автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Автономный инвертор, повышающий эксплуатационные характеристики солнечных электростанций АПК

На правах рукописи

Усков Антон Евгеньевич

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР, ПОВЫШАЮЩИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АПК

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Краснодар-2014

2 3 11ДП 7.7,1

005549519

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Григораш Олег Владимирович

Официальные оппоненты: Таранов Михаил Алексеевич

доктор технических наук, профессор Азово-Черноморский инженерный институт ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», кафедра «Эксплуатация энергетического оборудования и электрических машин», заведующий кафедрой

Коноплёв Евгений Викторович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Ставропольский государственный аграрный университет» кафедра «Применения электрической энергии в сельском хозяйстве», доцент

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный

технологический университет» (г. Краснодар)

Защита диссертации состоится «2» июля 2014 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 220.038.08 при ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет»: 350044, г. Краснодар, ул. Калинина 13, КубГАУ, корпус факультета энергетики и электрификации, ауд. № 4

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru/.

Автореферат разослан «15» мая 2014 года и размещен на официальном сайте ВАК при Министерстве образования и науки России http://vak2.ed.gov.ru и на сайте ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет» http://kubsau.ru/

Ученый секретарь диссертационного совета, Курасов Владимир Станиславович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Развитие мирового топливно-энергетического комплекса характеризуется ограниченными ресурсами традиционных видов топлива и в связи с этим постоянным ростом их стоимости, а так же ежегодно возрастающими экологическими проблемами, связанные с добычей и переработкой энергетических ресурсов традиционной энергетики.

Перспективным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельскохозяйственное производство, этому способствуют, кроме того, следующие факторы: неограниченность ресурсов возобновляемой энергетики, повсеместная распространённость большинства видов на Земле, отсутствие вредных выбросов, доступность для использования. Перспективным направлением для Краснодарского края является внедрение солнечных фотоэлектрических станций, одним из основных узлов которых являются автономные инверторы (АИ). Эксплуатируемые в настоящее время АИ имеют следующие недостатки: низкие эксплуатационно-технические характеристики, в том числе КПД и небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричной нагрузке.

В диссертационной работе предлагается одно из направлений, улучшающее эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов - это применение в их конструкции однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП).

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО «Кубанский ГАУ» на 2006-2010 гг. (ГР 01.2.00606851) и на 2011 -2015гг. (ГР 01.2.01153641)

Научная гипотеза состоит в том, применение однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем в составе АИ позволяет применять однофазные статические преобразователи и улучшить эксплуатационно-технические характеристики солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) в комплексе.

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических станций за счет использования в их конструкции однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:

1. Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.

2. Разработать конструкцию обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

4. Провести компьютерное моделирование физических процессов протекающих в силовой схеме автономного инвертора.

5. Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Провести расчёт экономической эффективности автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным.

Объектом исследования являются функциональные схемы автономных инверторов и их системы управления, физические модели автономных инверторов.

Предметом исследования являются эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов (электрические параметры, КПД, массогабаритные и экономические показатели).

Методы исследования базировались на использовании теории электрических цепей, основ теории статических преобразователей электроэнергии с использованием программного продукта ЬТБраБе, позволяющего моделировать физические процессы в силовых электрических цепях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, а также совпадением результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научную новизну работы составляют:

1. Функциональные схемы автономных инверторов, выполненных на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, в них преобразуется напряжение, поступающее от источника постоянного тока на первичную обмотку со средней точкой, в трёхфазную симметричную систему напряжений посредством ШИМ-модуляции и конструкции обмоток трансформатора.

2. Формулы и методы расчёта, адаптированные для предложенных функциональных схем однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие во вторичной цепи силовой схемы автономного инвертора.

Практическую значимость работы составляют:

1. Конструкция обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем для автономного инвертора солнечных фотоэлектрических установок.

2. Принципиальная электрическая схема замещения для компьютерного моделирования физических процессов автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным

полем.

5. Техническая новизна предложенных схемных решений АИ подтверждена 9 патентами РФ.

