Аспірантка Конащук В.В.

Запорізька державна інженерна академія, Україна

Особливості аварійних режимів безмультиплікаторних ВЕУ

Безмультиплікаторні схеми турбогенераторної ВЕУ виробництва фірми «Конкорд» на відміну від класичних схем вітроелектричних установок мають ефект автостабілізації електромеханічної системи в оптимальному режимі в широкому діапазоні зміни вітрового потоку [1]. З метою підвищення її ефективності та реалізації автономного режиму необхідно використовувати перетворювачі частоти для узгодження частоти напруги генератора та мережі [2]. Схеми таких перетворювачів мають складну структуру, вони містять декілька джерел живлення та декілька випрямлячів, ємнісні накопичувачі, імпульсні перетворювачі та багаторівневі інвертори.

Процеси функціонування безмультиплікаторних ВЕУ в стаціонарних режимах досить повно висвітлені [1,2,3,5], але проблеми функціональності безмультиплікаторних ВЕУ в аварійних режимах досліджені недостатньо, що зумовлює актуальність даної роботи.

Метою даної роботи є дослідження процесів функціонування схеми перетворення електричної енергії перетворювачами частоти безмультиплікаторної ВЕУ в аварійних режимах роботи.

Схема, що досліджується, складається з трьох генераторів, трьох двонапівперіодних трифазних випрямлячів, трьох імпульсних перетворювачів постійної напруги (ІППН) та двох трирівневих мостових інверторів.

У перетворювачі відбувається багаторівневе перетворення електричної енергії. Напруга генераторів змінюється в деякому діапазоні, як за амплітудою, так і за частотою, в залежності від швидкості вітру, випрямляється в некерованому випрямлячі та стабілізується ІППН. Формування синусоїдальної змінної напруги з регульованою частотою здійснюється трирівневим мостовим інвертором. Схема забезпечує підтримку частоти обертання генераторів. Частота комутації ключа ІППН – 1000 Гц, частота комутації ключа трирівневго інвертора – 900Гц. Ланка постійного струму має велику ємність, що призначена для згладжування пульсацій та накопичення енергії для живлення інвертора [2].

З метою уточнення поняття аварійного режиму роботи даної схеми розглянемо можливі аварійні ситуації. Аварії в залежності від місця їх виникнення розділяють на зовнішні та внутрішні, а також перенапруги. Перенапруги поділяють на три основні види: квазістаціонарні, комутаційні, грозові. Принагідно слід зазначити, що внутрішнє та зовнішнє коротке замикання викликають значний гальмівний момент на валу вітрогенератора, в зв’язку з чим необхідна перевірка його механічної частини.

Предметом дослідження даної роботи є аварійні режими, які виникають через ушкодження силових напівпровідникових приладів в одному або декількох плечах перетворювача, а також через порушення нормального функціонування системи управління [3].

Розглянемо можливі аварійні ситуації даного перетворювача.

1. Внутрішнє коротке замикання в одному з випрямлячів перетворювача пов’язане з виходом із ладу одного з діодів. У результаті виникає двофазне коротке замикання між фазами, які спричинять коротке замикання синхронного генератора.

Струм короткого замикання явнополюсного синхронного генератора визначається за формулою [4]:

, (1)

де Е_m – амплітуда внутрішньої ЕРС генератора;

X_d – індуктивний опір по продольній осі, для даного генератора;

Е₀ – ЕРС холостого ходу генератору;

- ударний коефіцієнт, визначається моментом виникнення короткого замикання та співвідношенням ;

- активний опір кола.

Для того щоб уникнути такої аварії пропонується встановити перед діодами запобіжники, або взагалі замість діодів використати тиристори, які вмикаються в нормальному режимі з (кут керування тиристором). Зменшення струму короткого замикання відбувається блокуванням керуючих імпульсів тиристорів.

Вихід з ладу діода при перегоранні запобіжника призведе до несиметричного навантаження фаз генератора і значних пульсацій вихідної напруги, що є неприпустимим для ВЕУ через те, що викликає асиметрію в навантаженні вітроколеса та перевантаження ІППН. Усунення такого режиму можливе зменшенням струму збудження генераторів або вимкненням інверторів, що вимагає створення спеціальних систем захисту ВЕУ від аварійних режимів.

