Автореферат (Повышение эффективности статического преобразователя в электроэнергетических системах с солнечными фотоэлектрическими установками)

1На правах рукописиУДК 621.314Дякин Сергей ВалерьевичПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С СОЛНЕЧНЫМИФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ УСТАНОВКАМИСпециальность 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»АВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20162Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические, электромеханические ибиотехнические системы» Федерального государственного бюджетногообразовательногоучреждениявысшегообразования«Московскийавиационный институт (национальный исследовательский университет)» МАИ.Научный руководитель:Вольский Сергей Иосифович,доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВО«Московский авиационный институт (национальныйисследовательский университет)» МАИ.Официальные оппоненты: Гречишников Виктор Александрович,доктор технических наук, профессор, доцент,профессоркафедры«Электроэнергетикатранспорта», первый заместитель директора –начальник учебного отдела Института транспортнойтехники и систем управления ФГБОУ ВО«Московский государственный университет путейсообщения Императора Николая II».Коняхин Сергей Федорович,кандидат технических наук, главный конструктор понаправлению«Преобразовательнаятехника»АО«Аэроэлектромаш».Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеобразовательное учреждение высшего образования«Национальный исследовательский университет«МЭИ».Защита диссертации состоится «28» декабря 2016 г.

в 14 часов 00 мин. назаседании диссертационного советаД212.125.07 при Федеральномгосударственном бюджетном образовательном учреждениивысшегообразования«Московскийавиационныйинститут(национальныйисследовательский университет)» МАИ по адресу: 125993, г. Москва,Волоколамское шоссе, д.4, корп. «Г», ауд. 302 (кафедра 310).С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московскогоавиационного института (национального исследовательского университета),www.mai.ru.Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просимнаправлять по адресу: РФ, 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д.4 на имяученогосекретарядиссертационногосоветаД212.125.07;e-mail:stevilen@mail.ru.Автореферат разослан «____» _______________ 2016 г.Ученый секретарьДиссертационного совета Д212.125.07В.С. Степанов3ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. В последнее десятилетие наблюдается неуклонныйрост доли возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в общей доле мировойэнергетики, что связано с необходимостью снизить влияние человека наокружающую среду, обусловленное вредными выбросами при сжиганииуглеводородов, а также в рамках формирования будущей мировой энергетикивозникает потребность в расширении использования источников энергииальтернативным углеводородам.Одним из таких ВИЭ является солнечная энергия.

Преобразованиесолнечнойэнергииосуществляетсясиспользованиемсолнечныхфотоэлектрических установок (СФУ), состоящих из солнечных батарей (СБ),статических преобразователей (СП) и накопителей энергии (НЭ). В своюочередь, СП с использованием инвертора на основе современныхполупроводниковых устройств осуществляет преобразование напряженияпостоянного тока в требуемое напряжение переменного тока и синхронизациюего с сетью переменного тока, в случае подключения к ней СФУ.В настоящее время СФУ находит самое широкое применение присоздании энергетических установок в труднодоступных районах России,условиях ограниченных значений генерируемой мощности, включаякосмические аппараты (КА), а также в качестве дополнительного источникаэнергии.Вопросам повышения эффективности работы СБ и СП посвященынаучные работы таких ученых, как Ж.И.

