model elektrowni okrętowej statku „horyzont ii” w programie pscad

Andrzej Piłat
Akademia Morska w Gdyni
MODEL ELEKTROWNI OKRĘTOWEJ STATKU „HORYZONT II”
W PROGRAMIE PSCAD
W artykule przedstawiono model okrętowej sieci elektroenergetycznej wykonanej w programie
PSCAD X4. Obiektem, który zasymulowano, jest statek szkolno-badawczy „Horyzont II”. Zamodelowano prądnice synchroniczne wraz z regulatorami napięcia oraz napędzającymi je silnikami diesla.
Przedstawiono przebiegi chwilowe napięć i prądów podczas załączenia i wyłączenia odbiornika
o liniowej i nieliniowej charakterystyce prądowo-napięciowej.
WSTĘP
Zmiany w elektrotechnice na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat, objawiające
się wprowadzeniem szeregu nowych rozwiązań technicznych dotyczących procesów wytwarzania i użytkowania energii elektrycznej, spowodowały konieczność
nowego spojrzenia na zagadnienie jakości energii elektrycznej w systemach elektroenergetycznych. Na uwagę zasługuje stale rosnąca liczba i moc odbiorników
energii elektrycznej zainstalowanych w systemie, często o nieliniowych charakterystykach, co wywołuje coraz większe odchylenia parametrów charakteryzujących
energetyczne sieci zasilające od parametrów znamionowych. Zmienia się nie tylko
kształt czasowych przebiegów napięcia i prądu w rozważanych systemach, ale
również pojawiają się znaczące różnice między rzeczywistymi i znamionowymi
wartościami napięcia i częstotliwości. Ma to różnorodne negatywne skutki związane z poprawnym funkcjonowaniem odbiorników energii elektrycznej, powodujące
m.in. dodatkowe straty energii. Problemy te dotyczą każdego systemu elektroenergetycznego, a w szczególności elektroenergetycznej sieci okrętowej. Statek jest
miejscem o dużej koncentracji odbiorników, spełniających wielorakie funkcje,
pracujących często w warunkach ekstremalnych narażeń klimatycznych i mechanicznych. Znaczna część tych obiektów, w tym niemal wszystkie związane ze sterowaniem i kontrolą systemów okrętowych, to urządzenia elektryczne i elektroniczne o nieliniowych charakterystykach.
W elektroenergetyce lądowej oraz okrętowej często zachodzi konieczność
przebudowy lub zmiana konfiguracji systemu elektroenergetycznego. Wymiana,
załączenie lub wyłączenie w dowolnej chwili urządzenia elektrycznego niosą za
sobą niepewność poprawnej pracy części systemu elektroenergetycznego. Z tego
A. Piłat, Model elektrowni okrętowej statku „Horyzont II” w programie PSCAD
51
powodu przeprowadza się szereg symulacji pozwalających na wcześniejsze wykrycie i zapobieganie niepożądanym zjawiskom i skutkom wywołanym przez wyżej
wspomniane czynności, mającym wpływ na życie i zdrowie załogi oraz bezpieczeństwo przewożonego ładunku.
Istnieje wiele programów pozwalających na przeprowadzenie symulacji zjawisk występujących w systemach elektroenergetycznych. Na szczególną uwagę
zasługuje program PSCAD (ang. Power Systems Computer Aided Design), pochodzący z rodziny EMTDC (ang. Elektromagnetic Transient including DC) [7].
PSCAD służy do modelowania i symulacji różnego rodzaju systemów elektroenergetycznych takich jak: elektrownie wiatrowe, lądowe i okrętowe systemy elektroenergetyczne. Najczęściej jest on wykorzystywany do symulacji wybranych wielkości w systemach elektroenergetycznych w stanach przejściowych. PSCAD
umożliwia także modelowanie układów pomiarowych, kontrolnych i sterujących
[7]. W pracy [3] przedstawiono wykorzystanie programu PSCAD do symulacji
elektroenergetycznego systemu okrętowego w różnych stanach eksploatacyjnych.