6. Рекомендации по проектированию автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Функциональная схема автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Компьютерная модель, разработанная на основании математиче-.ского описания, позволяющая исследовать физические процессы, протекающие в силовой схеме автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Конструкция обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

5. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Результаты расчёта экономической эффективности.

Реализация результатов работы.

Материалы по исследованию математической и физической модели переданы в ООО «Солнечный центр» (г. Краснодар). Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре электротехники, теплотехники и возобновляемых источников энергии в Кубанском ГАУ, при изучении дисциплины «Электроника».

Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции магнитной системы однофазно-трёхфазного ТВМП и функциональной схемы АИ на ТВМП и компьютерной модели АИ на ТВМП.

Апробация работы. I Международная научно-практическая конференция «Наука и технологии: шаг в будущее» (Белгород, 2006 г.); VIII Региональная научно-практическая конференция молодых учёных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2006 г); II открытая Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2007 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» (Волгоград, 2007 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2007 г.); Международная конференция «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.); Международная научно-практическая конференция «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орёл, 2009 г.); IV Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2010 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 33 научные работы, в том числе 9 патентов РФ, 2 монографии, 6 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Общий объём публикаций - 28,05 п. л., из которых 13,7 п. л. принадлежит лично автору.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 108 наименований и приложения. Общий объем диссертации: 115 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность исследований, сформулированы цель, объект и предмет исследований, научная новизна, практическая значимость и положения, выносимые на защиту.

В первой главе раскрываются перспективы ВИЭ в сельскохозяйственном производстве. Проведён анализ зависимости потребляемой мощности от объёма производства сельскохозяйственной продукции. Предложены структурные схемы систем бесперебойного электроснабжения содержащие ВИЭ.

Показано, что Краснодарский край перспективный регион для применения солнечных фотоэлектрических станций. Приведен график среднемесячной облачности по Краснодарскому краю (рисунок 1). На территории края имеется повышенный уровень среднегодового солнечного излучения (1250 - 1450 Втч/м2), среднемесячная облачность в пределах 5060%, при этом около 2500 солнечных часов в год.

Рисунок 1 - Среднемесячная облачность по Краснодарскому краю

Рассмотрены силовые схемы эксплуатируемых АИ и раскрыты особенности их работы и недостатки, основными из которых являются: низкая

8

надёжность работы и небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричных режимах работы.

Сформулированы задачи исследований.

Во второй главе показано, что применение ТВМП в составе АИ позволит улучшить их эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ). раскрыты недостатки известных технических решений АИ выполненных с использованием ТВМП, основными из которых являются: относительно сложная система управления и защиты, сложная конструкция магнитной системы.

Разработана функциональная схема АИ, с использованием предложенного ТВМП (рисунок 2) и конструкция обмоток однофазно-трёхфазного ТВМП (рисунок 3) и, с улучшенными ЭТХ. Предложенная функциональная схема АИ на ТВМП обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в несимметричных режимах работы.

Рассмотрены основные аналитические выражения и особенности расчёта силовой схемы и выходных фильтров АИ. Рассмотрены, так же формулы и методы адаптированные для расчёта предложенной схемы ТВМП. Получено аналитическое выражение для расчёта суммарных потерь автономного инвертора (I)

где ЛРмгн - магнитные потери в магнитопроводе; АРыыаток - активные потери в обмотках; ЛРст - мощность статических потерь транзистора; ЛРтн • динамические потери мощности транзистора; т,, т2 - число фаз первичной и вторичной обмотки соответственно; //, 12 - фазный ток первичной и вторичной обмотки; гк - сопротивление короткого замыкания, о г2 - активные сопротивления фазы первичной и вторичной обмоток; (/«,, - прямое падение напряжения; 1Ш - ток транзистора;./; - частота преобразования; Ею,

— суммарная энергия переключения; С22 - выходная ёмкость транзистора; У0 - уровень напряжения питания; £}гг- заряд антипараллельного диода.

Для повышения установленной мощности АИ и соответственно, включения на параллельную работу разработана функциональная схема синхронизации работы АИ, выполненная на базе предложенной конструкции ТВМП.