Алферов, В.С. Моин, Г.С. Зиновьев,Ю.К. Розанов, С.Б. Резников, О.И. Хасаев, Ю.И. Конев, И.А. Войтович, В.С.Руденко, М.В. Лукьяненко, В.Е. Тонкаль, Н.Н. Лаптев, Е.В. Машуков, В.И.Мелешин, Д.А. Шевцов, М.А. Дыбко, В.М. Андреев, В.А. Грилихес, Ю.А.Шиняков, Ю.А. Шурыгин, А.Е. Усков, В.Д. Румянцев, Ю.С. Забродин и др.Потребность в повышении коэффициента полезного действия икоэффициента мощности СП при передаче электрической энергии от СБ в сетьпеременного тока является одной из важнейших задач научных исследований.В связи с этим, данная работа, посвященная одному из способов такогоповышения за счет разработки силовой схемы СП и принципа егосинхронизации с сетью переменного тока, является актуальной и имеетнесомненный практический интерес.Целью диссертационной работы является повышение коэффициентамощности и коэффициента полезного действия статического преобразователясолнечной фотоэлектрической установки при условии передачи вмагистральную сеть переменного тока максимально возможной энергии отсолнечной батареи.Для достижения указанной цели поставлены следующие основныезадачи.41.Провести анализ известных способов построения солнечныхфотоэлектрических установок и схемотехнических решений силовой схемы СП,функционирующего с солнечной батареей.2.Разработать силовую схему СП с повышенным коэффициентомполезного действия, которая будет обеспечивать условия передачи вмагистральную сеть переменного тока максимально возможную энергию отсолнечной батареи при безопасном для человека уровне тока утечки.3.Разработать принцип синхронизации СП с сетью переменного тока,при котором будут обеспечены функционирование солнечной батареи смаксимально возможной выходной мощностью и коэффициентом мощностиблизким к единице при передаче электрической энергии от солнечной батареи всеть переменного тока.4.Разработать математическую и компьютерную модели СП дляисследования рабочих процессов, которые будет учитывать особенностиразработанной силовой схемы и принципа синхронизации СП с сетьюпеременного тока.5.Провести экспериментальную проверку на макетном образцеосновныхтеоретическихположений,результатовкомпьютерногомоделирования, работоспособности разработанной силовой схемы и принципасинхронизации СП с магистральной сетью переменного тока.Объект исследования.

Система электроснабжения различных объектов сиспользованием солнечных фотоэлектрических установок.Предмет исследования. Статический преобразователь, работающий всоставе солнечной фотоэлектрической установки.Методы исследования. При решении поставленных задач вдиссертационной работе использованы аналитические методы теоретическойэлектротехники, методы математического анализа, методы оптимизации,современные программные продукты компьютерного моделирования и методыэкспериментальных исследований. При проведении расчетов параметров СПприменен математический пакет MathCAD. Для компьютерного моделированиясхемотехнического решения и проверки положений диссертационной работыиспользован программный продукт PSIM.Научная новизна.

При решении задач, поставленных в диссертационнойработе, получены следующие новые научные результаты:1.Предложеныновыепризнаки(способысоединенияфотоэлектрических модулей, устранения токов утечки, подключениянакопителей энергии, а также схемотехнические решения СП) и разработанаклассификация солнечных фотоэлектрических установок. Представленыкритерии для сравнения по каждому из признаков, которые позволяютосуществлять рациональный выбор структуры солнечной фотоэлектрическойустановки и синтез силовой схемы СП в зависимости от области применения.2.Предложен способ передачи электрической энергии от солнечнойбатареи в сеть переменного тока с коэффициентом мощности близким кединице и синхронизации СП с сетью переменного тока с помощью5разработанной двухконтурной системы регулирования инвертора СП.

При этомСБ функционирует с максимально возможной выходной мощностью. Один изконтуров предложенной системы регулирования инвертора СП отвечает заформирование сигнала ошибки, характеризующего отклонение напряженияпромежуточного звена постоянного тока СП от заданного значения, а второй –за формирование управляющего сигнала для ШИМ инвертора СП подвоздействием сигнала с выходного датчика тока инвертора СП.3.Разработаны математическая и компьютерная модели дляпредложенного в данной работе СП, позволяющие проводить анализ иисследование переходных и установившихся процессов в СП в широкомдиапазоне изменения исходных данных.

Особенностью компьютерной моделиявляется применение разработанного программного модуля с цельюиспользованиявкомпьютерноммоделированиипредложенногодвухконтурного принципа регулирования СП.4.Предложен алгоритм проектирования силовой части СП, прикотором посредством применения разработанной компьютерной моделиопределяют частоту преобразования электрической энергии и параметрысиловых компонентов СП в зависимости от требований к массе, коэффициентуполезного действия или стоимости СП.Практическая ценность работы заключается в следующем:1.Разработана силовая схема СП, обеспечивающая снижение токовутечки и потерь мощности на 15-20% по сравнению с известными аналогамипри передаче максимально возможной выходной мощности от солнечнойбатареи. Кроме того, в силовой схеме реализуется балансировка напряженияконденсаторов в промежуточном звене постоянного тока СП.

