Диссертация (Повышение эффективности статического преобразователя в электроэнергетических системах с солнечными фотоэлектрическими установками), страница 3

Для устранения данного эффекта параллельнокаждому ФМ, которые соединены последовательно, подключают обратныешунтирующиедиоды,адлявыравниванияблокирующие диоды между ветвями [42].13напряженияустанавливаютРисунок. 1.114Секционный способ соединения ФМ (рисунок 1.1 б) по сравнению cцентральным позволяет реализовать метод по отслеживанию точки максимальноймощности (ОТММ) в каждой ветви последовательно соединенных ФМ [43, 44].

Кнедостатку «секционного» способа следует отнести наличие в каждой ветвиотдельного выходного конвертера или инвертора. При этом проблема потеримощности при рассогласовании все равно имеет место в каждой ветвипоследовательно соединенных ФМ.Кроме этого, центральный и секционный способы соединения ФМ образуютСБ с требуемым уровнем выходной мощности.При модульном способе каждый ФМ подключают к потребителю черезотдельный конвертер или инвертор, что исключает потери мощности прирассогласовании характеристик ФМ.В таблице 1.1 приведено сравнение различных способов соединения ФМ вСФУ.

При этом если первый критерий в таблице 1.1 в основном влияет настоимость и сложность реализации СФУ, то наличие остальных определяетповышение потерь мощности.Таблица 1.1Центральноесоединение ФМСекционноесоединение ФММодульноесоединение ФМОдинРавно числуветвей ФМРавно числу ФМВо всех ФМТолько в ФМкаждой секцииОтсутствуют3 Наличие шунтирующих диодовЕстьЕстьНет4 Наличие блокирующих диодовЕстьНетНет5 Наличие эффекта горячего пятнаЕстьЕстьНет№Критерии1 Количество выходныхконвертеров или инверторов2 Потери мощность прирассогласованииСледует отметить, что в силу конструктивных особенностей СБ, образуетсяпаразитная емкость между токопроводящим слоем панели и землей.

Кроме того,припреобразованииполупроводниковогоэлектрическойпреобразователя15энергиивозникаетотСБсинфазноепосредствомнапряжение,колебание которого на паразитной емкости способствует появлению тока утечки.Наличие тока утечки ухудшает качество выходного напряжения, являетсяпричиной выхода из строя СБ, а главное, представляет собой угрозу пораженияэлектрическим током обслуживающего персонала [32, 53].Анализ технической литературы [29, 32, 53-68] показывает, что СФУ поспособу устранения опасных токов утечки в части схемотехнического решения(СП) следует подразделить на:- с использованием низкочастотного трансформатора;- с использованием высокочастотного трансформатора;- без использования трансформатора.Впервомслучаепосредствомнизкочастотногоразвязывающеготрансформатора, установленного на выходе СП, осуществляют гальваническуюразвязку СБ от потребителей.

В качестве примера на рисунке 1.2 представленодин из вариантов структурной схемы СФУ с подключением АБ к шинепостоянного тока со стабильным уровнем напряжения, который содержит: СБ,конвертер А1, двунаправленный конвертер (А2), осуществляющий процессзаряда/разряда АБ, инвертор (А4), выходной фильтр (А5), систему управления(А6), реализующую метод ОТММ на СБ посредством управления конвертером(А1), систему управления (А7)инвертора и выходной низкочастотныйтрансформатор (А8).При простоте реализации, к существенному недостатку рассматриваемогоспособа устранения опасных токов утечек следует отнести относительнобольшуюмассуигабаритывыходноготрансформаторавследствиенизкочастотного преобразования электрической энергии.При втором способе устранения опасных токов утечек гальваническуюразвязку между СБ и потребителями осуществляют посредством использованиявысокочастотного промежуточного звена с использованием высокочастотногоразвязывающеготрансформатора.Схемотехническиеподробно рассмотрены в следующем параграфе.16решениятакихСП17Рисунок 1.2Очевидно, что повышение количества преобразования электрическойэнергии ведет, с одной стороны к усложнению СП, а с другой стороны ксущественному снижению массы и габаритов используемого развязывающеготрансформатора благодаря высокочастотному преобразованию электрическойэнергии.Устранение опасных токов утечки без использования трансформаторадостигают посредством применения специальной топологии силовой схемывыходного инвертора.

