Диссертация (Повышение эффективности статического преобразователя в электроэнергетических системах с солнечными фотоэлектрическими установками), страница 2

Представлены критерии для сравненияпо каждому из признаков, которые позволяют осуществлять рациональный выборструктуры солнечной фотоэлектрической установки и синтез силовой схемы СП взависимости от области применения.2.Предложен способ передачи электрической энергии от солнечнойбатареи в сеть переменного тока с коэффициентом мощности близким к единицеи синхронизации СП с сетью переменного тока с помощью разработаннойдвухконтурнойсистемырегулированияинвертораСП.ПриэтомСБфункционирует 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 – заформирование управляющего сигнала для ШИМ инвертора СП под воздействиемсигнала с выходного датчика тока инвертора СП.3.Разработаныматематическаяикомпьютернаямоделидляпредложенного в данной работе СП, позволяющие проводить анализ иисследование переходных и установившихся процессов в СП в широкомдиапазоне изменения исходных данных.

Особенностью компьютерной моделиявляетсяприменениеразработанногопрограммногомодулясцельюиспользования в компьютерном моделировании предложенного двухконтурногопринципа регулирования СП.7Предложен алгоритм проектирования силовой части СП, при котором4.посредством применения разработанной компьютерной модели определяютчастотупреобразованияэлектрическойэнергииипараметрысиловыхкомпонентов СП в зависимости от требований к массе, коэффициенту полезногодействия или стоимости СП.Практическая ценность работы заключается в следующем:Разработана силовая схема СП, обеспечивающая снижение токов1.утечки и потерь мощности на 15-20% по сравнению с известными аналогами припередаче максимально возможной выходной мощности от солнечной батареи.Крометого,всиловойсхемереализуетсябалансировканапряженияконденсаторов 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 батареи всеть переменного тока при коэффициенте мощности близком к единице припомощи предложенного принципа двухконтурной системы регулированияинвертора СП.3.Разработанакомпьютернаяпрограмма,котораяреализуетпредложенный принцип двухконтурной системы регулирования инвертора всистеме управления СП. Данная программа с использованием динамическиподключаемойбиблиотекипозволяетдополнитьпрограммныйпродукткомпьютерного моделирования PSIM с целью применения предложенногопринципа регулирования инвертора СП.

Программа защищена свидетельством огосударственной регистрации программы для ЭВМ №2016660668 от 20.09.2016.4.Разработана компьютерная модель предложенной силовой схемы СП,которая позволяет проводить анализ и исследование рабочих процессов в СП вширокомдиапазонеисходныхданныхсиспользованиемполупроводниковых приборов, заявленных производителем.8характеристик5.РазработаналгоритмпроектированиясиловойчастиСП,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 которого экспериментальнопоказана работоспособность разработанной силовой схемы и предложенногопринципа двухконтурной системы регулирования инвертора СП, а такжеподтвержденамоделирования.справедливостьполученныхТаким образом,результатовэкспериментальнокомпьютерногоподтверждено,чтовдальнейшем целесообразно применять разработанную компьютерную модель припроектировании СП на основе предложенной силовой схемы и принципарегулирования инвертора.Основные положения, выносимые на защиту:1.Новая классификация солнечных фотоэлектрических установок и СП,основанная на совокупности новых классификационных признаков (способовсоединения фотоэлектрических модулей, устранения токов утечки, подключениянакопителей энергии и схемотехнических решений СП).

Представлены критериисравнения по каждому из признаков, которые дают возможность осуществлятьрациональный выбор структуры солнечной фотоэлектрической установки исинтез силовой схемы СП в зависимости от области 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.МатематическаяикомпьютернаямоделиразработанногоСПпозволяют проводить исследования рабочих процессов в широком диапазоне9исходных данных и подтвердить снижение мощности потерь на 15-20% вразработанной силовой схеме СП по сравнению с известными аналогами, а такжеподтвердить работоспособность принципа двухконтурной системы регулированияинвертора СП с помощью написанного на языке Си программного модуля.4.Алгоритм проектирования силовой части СП позволяет осуществлятьрациональный выбор частоты преобразования электрической энергии с учетомкритерия минимизации массы устройства.5.Сопоставительнаяоценкарезультатовэкспериментальныхисследований на макетном образце СП и компьютерного моделирования.Реализация результатов диссертационной работыРезультаты диссертационной работы были использованы при разработкепреобразователейстендовоготипаПС120 УХЛ4**,предназначенныхдляпроведения испытаний асинхронного тягового двигателя, и преобразователя типаПС70-02 УХЛ4, предназначенного для электропитания тягового двигателя припроведении испытаний колесно-моторного блока грузового электровоза.Теоретические положения диссертационной работы использованы вучебном процессе в соответствии с учебно-методическими планами кафедры 310«Энергетические, электромеханические и биотехнические системы» МАИ.Достоверностьполученныхрезультатов.Основныеположенияирезультаты диссертационной работы проверены и оценены путем сопоставлениярезультатов,полученныхвходекомпьютерногомоделированияиэкспериментальных исследований на макетном образце разработанного СП.Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационнойработы докладывались и обсуждались на Восемнадцатой международной научнотехническойконференциистудентовиаспирантов«Радиоэлектроника,электротехника и электроэнергетика» (Москва, 2012 г.), на двух международныхконференциях Power Conversion and Intelligent Motion Europe (Нюрнберг, 2012 г.