Полученположительный результат формальной экспертизы Федерального институтапромышленной собственности (ФИПС) от 14.10.16 на предложенную силовуюсхему СП (заявка №2016129030 на патент РФ от 15.07.2016).2.Обеспечена передача электрической энергии от солнечной батареив сеть переменного тока при коэффициенте мощности близкому к единице припомощи предложенного принципа двухконтурной системы регулированияинвертора СП.3.Разработана компьютерная программа, которая реализуетпредложенный принцип двухконтурной системы регулирования инвертора всистеме управления СП. Данная программа с использованием динамическиподключаемой библиотеки позволяет дополнить программный продукткомпьютерного моделирования PSIM с целью применения предложенногопринципа регулирования инвертора СП.

Программа защищена свидетельствомо государственной регистрации программы для ЭВМ №2016660668 от20.09.2016.4.Разработана компьютерная модель предложенной силовой схемыСП, которая позволяет проводить анализ и исследование рабочих процессов вСП в широком диапазоне исходных данных с использованием характеристикполупроводниковых приборов, заявленных производителем.65.Разработан алгоритм проектирования силовой части СП,позволяющий осуществлять рациональный выбор частоты преобразованияэлектрической энергии, как в повышающем конвертере, так и в выходноминверторе, и, соответственно, рациональный выбор полупроводниковых иреактивных элементов силовой схемы в зависимости от требований минимумамассы, максимума коэффициента полезного действия или минимума стоимостиустройства.6.Создан макетный образец СП, с помощью которогоэкспериментально показана работоспособность разработанной силовой схемы ипредложенного принципа двухконтурной системы регулирования инвертораСП, а также подтверждена справедливость полученных результатовкомпьютерногомоделирования.Такимобразом,экспериментальноподтверждено, что в дальнейшем целесообразно применять разработаннуюкомпьютерную модель при проектировании СП на основе предложеннойсиловой схемы и принципа регулирования инвертора.Основные положения, выносимые на защиту:1.Новая классификация солнечных фотоэлектрических установок иСП, основанная на совокупности новых классификационных признаков(способов соединения фотоэлектрических модулей, устранения токов утечки,подключения накопителей энергии и схемотехнических решений СП).Представлены критерии сравнения по каждому из признаков, которые даютвозможность осуществлять рациональный выбор структуры солнечнойфотоэлектрической установки и синтез силовой схемы СП в зависимости отобласти применения.2.Принцип двухконтурной системы регулирования инвертора СП,который обеспечивает передачу электрической энергии от солнечной батареи вмагистральную сеть переменного тока с максимально возможной выходноймощностью и при коэффициенте мощности близкому к единице.3.Математическая и компьютерная модели разработанного СПпозволяют проводить исследования рабочих процессов в широком диапазонеисходных данных и подтвердить снижение мощности потерь на 15-20% вразработанной силовой схеме СП по сравнению с известными аналогами, атакже подтвердить работоспособность принципа двухконтурной системырегулирования инвертора СП с помощью написанного на языке Сипрограммного модуля.4.Алгоритм проектирования силовой части СП позволяетосуществлять рациональный выбор частоты преобразования электрическойэнергии с учетом критерия минимизации массы устройства.5.Сопоставительнаяоценкарезультатовэкспериментальныхисследований на макетном образце СП и компьютерного моделирования.7Реализация результатов диссертационной работыРезультаты диссертационной работы были использованы при разработкепреобразователей стендового типа ПС120 УХЛ4**, предназначенного дляпроведения испытаний асинхронного тягового двигателя, и преобразователятипа ПС70-02 УХЛ4, предназначенного для электропитания тягового двигателяпри проведении испытаний колесно-моторного блока грузового электровоза.Теоретические положения диссертационной работы использованы вучебном процессе кафедры 310 «Энергетические, электромеханические ибиотехнические системы» МАИ.Достоверность полученных результатов.