В качестве примера можно привести топологии H5компании SMA (Германия), HERIC компании Sunways (Германия) и инверторыпо схеме NPC [29, 32, 53, 54, 60-68].Данный способ является наиболее современным и перспективным, т.к.позволяет за счет топологии силовой схемы и методов управления устранить токиутечки без использования трансформатора.Результаты сравнительного анализа различных способов устранения токовутечек в части схемотехнического решения СП в СФУ представлены в таблице1.2.Таблица 1.2№Критерии1 Необходимость применениясилового трансформатораИспользованиеИспользованиеБезнизкочастотного высокочастотного использованиятрансформатора трансформатора трансформатораЕстьЕстьНет2 Уровень частотыпреобразования электрическойэнергии в трансформатореНизкийВысокийОтсутствует3 Сравнительные массогабаритные показателиВысокиеСредниеНизкиеНетДаДаВысокаяСредняяСредняя4 Необходимость применениядополнительных силовыхключей5Сравнительная надежность18В зависимости от места подключения АБ, СФУ подразделяют:- с подключением АБ к шине постоянного тока;- с подключением АБ между конвертером и инвертором;- с подключением АБ после инвертора через преобразователь.В качестве примеров, на рисунках 1.2 – 1.5 приведены вариантыструктурных схем СФУ в зависимости от места подключения АБ.

Ранее нарисунке 1.2 было представлено первое исполнение структурной схемы СФУ сподключением АБ к шине постоянного тока. На рисунке 1.3 представлено второеисполнение структурной схемы СФУ, в которой АБ подключена к шинепостоянного тока. Рассматриваемая схема содержит: СБ, двунаправленныйконвертер (А1), обеспечивающий заданный процесс заряда/разряда АБ (А2),инвертор (А3), выходной фильтр (А4), системы управления (А5 и А6), которыеуправляют конвертером (А1) и инвертором (А3).В случае избытка электрической энергии от СБ, конвертер А1 заряжает АБ,а инвертор А3 через фильтр А4 питает потребителей. В противном случае, АБчерез конвертер А1 компенсирует недостаток электрической энергии от СБ.К недостатку данного решения следует отнести сложность одновременнойреализации метода ОТММ на СБ и оптимального процесса заряда/разряда АБ.Структурная схема СФУ с подключением АБ между конвертером иинвертором приведена на рисунке 1.4.

Она содержит: СБ, однонаправленныйконвертер (А1), АБ (А2), инвертор (А3), выходной фильтр (А4), системууправления (А5), которая осуществляет реализацию метода ОТММ на СБ, а такжеуправление конвертером (А1) и систему управления (А6), которая управляетсиловыми ключами инвертора (А3).Аналогично предыдущему случаю, при избытке электрической энергии отСБ конвертер А1 производит заряд АБ (А2), а инвертор А3 через выходнойфильтр А4 питает потребителей. В противном случае АБ (А2) непосредственнокомпенсирует недостаток электрической энергии от СБ.19Рисунок 1.3Рисунок 1.4Рисунок 1.520К достоинству рассматриваемой структурной схемы следует отнестиотсутствиедвунаправленногоконвертераА1.Приэтомдостаточнопроблематично одновременно реализовывать метод ОТММ на СБ и оптимальныйпроцесс заряда/разряда АБ (А2).В качестве примера, на рисунке 1.5 представлена структурная схема СФУ, вкоторой АБ подключена после выходного инвертора через двунаправленныйпреобразователь переменного тока в постоянный ток, которая содержит: СБ,инвертор (А1), двунаправленный преобразователь (А2), АБ (А3), выходнойфильтр (А4), систему управления (А5) инвертора (А1) и систему управлениядвунаправленного преобразователя (А2).В случае избытка электрической энергии от СБ, инвертор А1 черезвыходной фильтр А5 питает потребителей.

