К качеству потребляемой электроэнергии от ДЭС в рамках производственных условий различных предприятий предъявляется всё возрастающие повышенные требования как в статических так и динамических режимах её работы, а также в широком диапазоне изменения нагрузки. Удовлетворить сформулированные таким образом требования по качеству электроэнергии возможно при построении двухконтурной системы регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя и системы возбуждения синхронного генератора ДЭС.
Используемые в настоящее время ДЭС имеют отдельные системы регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя (СРЧВ) и системы регулирования возбуждения синхронного генератора (СРВГ) ДЭС, при этом, как правило, данные системы регулирования работают по отклонению.
В отличии от этого на базе современной микропророцессорной вычислительной техники и её применение для целей управления и регулирования частотой вращения коленчатого вала двигателя (СРЧВ) и системы регулирования возбуждения синхронного генератора (СРВГ) ДЭС, возникает возможность строить двухконтурные системы регулирования ДЭС структура которых расширяет диапазон регулирования не только по отклонению но и по возмущению.
Основными элементами данной схемы являются (рисунок): дизельный двигатель, СГ - синхронный генератор, СРЧВ и СРВГ - системы регулирования дизельного двигателя и генератора, МСУ - микропроцессорная система управления.
Структурная схема двухконтурной СР
Двухконтурная система регулирования (СР) предполагает работу в двух режимах: по отклонению и по возмущению. В первом режиме регулирование осуществляется по первому контуру (по отклонению) при изменении частоты вращения вала двигателя и напряжения синхронного генератора в пределах 5-10%. В этом случае регулирование двигателя и генератора осуществляется от СРЧВ и СРВГ раздельно, независимо друг от друга.
При резком изменении нагрузки в широких пределах частота вращения вала двигателя и напряжения синхронного генератора могут значительно выходить за указанные пределы и время восстановления параметров может быть достаточно длительным.
Современное электротехническое и ра- диотехническое оборудование ответственных электроприёмников предъявляет повышенные требования к качеству электроэнергии, как в статических, так и в динамических режимах работы в широком диапазоне изменения нагрузки. Удовлетворить заданным требованиям по качеству электроэнергии возможно при построении двухконтурной системы регулирования частоты вращения коленчатого вала двигателя и системы возбуждения синхронного генератора ДЭС.
Сложность построения такой системы регулирования состоит в выборе критерия оптимальности, а также информационного параметра и сигнала управления.
Установить эти зависимости можно при рассмотрении уравнений движения вала дизельного двигателя и синхронного генератора в динамических режимах работы.
Математическая модель ДЭС без регуляторов состоит из двух частей: дифференциальных уравнений движения ротора машины и дифференциальных уравнений неустановившихся режимов в замкнутых контурах синхронного генератора.
Угловое ускорение синхронного генератора пропорционально сумме моментов, действующих на роторы двигателя и генератора
(1)
где J - момент инерции роторов двигателя и генератора; γ - угол поворота ротора; MТ - вращающий момент дизельного двигателя; MЭ - тормозной электромагнитный момент генератора.
Момент инерции J изменяется в широком диапазоне в зависимости от типа и мощности ДЭС. Поэтому обычно его заменяют другим параметром: механической постоянной времени TJ либо постоянной инерции H. Механические скорости для удобства расчётов заменяют электрической скоростью ω. Моменты заменяют мощностями.
Постоянная инерции H равна кинетической энергии ротора, вращающегося с номинальной скоростью ΩНОМ, делённой на номинальную полную мощность SНОМ генератора:
(2)
где 
- угловая скорость ротора ДЭС.
Для того чтобы математическая модель ДЭС не зависела от номинальных скоростей двигателя и генератора, углы поворота, угловые скорости и моменты агрегатов «приводятся» к скорости ω, равной номинальной электрической скорости:
где p - число пар полюсов; ω - приведенная угловая скорость.
Тогда
где γ - приведенный электрический угол поворота.
Уравнение движения ротора (1) примет вид:
Откуда
где PТ, PЭ - мощности двигателя и генератора; P·ω-1 - момент при угловой скорости ω.
Выражая эту зависимость в относительных единицах при номинальной мощности PНОМ = SНОМ, допуская, что изменения скорости малы (ω = ωНОМ), а так же вводя дополнительную переменную скольжения ротора, обозначенную символом S - относительный прирост скорости ротора (скольжение с обратным знаком):
Получаем нормальный вид уравнения скорости:
(3)
где 
- мощности двигателя и генератора в относительных единицах; Θ - угол поворота ротора.
Из уравнения (3) следует, что основным регулируемым параметром дизельного двигателя является угол поворота вала, который будет определяться мощностью генератора, которая в свою очередь будет зависеть от напряжения и тока на нагрузке. Основным регулируемым параметром синхронного генератора является его выходное напряжение.
Используя известные уравнения Парка-Горева при дополнительных допущениях о неучёте переходных процессов в демпферных контурах и активного сопротивления статора можно получить уравнение через электрические параметры генератора.
Каждый режим работы дизельного двигателя характеризуется совокупностью многих параметров, отражающих те или иные его свойства. К числу таких параметров можно отнести: Ne - эффективную мощность; M - крутящий момент; ω - угловую скорость коленчатого вала; pk - давление наддува; g - эффективный удельный расход топлива; T - температуру охлаждающей воды; α- коэффициент избытка воздуха; ηe - эффективный КПД; h - положение рейки топливного насоса (органа управления) и другие, которые также связаны между собой уравнениями, из которых можно установить их влияние на частоту вращения ротора дизельного двигателя.
Критерием оптимальности будет являться минимальное время восстановления параметров ДЭС, закон управления которого в соответствии с принципом максимума Понтрягина будет иметь вид
Нетрудно видеть, что в него входят параметры, которые в наивысшей степени влияют на систему управления.
Таким образом, полученная математическая модель позволяет строить двухконтурные системы регулирования автономных дизель - генераторов с улучшенными качественными показателями электроэнергии в динамических режимах и рассчитывать их необходимые па- раметры.
Список литературы
-
Бернас С., Цёк З. Математические модели электроэнергетических систем // Энергоиздат - 1988. - С. 35-37.
-
Аналого-цифровое моделирование электроэнергетических объектов // Энергия. - 2007. - С. 105-107.
- Веников В.А., Литкенс И.В. Математические основы теории автоматического управления режимами энергосистем. Монография // Энергия. - 2002. - С. 145-148.