выбор ионисторных батарей,
расчет и выбор инвертора напряжения с зарядным устройством согласно мощности судовой
электроэнергетической системы, а также собраны три виртуальные модели средствами пакета
MATLAB 7.0 с
расширением Simulink 5/6 и SimPowerSystems. При экспериментальном
исследовании созданных имитационных моделей была доказана возможность и целесообразность
внедрения ионисторных модулей в судовую электроэнергетическую систему в качестве резервных
источников питания, в целях повышения безопасности мореплавания и улучшения качества
электрической энергии. Также в ходе испытаний было выявлено существенное улучшение
статической и динамической устойчивости системы.
Основные задачи на 2 год проекта:
За первый год при изучении виртуальных моделей подтверждена целесообразность
применения современных источников питания, поэтому на второй год необходимо исследовать
работумодернизированной системы в реальных условиях. По завершению первого цикла
исследования проекта было выявлено улучшение статической и динамической устойчивости
электроэнергетической системы, исходя из этого необходимо также исследовать положительное
влияние ионисторных батарей на устойчивость электрической системы при динамических и
статических режимах. Подтверждение улучшения устойчивости с применением безынерционных
источников питания даст возможность расширения области применения созданной установки и
увеличения рынка сбыта, что повысит коммерческую значимость проекта.
Труднев Сергей Юрьевич, 1985г. рожд., 89246962862 моб., E-mail: trudnev@mail.ru
Научный руководитель: Портнягин Н.Н., д.т.н., профессор кафедры «РЭС», 89247818185.
Научный руководитель, д.т.н.
Портнягин Н.Н.
5