Рисунок 2 - Функциональная электрическая схема АИ на ТВМП

Рисунок 3 - Развёрнутая схема обмоток

В третьей главе произведён расчёт основных параметров АИ на ТВМП, определено значение параметров элементов Г-образного ЬС-фильтра для подавления третьей гармоники. Катушку дросселя возможно конструктивно объединить со вторичной обмоткой трансформатора с вращающимся полем.

Расчёт основных параметров АИ позволил получить ряд зависимостей, основные из которых показаны на рисунках 4 и 5.

На основании схемы замещения ТВМП и с учётом магнитных связей было составлено математическое описание (2) которое определяет показатели качества электроэнергии на выходе АИ и произвести анализ электромагнитных свойств.

Рисунок 4 - Зависимость КПД от мощности ТВМП

Рисунок 5 - Зависимость удельной мощности ТВМП от мощности автономного инвертора

Для дальнейшего анализа физических процессов (величины тока и напряжения, длительности переходных процессов) был осуществлён переход к компьютерной модели, имеющей параметры аналогичные физической, выполненой с использованием программы ЬТэрюе (рисунок 6).

л л 2 ж 3 а 4 а л л ж л л

сЧ

Л

Л

Л

Л

<л Л Ж с/г 9 л

л

л

л

л

а

где /,, /2 - токи первичных обмоток И', и соответственно; /д /в, /с - токи вторичных обмоток Ж23, И-'23, соответственно; Ль Я2, ЛА, Лв, К, - активные сопротивления обмоток (V,, Щи Щз соответственно; Ц, ¿2, ¿а, ¿в, ¿с - реактивные сопротивления обмоток Щ, 1У21, 1У2Ъ 1У23 соответственно; ДАН, Лвн, Лсн - активные сопротивления нагрузки; ¿АН, ¿вн, ¿сн - реактивные сопротивления нагрузки; М| - взаимоиндуктивность между катушками IV, и (Г2; М2 - взаимоиндуктивность между катушками И-', и (Г21; М3 - взаимоиндуктивность между катушками и 1У22; М4 - взаимоиндуктивность между катушками И-', и И'2у, М5 - взаимоинду ктивность между катушками 1У2 и Ж2|; М6 - взаимоиндуктивность между катушками \У2 и 1У22; М7 - взаимоиндуктивность между катушками \У2 и 1У23; М8 - взаимоиндуктивность между катушками Щ, и М9 - взаимоиндуктивность между катушками 1Г22 и 1Г23; М|0 - взаимоиндуктивность между катушками 1У2\ и №2Ъ

Компьютерная модель содержит основные функциональные блоки: источник постоянного тока (создающий разнополярный сигнал имитирующий работу транзисторных ключей); первичная обмотка; вторичная обмотка, выходной фильтр; активно-индуктивная нагрузка. Компьютерная модель (рисунок 6) позволяет исследовать работу АИ в основных режимах работы.

В результате компьютерного моделирования схемы АИ в нормальных и аварийных режимах получены диаграммы токов (рисунок 7) и напряжений на элементах схемы в основных режимах функционирования: в номинальном режиме и аварийных режимах (перегрузках, обрывах фаз и коротки х зам ы каниях).

Рисунок 7 Диаграммы токов (ток вторичной обмотки ТВМП - зелёный; ток в паг ручке - синий)

Рисунок 6 - Скрип программы I I Spi.se

е^дайкой * I обаазный Фильте

I-----1

перечная обмотка твмп.

Используя динамические характеристики получены статические зависимости, некоторые из них приведены на рисунках 8 - 9. Анализ которых позволил разработать рекомендации по проектированию АИ на однофазно-трёхфазном ТВМП.

мот

0,4 0.S <mi

m ад» ?

kW йО,в) I

s m m< i — ik -lg гм г».!» ■ IÍ

5 ibo,&> ■ » 1 uxy»

Ш SO.OÜ

0.« m

I.....^

V

----«ммфммм КЗ i

0.00 I.ÜÜ m ш 4,00

Рисунок 8 Ток и напряжение фазы Л в Рисунок 9 Нагрузочная характеристика нормальном режиме работы автономного инвертора при различных

режимах работы.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований и рассчитаны экономические показатели АИ на ТВМП.

