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

СОДЕРЖАНИЕВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................ 41 СТАТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ В СИСТЕМАХЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЛНЕЧНЫХБАТАРЕЙ ........................................................................................................... 121.1 Анализ способов построения солнечных фотоэлектрических установок .. 121.2 Анализ статических преобразователей постоянного тока в постоянныйток (конвертеров) .............................................................................................. 251.3 Анализ статических преобразователей постоянного тока в переменныйток (инверторов) ................................................................................................

391.4 Выводы по первой главе ................................................................................... 462РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПА РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГОИНВЕРТОРА СТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С СЕТЬЮПЕРЕМЕННОГО ТОКА ................................................................................... 472.1 Способы синхронизации статического преобразователя с сетьюпеременного тока .............................................................................................. 472.2 Анализ принципов реализации фазовой автоподстройки частоты.............. 552.3 Разработка принципа двухконтурной системы регулированиявыходного инвертора статического преобразователя ...................................

642.4 Выводы по второй главе ................................................................................... 723СИНТЕЗ И АНАЛИЗ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СИЛОВОЙ СХЕМЫСТАТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ..................................................... 733.1 Принцип действия разработанной силовой схемы статическогопреобразователя................................................................................................. 733.2 Математическое описание рабочих процессов в предложенной силовойсхеме статического преобразователя .............................................................. 8423.3 Исследование рабочих процессов в разработанной силовой схеместатического преобразователя посредством использованиякомпьютерного моделирования .......................................................................

973.4 Выводы по третьей главе................................................................................ 1174ПРАКТИЧЕСКАЯ АПРОБАЦИЯ СТАТИЧЕСКОГОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ .................................................................................... 1194.1 Алгоритм проектирования силовой схемы статическогопреобразователя............................................................................................... 1194.2 Результаты экспериментальных исследований разработанной силовойсхемы статического преобразователя ...........................................................

1254.3 Выводы по четвертой главе ........................................................................... 140ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................................... 141СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................................... 144ПРИЛОЖЕНИЕ А ................................................................................................. 161ПРИЛОЖЕНИЕ Б ..................................................................................................

162ПРИЛОЖЕНИЕ В ................................................................................................. 164ПРИЛОЖЕНИЕ Г .................................................................................................. 1653ВВЕДЕНИЕАктуальность 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 энергииальтернативных углеводородам [1-8].Одним из таких ВИЭ является солнечная энергия. Преобразованиесолнечнойэнергииосуществляетсясиспользованиемсолнечныхфотоэлектрических установок (СФУ), состоящих из солнечных батарей (СБ),статических преобразователей (СП) и накопителей энергии (НЭ). В свою очередь,СП с использованием инвертора на основе современных полупроводниковыхустройств осуществляет преобразование напряжения постоянного тока втребуемое напряжение переменного тока и синхронизацию его с сетьюпеременного тока в случае подключения к ней СФУ.В настоящее время СФУ находит самое широкое применение при созданииэнергетических установок в труднодоступных районах России, в условияхограниченных значений генерируемой мощности, включая космические аппараты(КА), а также в качестве дополнительного источника энергии [2-18].В области повышения эффективности работы СБ и СП многочисленныеразработки проводят такие зарубежные компании, как KGS Electronics (США),SMA (Германия), Hitachi (Япония), International Rectifier (США), NWComp Solar(Германия), Terra Sola Ventures (Швейцария), VPT (США), TBS Electronics(Нидерланды), EATON (США), ABB (Швеция), Microsemi (США), Siemens(Германия), Crane Aerospace & Electronics (США), Activ Solar (Австрия), FoshanSnat Energy Electrical Technology (Китай), Sunways (Германия), Ingeteam(Испания), Danfoss (Дания).4ВРоссиинаучно-исследовательскиеработывданнойобластиосуществляют такие организации, как ОАО «НПП «Квант» (Москва), Московскийавиационныйинститут(Москва),Санкт-Петербургскийгосударственныйэлектротехнический университет (Санкт-Петербург), Московский энергетическийинститут (Москва), Сибирский государственный аэрокосмический университетимени академика М.Ф.

Решетнева (Красноярск), Новосибирский государственныйтехнический университет (Новосибирск), Томский политехнический институт(Томск), ЗАО «Орбита» (Воронеж), ОАО НПЦ «Технокомплекс» (Москва),Научно-производственныйцентр«Полюс»(Томск),ООО«SOLBAT»(Краснодар), ООО «АТС-КОНВЕРС» (Псков), группа компаний «Штиль» (Тула),A-electronica.ru (Новосибирск).

Этому направлению посвящены научные работытаких 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. [10, 19-40].Потребностьвповышениикоэффициентаполезногодействияикоэффициента мощности СП при передаче электрической энергии от СБ в сетьпеременного тока является одной из важнейших задач научных исследований. Всвязи с этим данная работа, посвященная одному из способов такого повышенияза счет разработки силовой схемы СП и принципа его синхронизации с сетьюпеременного тока, является актуальной и имеет несомненный практическийинтерес.Целью диссертационной работы является повышение коэффициентамощности и коэффициента полезного действия статического преобразователясолнечной фотоэлектрической установки при условии передачи в магистральнуюсеть переменного тока максимально возможной энергии от солнечной батареи.Для достижения указанной цели поставлены следующие основные задачи.51.Провестианализизвестныхспособовпостроениясолнечныхфотоэлектрических установок и схемотехнических решений силовой схемы СП,функционирующего с солнечной батареей.2.полезногоРазработать силовую схему СП с повышенным коэффициентомдействия,котораябудетобеспечиватьусловияпередачивмагистральную 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 будут учитывать особенностиразработанной силовой схемы и принципа синхронизации СП с сетьюпеременного тока.5.Провестиэкспериментальнуюпроверкунамакетномобразцеосновных теоретических положений, результатов компьютерного моделирования,работоспособности разработанной силовой схемы и принципа синхронизации СПс магистральной сетью переменного тока.Объект исследования.

Система электроснабжения различных объектов сиспользованием солнечных фотоэлектрических установок.Предмет исследования. Статический преобразователь, работающий всоставе солнечной фотоэлектрической установки.Методыисследования.Прирешениипоставленныхзадачвдиссертационной работе использованы аналитические методы теоретическойэлектротехники,методыматематическогоанализа,методыоптимизации,современные программные продукты компьютерного моделирования и методыэкспериментальных исследований. При проведении расчетов параметров СП6применен 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, подключения накопителейэнергии, а также схемотехнические решения СП) и разработана классификациясолнечных фотоэлектрических установок.