2. Аварійний режим ІППН, спричинений пробоєм діода ІППН, що призведе до виникнення аварійного стуму в колі транзистора та конденсатора. Аварії, спричинені пробоєм транзисторів, є найбільш важкими, вони супроводжуються протіканням великих струмів з високими швидкостями наростання струму () [6]. Аварійний струм може вивести з ладу транзистор, тому пропонується перед діодом встановити швидкодіючий датчик струму, який закриває транзистор та ліквідує аварію. Струм короткого замикання LC-контуру можна розрахувати за формулою [6]:

, (2)

де U – напруга контуру постійного струму;

- хвильовий опір контуру.

Хвильовий опір контуру буде незначним через велику ємність конденсатора.

При вмиканні транзистора в ланці постійного струму можливе виникнення перенапруги на елементах фільтру через зміну струму навантаження, перенапруга на ємності буде складати [6]:

, (3)

де Q – добротність контуру, що містить L, C;

І_d – величина струму в реакторі в момент вимикання транзистора.

Для зняття перенапруг у ланці постійного струму пропонується встановити обмежувачі напруги.

Вихід з ладу діода унеможливлює функцію ІППН як стабілізатора напруги, це призведе до коливання напруги інвертора, а це в свою чергу призведе до необхідності вводити захисну функцію в САР інвертора, щоб забезпечити нормальне функціонування ВЕУ.

3. Внутрішнє коротке замикання інвертора, наприклад вихід з ладу одного з елементів плеча трирівневого інвертора, унеможливлює його нормальне функціонування. У разі виходу з ладу напівпровідникових приладів або керуючої системи інвертора він повинен відімкнутися від схеми і перетворення енергії відбудеться через інший інвертор.

Наведене дослідження дозволяє зробити наступні висновки:

- вдосконалення електронних систем нейтралізації негативних наслідків роботи безмультиплікаторних ВЕУ в аварійних режимах сприяє підвищенню надійності та ефективності їх функціонування;

- для захисту транзисторів мають бути використані швидкодіючі датчики миттєвих значень струмів транзисторів;

- для захисту діодів та конденсаторів від аварійного струму необхідно встановити запобіжники;

- для захисту ланки постійного струму від перенапруги, необхідно встановити обмежувачі напруги.

- аналіз можливих ситуацій струмових аварійних режимів дозволяє запропонувати схему розміщення захисних елементів багатоканального перетворювача частоти для ВЕУ з аеродинамічною мультиплікацією.

- для докладнішої оцінки номінальних даних елементів захисту та швидкодії датчиків струму і системи керування перетворювача необхідно розробити комп’ютерну модель та провести детальне моделювання процесів.

Література:

1. Голубенко Н. Моделирование электромеханической системы ВЭУ с aэродинамической мультипликацией в режиме стабилизации скорости ветровых турбин / Н. Голубенко, П. Андриенко, И. Немудрый // Электротехника и электроэнергетика. – 2011. – № 1. – С. 13–20.

2. Андриенко П.Д. Реализация автономного режима работы ветроэлектрической установки типа ТГ-1000 / П. Д. Андриенко, В.С. Кражан, И.Ю. Немудрый // Вісник нац. тех. ун-ту ХПІ. – 2010. – №28. – С.343.

3. Кошелев К. С. Исследование и разработка средств защиты статического компенсатора реактивной мощности с цифровой системой управления: автореф. дисс. на соискание уч. степени канд. техн. наук: спец. 05.09.01. «Электромеханика и электрические аппараты»/К. С. Кошелев. – Москва, 2008. – 20 с.

4. Костенко М.П. Электрические машины Ч.2 / М. Костенко, Л. Пиотровский. – М.-Л.: «Энергия», 1985. – 704с.

5. Колпаков А. Алгоритмы управления многоуровневыми преобразователями /А. Колпаков, Е. Карташев./ Силовая Электроника. – 2009. – №2. – С. 57-65.

6. Конспект лекцій за курсом «Автономні перетворювачі» для студентів спеціальності 7.0908 03 «Електронні системи» денної та заочної форм навчання / Укладач В.В. Семенов. – Запоріжжя: ЗДІА, 2007. – С 95.