Физическая модель АИ на ТВМП испытывалась в режиме холостого хода и с постепенным увеличением нагрузки до номинальной.

На рисунке 10 показана фотография экспериментальной установки. Экспериментальные исследования проводились на АИ. мощностью I кВт. При этом, однофазно-трёхфазный ТВМП выполнен на базе АД АИР 100 L6. Получены семейства динамических характеристик, с использованием осциллографа марки Tektronix TDS 2024.

Сопоставление результатов компьютерного моделирования и экспериментальных исследований (таблица 1 ) показало, что относительная погрешность не превышала 8,3%.

I - ТВМГ1; 2 - схема управления; 3 - силовые ключи; 4 - источник постоянного тока; 5 - измерительные приборы.

Рисунок 10 - Вид экспериментальной установки

Таблица I - Результаты эксперимента (Э) и компьютерного моделирования

(ЭВМ)

и / *пп

Рн Действующее значение, В Д, % Действующее значение, А Л, % Среднее значение, мс Д, %

Э ЭВМ Э ЭВМ Э ЭВМ

0 226 227 +0,4 0 0 0 0 0,12 1

Рн/2 220 223 + 1,3 0,3 0,31 +3,3 120 ПО -8,3

Рн 1 215 219 + 1,8 0,52 0,56 +7,1 130 136 +4,4

Для организации производства по выпуску АИ на ТВМП предложенной конструкции был произведён расчёт экономической эффективности, который показал что срок окупаемости проекта составит 2,3 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 16

1. Проведённый анализ эксплуатационно-технических характеристик эксплуатируемых АИ показал, что основными их недостатками являются: низкая надёжность работы, небольшой диапазон стабилизации напряжения при несимметричных режимах работы, относительно сложная система управления и защиты, сложная конструкция магнитной системы.

2. Разработана конструкция обмоток однофазно-трёхфазного ТВМП и предложены методики, адаптированные для его расчёта.

3. Разработана функциональная схема АИ, выполненная на базе ТВМП, особенностью её конструкции является наличие средней точки первичной обмотки. Силовая схема содержит два однофазных инвертора, выполненных на двух транзисторах. Предложенная функциональная схема АИ на ТВМП обеспечивает стабилизацию выходного напряжения в несимметричных режимах работы. Новизна технического решения подтверждена патентами РФ № 2426216, № 2494437

4. Разработана компьютерная модель АИ на ТВМП, которая позволила исследовать физические процессы на выходе АИ. Динамические характеристики позволили получить статические зависимости (/„ =/'(соБф);

5. Проведены экспериментальные исследования АИ на ТВМП с номинальной мощностью 1 кВт, входное напряжение постоянного тока - 12 В, выходное трёхфазное напряжение переменного тока - 220/380 В с частотой 50 Гц. Основные данные статистической обработки результатов показали, что относительная погрешность теоретических и экспериментальных исследований электрических параметров на выходе АИ не превысила 8,3 % и погрешность эксплуатационно-технических параметров менее 5%.

6. Расчёт экономической эффективности показал, что капиталовложения в производство составят около 3,5 млн руб., при этом срок окупаемости с учётом выплаты по кредиту на открытие производства составит 2,3 года, ЧДД проекта составит 400 тыс. руб.

Основные положения диссертации опубликованы в монографиях:

1. Усков А. Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения: монография / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков. - Краснодар, 2011. - 188 с.

2. Усков А. Е. Автономные инверторы солнечных электростанций: MuHui рафия ! А. Е. Ускив. - Краснодар: КубГАУ, 201 î. - ¡26 v.

в изданиях, рекомендованных ВАК:

3. Автоматизированные устройства стабилизации напряжения переменного тока / О. В. Григораш, Ю. Г. Пугачёв, А. М. Передистый, А. Е. Усков // Промышленная энергетика. - 2008. -№ 5. - С. 17-20.

4. Возобновляемые источники энергии: термины, определения, достоинства и недостатки / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков,

A. В. Квитко // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - Краснодар, 2011. - № 5. - С. 189-192.

5. Усков А. Е. Выбор оптимальной структуры систем автономного электроснабжения / О. В. Григораш, С. А. Симоненко, А. Е. Усков // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2007. - № 8. - С. 31-33.