1. OKRĘTOWY SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY STATKU
M/V „HORYZONT II”
„Horyzont II” jest statkiem szkolno-badawczym składającym się z trzech jednakowych zespołów prądotwórczych. W skład zespołu prądotwórczego wchodzą:
prądnica synchroniczna o mocy znamionowej 301 kW (376 kVA), napędzana za
pomocą czterosuwowego silnika diesla o mocy znamionowej 357 kW. W zależności od zapotrzebowania na moc pobieraną przez odbiorniki możliwa jest praca pojedynczego, dwóch lub trzech współpracujących ze sobą agregatów prądotwórczych, załączonych na szyny głównej rozdzielnicy. Wszystkie odbiorniki
zainstalowane na statku zasilane są z rozdzielnicy głównej (rys. 1). Wśród odbiorników większych mocy zainstalowanych na statku można wyróżnić: ster strumieniowy o mocy znamionowej 125 kW, silnik indukcyjny dźwigu pokładowego
55 kW oraz silnik indukcyjny do napędu sprężarki klimatyzacji 28 kW. Pozostałe
odbiorniki mają mniejszą moc i nie wywierają większego wpływu na zmiany parametrów jakości energii elektrycznej sieci (napięcie, częstotliwość).
Elektroenergetyczna sieć okrętowa jest siecią miękką. Charakteryzuje się dużymi zmianami napięcia i częstotliwości, wynikającymi z porównywalnych mocy
elektrowni okrętowej i załączanych dużych odbiorników energii. Bardzo ważnym
zagadnieniem dla okrętowego systemu elektroenergetycznego jest ciągłość zasilania odbiorników podczas manewrów. Statek musi posiadać pełną manewrowość,
a więc i pewność zasilania odbiorników, od których zależy bezpieczeństwo załogi
i przewożonego ładunku. Napięcie znamionowe systemu elektroenergetycznego
statku jest równe 400 V, zaś częstotliwość znamionowa wynosi 50 Hz.
52
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 85, grudzień 2014
M1
~
125 kW
Odb 1
M
~
Odb n
1 .. n
Szyny
główne
BR 1
301 kW
367 kVA
GR 1
SD 1
357 kW
BR 2
G1
~
BR 3
G2
301 kW
367 kVA
~
GR3
SD 2
357 kW
301 kW
367 kVA
G3
~
GR3
SD 3
357 kW
Rys. 1. System elektroenergetyczny statku m/v „Horyzont II” (G1 – prądnica synchroniczna,
SD1 – silnik diesla, GR – przekładnia, M1 – ster strumieniowy, BR – wyłącznik)
Fig. 1. Electric power system of the m/v „Horyzont II” (G1 – synchronous generators,
SD1 – diesel engine, GR – gear, M1 – motor of bow thruster, BR – breaker)
2. MODEL SYSTEMU ELEKTROENERGETYCZNEGO STATKU
„HORYZONT II” W PROGRAMIE PSCAD
Wstępny model okrętowej sieci elektroenergetycznej statku m/v „Horyzont II”
wykonano w programie PSCAD wersji X4. W symulacji skoncentrowano się
na zamodelowaniu trzech jednakowych zespołów prądotwórczych pracujących na
wspólne szyny. W skład pojedynczego agregatu wchodzi prądnica synchroniczna
o mocy znamionowej 301 kW, 376 kVA oraz czterosuwowy silnik diesla o mocy
znamionowej 357 kW. Na rysunku 2 przedstawiono model trzech jednakowych
prądnic załączonych na szyny rozdzielnicy głównej. Obciążenie stanowią dwa
odbiorniki: jeden liniowy rezystancyjno-indukcyjny o parametrach R = 5 Ω i L =
= 0,127 H, zaś drugi odbiornik nieliniowy dużej mocy (dławik).