и2013 г.), на всероссийской научно-технической конференции «XI научные чтенияпо авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского» (Москва, 2014 г.) и на XLII10международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения - 2016»(Москва, 2016 г.).Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 11 научнотехнических статей, среди которых 3 – в изданиях из перечня рецензируемыхнаучных изданий ВАК при Минобрнауки России.

Подана заявка №2016129030 от15.07.2016 на патент РФ (положительный результат формальной экспертизыФИПС от 14.10.16) и получено свидетельство о государственной регистрациипрограммы для ЭВМ №2016660668 от 20.09.2016.Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Общийобъем диссертации составляет 165 страниц, включающие список литературы из152 наименований, 58 рисунков и 20 таблиц.11СТАТИЧЕСКИЙ1ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬВСИСТЕМАХЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЙАнализ1.1способовпостроениясолнечныхфотоэлектрическихустановокФункционирование современных солнечных фотоэлектрических установок(СФУ) основано на использовании внутреннего фотоэлектрического эффекта внеоднородныхполупроводниковыхструктурахпривоздействиинанихсолнечного излучения.

Неоднородность фотоэлектрических преобразователей, изкоторых собираются фотоэлектрические модули (ФМ), образуется путемлегирования (методом диффузии или ионной бомбардировки) одного и того жеполупроводникаразличнымипримесями,соединенияполупроводниковснеоднородной шириной запрещенной зоны или химического изменения составаполупроводника [8, 9, 24].К достоинствам таких солнечных установок можно отнести: сравнительно высокая надежность; длительный срок эксплуатации; отсутствует расход активного материала.Недостатками СФУ являются неравномерность выработки электрическойэнергии, сложность механизмов, задействованных в разворачивании СБ подоптимальный угол функционирования, снижение вырабатываемой мощности втечение эксплуатации установки, связанное с деградацией СБ, и необходимостьзначительной площади облучаемых поверхностей.Вместе с тем, СФУ, благодаря своей конструктивной простоте в случаеотсутствия механизмов разворачивания СБ, относительной неприхотливости вобслуживании и принципиальному отсутствию расхода активного материала навсем жизненном цикле, находят свое применение в качестве источников питанияэлектрической энергии не только на космических аппаратах (КА), но и настационарных наземных объектах.12В состав СФУ обычно входят следующие основные компоненты: солнечныебатареи (СБ), аккумуляторные батареи (АБ), зарядные устройства для АБ,преобразователи постоянного тока одного уровня напряжения в постоянный токдругогоуровнянапряжения(вдальнейшемименуемыеконвертеры),преобразователи постоянного тока в переменный ток (в дальнейшем именуемыеинверторы), трансформаторы.Анализ технической литературы [2, 7-10, 12, 15, 16, 30, 31, 35-44] показал,что СФУ целесообразно разделить по способу соединения фотоэлектрическихмодулей (ФМ): центральное, секционное и модульное.При центральном способе (рисунок 1.1 а) ФМ соединяют последовательно –параллельно, где DC/DC – конвертер, а DC/AC - инвертор.При этом используют один выходной центральный конвертер или инвертор,что является существенным достоинством рассматриваемого способа.

Основныминедостатками данного способа соединения являются так называемые потеримощности при рассогласовании ФМ, а также «эффект горячего пятна».Потери мощности при рассогласовании обусловлены неравномерностьюхарактеристик даже однотипных ФМ. Например, при разбросе характеристик ФМна уровне 5%, потери мощности достигают 2%, а при разбросе на уровне 10 % –достигают уже 6 % [42, 43].В то же время, затенение части ФМ приводят к появлению «эффектагорячего пятна». В этом случае затененный модуль начинает рассеиватьгенерируемую мощность от освещенных ФМ, быстро нагреваться и, какследствие, выходит из строя.