6. Усков А. Е. Особенности расчета КПД и МГП статических преобразователей / О. В. Григораш, А. А. Шевченко, А. Е. Усков,

B. В. Энговатова И Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2011. - № 3. - С. 248-252.

7. Усков А. Е. Универсальные статические преобразователи электроэнергии / О. В. Григораш, А. В. Бутенко, А. Е. Усков /У Труды Кубанского государственного аграрного университета. -2008.-№ 1.-С. 55-57.

8. Усков А. Е. Обоснование выбора параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2010. -№6.-С. 121-124.

в других изданиях:

9. Модульное агрегатирование автономных инверторов /

C. А. Симоненко, А. Н. Трубин, А. С. Олешко, А. Е. Усков // Материалы

18

Междунар. науч.-практ. конф. «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» - Волгоград: ИПК ФГОУ ВПО ВГСХА «Нива 2007», 2007. - С. 234-240.

10. Особенности стабилизации напряжения автономных инверторов / В. В. Энговатова, А. С. Олешко, А. С. Чесовской, Д. В. Военцов, А. Е. Усков // Научное обеспечение агропромышленного комплекса: материалы 8-й регион, науч.-практ. конф. молод, ученых. - Краснодар: КубГАУ, 2006.-С. 341-342.

11. Пат. РФ № 2414802, МПК Н02М 7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока с промежуточным звеном повышенной частоты / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Власенко Е. А., Винников А. В., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - № 2010112018/07, заявл. 29.03.2010; опубл. 20.03.2011; бюл. №8.-8 с.

12. Пат. РФ № 2417471, МПК H02F30/14. Однофазно-трёхфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем / Григораш О. В., Усков А. Е.. Власенко Е. А., Бутенко А. В., Григораш А. О., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - №2010102288/07 заявл. 25.10.2010; опубл. 27.04.2011; бюл. № 12.-5 с.

13. Пат. РФ № 2420854, МПК Н02М7/539. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет», - № 2010119105/07, заявл. 11.05.2010; опубл. 10.06.2011; бюл № 16. - 7 с.

14. Пат. РФ № 2420855, МПК Н02М7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока на реверсивном выпрямителе / Степура Ю. П., Григораш О. В., Власенко Е. А., Усков А. Е., Перенко Ю. М., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный

университет». - №201011906/07, заявл. 11.05.2010; опубл. 10.06.2011; бюл. № 16. - 9 с.

15. Пат. РФ № 2421871, МПК Н02М7/539. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Тонкошкуров Ю. Н., Сулейманов А. Э. заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - №2010119202/07, заявл. 12.05.2010; опубл. 20.06.2011; бюл № 17.- 7 с.

16. Пат. РФ № 2426216, МПК Н02М 7/53. Трёхфазный инвертор / Григораш О. В., Степура Ю. П., Власенко Е. А., Усков А. Е., Шиян Ю. В., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - № 2010105573/07, заявл. 16.02.2010; опубл. 10.08.20II; бюл. №22.-9 с.

17. Пат. РФ № 2457598, МПК Н02.1 9/06. Устройство бесперебойного электроснабжения / Григораш О. В., Степура Ю. П., Усков А. Е., Соболь А.Н., Павлов И. А., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - № 2011123069/07, заявл. 07.06.2011; опубл. 27.07.2012; бюл. № 21. - 6 с.

18. Пат. РФ № 2488938, МПК Н02М 7/539. Преобразователь напряжения постоянного тока в трёхфазное напряжение переменного тока на реверсивном выпрямителе / Усков А. Е., Власов А. Г., Буторина Е. О., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - №2012110439/07, заявл. 19.03.2012; опубл. 27.07.2013; бюл. №21,- 10 с.

19. Пат. РФ № 2494437, МПК С05Р 5/04. Устройство для обеспечения параллельной работы автономных инверторов солнечных электростанций / Григораш О. В., Усков А. Е., Власов А. Г., Буторина Е. О., Сыроват-кин А. Р., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - №2012128406/08, заявл. 05.07.2012; опубл. 27.09.2013; бюл. № 27. - 10 с.

