КОМП’ЮТЕРНА МОДЕЛЬ РОБОТИ СУДНОВИХ ГІБРИДНИХ ПРОПУЛЬСИВНИХ КОМПЛЕКСІВ

Занько Володимир Олександрович, Колебанов Олександр Костянтинович

Підвищення економічності та надійності суднових електроенергетичних систем є актуальною задачею. Експлуатація універсальних суховантажних суден пов'язана з витратою значної кількості палива і інших нафтопродуктів, вартість яких безперервно підвищується [1].

Значна економія нафтопродуктів на суднах може бути отримана за рахунок використання головної енергетичної установки (ГЕУ) для виробництва електроенергії [2].

Використання валогенераторних устанвок (ВГУ) це один з шляхів удосконалення суднової електроенергетичної системи, підвищення  її ККД.  Зниження витрат палива, потужності від силової установки для СЕЕС може здійснюватися застосуванням у складі електростанцій валогенераторів, привід яких здійснюється через механічну передачу від суднового валопровода або від валу відбору потужності головного двигуна.  

При використанні ВГУ як генератора і електродвигуна зазвичай розглядають чотири схеми роботи пропульсивного комплексу [3]:

1. ГД працює на гребний гвинт;
2. ГД працює на гребний вал, а частина його потужності передається на ВГУ, що працює в режимі генератора;
3. гребний вал працює як ГД, так і ВГУ, що працює в режимі електродвигуна (ЕД);
4. ГД відключений, на гребний вал працює тільки електродвигун.

Метою досліджень є розробка комп’ютерної моделі для аналізу режимів роботи суднових гібридних пропульсивних комплексів.

Для дослідження можливості застосування напівпровідникових перетворювачів (НП) на базі автономних інверторів (АІ) в складі ВГУ, розрахунку статичних характеристик і перехідних процесів в середовищі наукового моделювання Simulink (пакет Маtlаb) розроблений віртуальний комп'ютерний стенд. До складу стенду входить комп'ютерна модель синхронного ВГ з системою збудження, ПП на базі некекрованого випрямляча і АІ, асинхронного електроприводу, статичне активно-індуктивне навантаження, віртуальні прилади електровимірювань.

Джерело напруги – синхронний генератор ВГ 60 Гц потужністю 910 кВт здійснює живлення навантаження через перетворювач [4]. Напруга 450 В, 60 Гц, спочатку випрямляється шістиімпульсним діодним мостом. Фільтрована напруга постійного струму подається на дворівневий інвертор IGBT, що генерує 60 Гц. Інвертор IGBT використовує модуляцію імпульсної ширини (ШІМ) на несучій частоті 2 кГц. Схема дискретизується за час вибірки в 2 нс.Напруга навантаження регулюється за допомогою ПІ-регулятора напруги, використовуючи перетворення у двофазну рухому систему координат. Перший вихід регулятора напруги - вектор, що містить три модулюючі сигнали, використовувані генератором ШІМ для генерації 6 IGBT імпульсів. Другий вихід повертає індекс модуляції.

Блок мультиметра використовується для спостереження за діодними та IGBT струмами. За формами хвилі напруги на шині постійного струму, виході інвертора та навантаженні можна слідкувати на Scope1. Гармоніки, генеровані інвертором навколо кратних 2 кГц, фільтруються за допомогою LC фільтра.

Вихід перетворювача під’єднано до розподільної секції ГРЩ, яка живить резистивно-індуктивне та моторне навантаження. Навантаження моделюється як еквівалентне R-L з’єднання або асинхронні машини (потужністю 50 та 75 кВт) та вмикається у певні моменти часу за допомогою перемикачів, моделюючі таким чином нестаціонарність енергосистеми.

Результати моделювання, отримані в різних системах збудження, демонструють хорошу стійкість при накиді навантаження несправності. Після перехідного періоду приблизно 50 мс система досягає стійкого стану.

Для визначення можливості підтримки сталості напруги і частоти в судновий мережі при роботі ВГ зі змінною частотою на комп'ютерній моделі ВГУ проведені обчислювальні експерименти.

Результати експериментальних досліджень показали, що у всьому діапазоні зміни частоти ВГ від 30 до 50 Гц і навантаження від 50% до 100% від номінального значення напруга і частота в судновий мережі підтримувалася номінальним з допустимою точністю.

Результати гармонійного аналізу напруги і частоти в судновий мережі показали, що коефіцієнт несинусоїдальності напруги в судновий мережі для різних режимів роботи ВГ склав 20… 25%, а струму - не перевищував 5%.

Проведені дослідження [2] показали, що використання напівпровідникових иеретворювачів в складі комбинованого пропульсивного комплекса дозволяє значно  підвищити якісні показники електричної енергії в судновій ЕС; забезпечити працездатність суднової енергосистеми при аварійних ситуаціях, забезпечити зниження собівартості виробленої електроенергії, збільшити моторесурс ДГ, зменшити експлуатаційні витрати, підвищити надійність СЕУ і безпеку мореплавання судна в цілому.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранов А.П. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы. / А.П. Баранов // М.: Транспорт, 1988. - 328 с.
2. Григорьев А. В. Современные и перспективные судовые валогенераторные установки / А. В. Григорьев, В. А. Петухов. – СПб. : Изд-во ГМА им. адм. С. О. Макарова, 2009. – 176 с.
3. Марголин Ш. М. Дифференциальный электропривод / Ш. М. Марголин. – М. : Энергия, 1975. – 168 с.
4. Рябенький В. М. Модель для исследования судовых электроэнергетических систем в аварийных и динамических режимах работы / В.М. Рябенький, А.О. Ушкаренко, Д.И.А.Ш. Язид // Вестник Нац. техн. ун-та "ХПИ" : сб. науч. тр. Темат. вып. : Проблемы автоматизированного электропривода. Теория и практика. – Харьков : НТУ "ХПИ". – 2015. – № 12 (1121). – С. 164-167.