При этом двунаправленныйпреобразователь А2 осуществляет оптимальный процесс заряда АБ (А3). Впротивном случае АБ (А3) через двунаправленный преобразователь А2компенсирует недостаток электрической энергии от СБ.К достоинству данного решения следует отнести возможность при помощиинвертораА1реализовыватьметодОТММнаСБ,апосредствомдвунаправленного преобразователя А2 осуществлять оптимальный процессзаряда/разряда АБ (А3).По результатам проведенного анализа была составлена таблица 1.3, вкоторой приведено сравнение рассмотренных способов подключения АБ в СФУ.Следует заметить, что если наличие первого и четвертого критериев в таблице 1.4в основном влияет на стоимость и сложность реализации СФУ, то отсутствиеостальных критериев определяет повышение потерь мощности в СП.21Таблица 1.3№Критерии1 Необходимость применениядвунаправленного конвертера2 Возможность реализацииметода ОТММ на СБ3 Возможность реализацииоптимального процесса зарядаАБ4 Необходимостьдвунаправленногопреобразователя переменноготока в постоянный токПодключение АБ кшине постоянноготокаИсп.1Исп.2Подключение АБмеждуконвертером иинверторомПодключениеАБ послеинвертораЕстьЕстьНетНетЕстьЕстьЕстьЕстьЕстьНетНетЕстьНетНетНетЕстьНа базе проведенного анализа предложена классификация способовпостроения СФУ согласно выбранным признакам, которая приведена на рисунке1.6.В качестве функциональной схемы СФУ была выбрана структура,представленная на рисунке 1.7 с возможностью подключения к однофазной сетипеременного тока, где А1 – СБ, А2 – повышающий конвертер, А3 – системауправления (СУ) конвертером А2, А4 – СУ двунаправленным конвертером А5,А5– двунаправленный конвертер, А6 – АБ, А7 – инвертор, А8 – СУ инвертором,А9 – выходной фильтр.

Данная структура дополнена СУ конвертером А3 иразработанной СУ инвертором А8 по двухконтурному принципу, детальноеописание которой представлено во второй главе диссертации. Особенностями СУА3 и А8 является то, что, во-первых, СУ конвертером А3 на основе данных потоку iСБ и напряжению uСБ с использованием метода ОТММ формируетуправляющие импульсы на полупроводниковые устройства конвертера А2 сцелью генерации максимальной мощности СБ, а, во-вторых, СУ инвертором А8обеспечивает синхронизацию инвертора А7 с сетью переменного тока такимобразом, чтобы передать электрическую энергию от СБ с коэффициентоммощности равным единице.2223Рисунок 1.6Рисунок 1.724Кроме этого, посредством двунаправленного конвертера А5 и его СУ А4обеспечивается обмен электрической энергией между промежуточным звеномпостоянного тока и АБ с заданными параметрами по току iАБ и напряжению uАБ,уровни которых определяются типом АБ.Анализ разработанной силовой схемы с использованием созданнойкомпьютерноймоделиСПвсоставеповышающегоконвертераА2,двунаправленного конвертера А3 и инвертора А8, представлен в третьей главедиссертации.1.2Анализ статических преобразователей постоянного тока в постоянныйток (конвертеров)Конвертером принято называть статический преобразователь постоянноготока одного уровня напряжения в постоянный ток другого уровня напряжения.Существуетбольшоеразнообразиесиловыхтехнической литературы [2, 18-22, 33, 34, 47,схемконвертеров.Анализ54-59, 69-83] показал, чтоконвертеры целесообразно разделить по наличию гальванической развязки междувходным и выходным напряжениями.