53
A. Piłat, Model elektrowni okrętowej statku „Horyzont II” w programie PSCAD
SZYNY G ŁÓWNE ROZDZIELNICY
L1
L2 L 3
BRK
Iaa
A
Gen1_brk
Generator1
A1
A2
A
A3
B
B
C
Eab
C
Gen2_brk
Generator2
A2
B2
C2
0.127 [H]
5 [ ohm]
0.127 [H]
5 [ ohm]
0.127 [H]
A
B
C
Gen1_brk
A3
Wylacznik Gen_1
Gen_1
A
B3
C3
Gen2_brk
Gen_1
Gen3_brk
Generator3
5 [ ohm]
OFF
B
ON
Gen3_brk
Gen_2
Gen_3
Wylacznik Gen_2
Gen_2
OFF
Wylacznik Gen_3
Gen_3
ON
OFF
BRK
Odb_nieliniowy
Odb_nieliniowy
Odb_nieliniowy
ON
OFF
ON
C
1
1
1
1
Rys. 2. Charakterystyka prądowo-napięciowa odbiornika nieliniowego obciążającego
prądnice symulowanego systemu elektroenergetycznego
Fig. 2. Current-voltage characteristics of non-linear loads simulated loading generators
of the power system
W programie możliwy jest wybór odpowiedniej liczby załączonych agregatów
prądotwórczych w zależności od liczby załączonych odbiorników w dowolnej
chwili, poprzez ustawienie przełącznika Gen_1, Gen_2 lub Gen_3 w odpowiedniej
pozycji. Możliwe jest również załączenie i wyłączenie w dowolnej chwili odbiornika nieliniowego, zaś odbiornik o liniowej charakterystyce jest dołączony na stałe.
Na rysunku 3 przedstawiono model czterosuwowego silnika diesla wraz z regulatorem prędkości obrotowej [2]. Sygnałami wejściowymi do regulatora prędkości obrotowej są rzeczywista prędkość obrotowa pochodząca z wału prądnicy oraz
zadana prędkość obrotowa. Sygnały te poprzez odpowiednie transmitancje przekształcane są na dawkę paliwa, która podawana jest na wejście FL (Fuel Intake)
w modelu silnika diesla (IC Engine). Do utrzymania stałej prędkości obrotowej
wykorzystano regulator proporcjonalno-całkujący PI. Sygnałem wyjściowym
z silnika jest moment mechaniczny Tm1, przekazywany na wejście synchronicznej
prądnicy prądu przemiennego.
314.1593
D
SPEED1
N/D
D
+
F
wref
Predkosc zadana
I
*
1
W1
P
*
10
G
1 + sT
N
a
w
Tm
e-sT
FL
FL
IC Engine
Tm1
FL
Rys. 3. Model czterosuwowego silnika diesla wraz z regulatorem prędkości obrotowej [2]
Fig. 3. Model of a four-stroke diesel engine with the speed governor
54
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 85, grudzień 2014
Model prądnicy synchronicznej wraz z regulatorem napięcia przedstawiono
na rysunku 4 [7]. Do prądnicy dołączono regulator napięcia (Exciter_(AC5A)),
służący do utrzymania stałej wartości skutecznej napięcia na szynach głównych
rozdzielnicy. Poprzez blok Table, który połączony jest z regulatorem napięcia,
realizowany jest rozpływ mocy biernej pomiędzy załączone jednocześnie na szyny
główne prądnice synchroniczne.
Uavr1
Vref
QOUT 1
Exciter _(AC5A)
VT
Ef0
Ef
If IT
Uavr1
Table
3
A1
Ef0
Te
IF1
Uf1
Ef If
w Tm
A2
A3
ia1
A
Ea1
B
Eb1
C
Ec1
S
Tei1
Tm
A
V
Rys. 4. Model trójfazowej prądnicy synchronicznej prądu przemiennego
wraz z regulatorem napięcia [7]
Fig. 4. Model the three-phase synchronous AC generator with voltage regulator
3. WSTĘPNA WERYFIKACJA SYMULACYJNA SYSTEMU
ELEKTROENERGETYCZNEGO STATKU „HORYZONT II”
Wstępną weryfikację symulowanego systemu elektroenergetycznego statku
m/v „Horyzont II” przeprowadzono w stanie zarówno statycznym, jak i dynamicznym. Na rysunku 5 przedstawiono przebiegi chwilowe napięć symulowanych na
szynach głównych rozdzielnicy. Przy załączeniu odbiornika liniowego rezystancyjno-indukcyjnego napięcie ma przebieg sinusoidalny. Po załączeniu dodatkowo
odbiornika nieliniowego przebieg napięcia zasilającego zostaje zniekształcony.
55
A. Piłat, Model elektrowni okrętowej statku „Horyzont II” w programie PSCAD
a)
Napięcie chwilowe e_ab (t)
e_ab
600
e_ab [V]
400
200
0
-200
-400
-600
t [s]
3.980
4.000
4.020
4.040
4.060
4.080
b)
Napięcie chwilowe e_ab (t)
e_ab
600
e_ab [V]
400
200
0
-200
-400
t [s]
-600
11.060
11.080
11.100
11.120
11.140
Rys. 5. Przebiegi chwilowe napięcia symulowane na szynach głównych rozdzielnicy:
a) załączony odbiornik liniowy, b) załączony odbiornik nieliniowy
Fig. 5. Waveforms of voltage rails simulated on the main switchboard:
a) a linear receiver attached, b) a non-linear receiver attached
W przypadku prądów symulowanych pobieranych z prądnicy można zauważyć podobną tendencję jak przy napięciach chwilowych. Przy załączeniu odbiornika liniowego prąd płynący przez odbiornik ma przebieg sinusoidalny. Po załączeniu odbiornika nieliniowego, przebieg prądu zostaje zniekształcony (rys. 6).
56
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 85, grudzień 2014
a)
Prąd chwilowy fazy _a(t)
i
10.0
i _aa
8.0
6.0
i_aa [A ]
4.0
2.0
0.0
-2.0
-4.0
-6.0
-8.0
-10.0
t [s ]
3.980
3.990
4.000
4.010
4.020
4.030
4.040
4.050
4.060
4.070
b)
i_aa
Prąd chwilowy fazy_a(t)
i
40
30
i_aa [ A]
20
10
0
-10
-20
-30
-40
t [s]
11.060 11.070 11.080 11.090 11. 100 11.110 11.120 11.130 11.140
Rys. 6. Przebiegi chwilowe prądu symulowane na szynach głównych rozdzielnicy
a) załączony odbiornik liniowy, b) załączony odbiornik nieliniowy
Fig. 6. Waveforms of current simulated on the rails of the main switchboard:
a) a linear receiver attached, b) a non-linear receiver attached
Wartość skuteczna napięcia symulowana na szynach głównych rozdzielnicy
(rys. 7) utrzymywana jest za pomocą regulatora napięcia na poziomie 397,7 V.
Po załączeniu odbiornika nieliniowego dużej mocy napięcie osiąga wartość minimalną 393,6 V i po czasie regulacji 2,97 s przyjmuje wartość ustaloną. Na rysunku
8 przedstawiono przebieg wartości skutecznej prądu pobieranego przez odbiorniki.
Po zwiększeniu stałej czasowej regulatora napięcia następuje wydłużenie czasu
regulacji wartości skutecznej napięcia.
57
A. Piłat, Model elektrowni okrętowej statku „Horyzont II” w programie PSCAD
Napięcie międzyfazowe Eab _rms
Eab_rms
406. 0
Załączenie odbiornika
nieliniowego
Eab_rms [V]
404. 0
402. 0
400. 0
398. 0
396. 0
394. 0
392. 0
t [s]
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
Rys. 7. Wartość skuteczna napięcia symulowana na szynach głównych rozdzielnicy
Fig. 7. The RMS voltage simulated on the rails of the main switchboard
Wartość skuteczna prądu
Ia_rms
35.0
Iaa_rms [A]
30.0
25.0
20.0
Załączenie odbiornika
nieliniowego
15.0
10.0
5.0
0.0
t [s]
0.0
2.5
5.0
7.5
10.0
12.5
15 .0
17.5
20.0
Rys. 8. Wartość skuteczna prądu symulowana na szynach głównych rozdzielnicy
Fig. 8. RMS current simulated on the rails of the main switchboard
Na rysunkach 9 i 10 przedstawiono przebiegi chwilowe napięcia i prądu zasymulowane na szynach głównych rozdzielnicy. Przebieg napięcia praktycznie
zachowuje stałą amplitudę przez całą symulację, tylko w momencie załączenia
odbiornika nieliniowego następuje niewielkie zniekształcenie. Natomiast przebieg
chwilowy prądu zachowuje stałą amplitudę podczas obciążenia prądnicy odbiornikiem liniowym o niewielkim obciążeniu. Po załączeniu odbiornika nieliniowego
dużej mocy uwidacznia się stan nieustalony przebiegu prądu.
58
ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 85, grudzień 2014
Napięcie chwilowe e _ab (t )
e_ab
600
400
e_ab [V]
200
0
- 200
- 400
- 600
t [s]
2. 0
4. 0
6. 0
8. 0
10. 0
12. 0
14. 0
Rys. 9. Przebieg napięcia chwilowego symulowanego na szynach głównych rozdzielnicy
Fig. 9. The simulated voltage on the rails of the main switchboard
Prąd chwilowy fazy i_a(t)
i_aa
40
30
iaa [A]
20
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
t [s]
2.0
4.0
6.0
8 .0
10.0
12.0
14 .0
Rys. 10. Przebieg napięcia chwilowego symulowanego na szynach głównych rozdzielnicy
Fig. 10. Voltage simulated on the rails of the main switchboard
PODSUMOWANIE
W artykule przedstawiono model części okrętowego systemu elektroenergetycznego statku „Horyzont II” zrealizowanego w programie PSCAD. Prezentowane przebiegi chwilowe oraz wartości skuteczne parametrów energii elektrycznej
wykazują przydatność wykorzystania programu PSCAD do modelowania elektroenergetycznej sieci okrętowej. Wydaje się, że wstępna weryfikacja modelu w stanie ustalonym jest zgodna z oczekiwaniami. Przebiegi chwilowe prądów i napięć,
jak również ich wartości skuteczne są wielkościami, które można w rzeczywistości
zaobserwować na statkach morskich. W przyszłości planowane jest przeprowadze-
A. Piłat, Model elektrowni okrętowej statku „Horyzont II” w programie PSCAD
59
nie rzeczywistych pomiarów parametrów energii elektrycznej na statku m/v
„Horyzont II” i porównanie ich z prezentowanym modelem. Wiąże się to z potrzebą stworzenia modelu najważniejszych odbiorników zainstalowanych na statku.
Przedstawione na rysunku 5 przebiegi chwilowe napięć dowodzą, że załączenie
nieliniowego obciążenia na źródło napięcia, jakim jest prądnica synchroniczna
o danych parametrach, powoduje odkształcenie przebiegu napięcia zasilającego
odbiornik. Czas regulacji oraz zmiany wartości skutecznych napięć mieszczą się
w normach Polskiego Rejestru Statków.
Artykuł przygotowano w ramach projektu DEC-2012/07/E/ST8/01688.
LITERATURA
1. Arendt R., Simulation investigations of ship power systems, Environment and Electrical
Engineering, EEEIC 2011.
2. Friedel V., Modeling and Simulations of a Fybrid Wind-Diesel Microgrid, Royal Institut of
Technology, Stockholm, Sweden, June 2009.
3. Prousalidis J., Muthumumi D., Power quality on electric ship, Flux Magazine, June 2006.
4. Simoes M.G, Palle B., Chakraborty S., Electrical Model Development and Validation for
Distributed Resources, Colorado 2007.
5. Swarn S. Kalasi, Nayak O., Ship Electrical System Simulation, Electrical Schip Technologies
symposium, IEEE, 2005.
6. Tarasiuk T., Mindykowski J., Weryfikacja doświadczalna analizatora jakości energii elektrycznej
na statku m/s Horyzont II, PAK 2003.
7. The Electromagnetic Transients and Controls Simulation Engine, Monitoba HVDC 2010.
A MODEL OF POWER STATION OF M/V „HORYZONT II”
CREATED IN THE PSCAD
Summary
In the paper presents a model of ship electricity grid made in the PSCAD X4. The object which was
simulated is a school and research vessel „Horyzont II”. Synchronous generators with voltage regulators and driving diesel engines are modeled. The waveforms of current and voltage during the
switching on and off the receiver (with linear and non-linear current-voltage characteristics) are
shown.