20. Упрощенный расчет однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем: свидетельство об официальной регистрации для ЭВМ №2012617112, Российская Федерация / А. Е. Усков, заявитель и правообладатель ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный аграрный университет». - № 2012614803; заявл. 13.06.2012; заре-гистр. 08.08.2012.

21. У сков А. Е. Автономный инвертор с улучшенными эксплуатационно техническими характеристиками / А. Е. Усков, Ю. В. Шиян // Научное обеспечение АПК, материалы IV Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых.-Краснодар, 2010.-С. 150-152.

22. Усков А. Е. К вопросу выбора параметров электроэнергии автономных систем электроснабжения / А. Е. Усков, А. О. Григораш, Е. А. Власенко // Технические и технологические системы: материалы междунар. науч. конф. - Краснодар: КубГАУ, 2009. - С. 201-203.

23. Усков А. Е. Методика упрощенного расчета КПД и массы инверторов / А. Е. Усков, А.С. Олешко, Д.А. Столбчатый // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: Материалы V Всерос. научн. конф. Т1,-Краснодар: КВВАУЛ, 2007. - С. 122-126

24. Усков А. Е. Особенности обеспечения параллельной работы автономных инверторов // Университет. Наука, идеи и решения. - Краснодар: КубГАУ, 2010.-№2.-С. 181-183.

25. Усков А. Е. Особенности расчета однофазного инвертора напряжения / Ю. Г. Пугачёв, А. С. Олешко, А. Е. Усков // Материалы II Открытой Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых «Молодёжь и наука XXI века». Ч. 2. - Ульяновск: ГСХА, 2007. - С. 21^-222.

26. Усков А. Е. Особенности стабилизации напряжения автономных инверторов тока / О. В. Григораш, А. М. Передистый, А. Е. Усков // Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки: материалы V Всерос. науч. конф. - Краснодар: КВВАУЛ, 2007. - т 1. - С. 97-99

27. Усков А. Е. Перспективы возобновляемых источников электроэнергии в сельском хозяйстве /А. Е. Усков, А. Э. Сулейманов // Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК (сборник): Материалы междунар. науч.-практ. конф. 24-26 марта 2009 г. - Орел: Орел ГАУ, 2009. - С. 155-157.

28. Усков А. Е. Перспективы солнечной энергетики / А. Э. Сулейманов, А. Е. Усков // Сб. науч. тр. «Студенчество и наука». Вып. 7. - Краснодар: КубГАУ, 2011. - С. 216-217.

29. Усков А. Е. Системы бесперебойного электроснабжения / А. М. Передистый, Д. А. Столбчатый, А. Е. Усков // Материалы I Междунар. науч.-практ. конф. «Наука и технологии: шаг в будущее 2006». Т. 14. Технические науки. - Белгород. Руснаучкнига, 2006. - С. 78-80.

30. Усков А. Е. Современные требования, предъявляемые к автономным инверторам / А. Е. Усков, А. С. Чесовской, А. А. Мушлян // Материалы II Открытой Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых «Молодёжь и наука XXI века». 42. - Ульяновск: ГСХА, 2007. - С. 211-214.

31. Усков А. Е. Стабилизатор напряжения автономных инверторов тока / А. М. Передистый, Д. А. Столбчатый, А. Е. Усков // Физико-технические проблемы создания новых технологий в агропромышленном комплексе: сб. науч. трудов. - Ставрополь: АГРУ С, 2007. - С. 29-32.

32. Усков А. Е. Требования, предъявляемые к инверторам автономных систем электроснабжения / А. Е. Усков, Ю. В. Шиян // Университет. Наука, идеи и решения. - Краснодар: КубГАУ, 2010. - № 2. - С. 196-197.

33. Усков А. Е. Энергосберегающие технологии в сельском хозяйстве / О. В. Григораш, В. В. Алмазов, А. Е. Усков // Университет. Наука, идеи и решения. - Краснодар, 2010. - № 1. - С. 229-231.

Подписано к печати 12- 05- 2014 г. Бумага офсетная Печ. л. 1 Тираж 100 экз.

Формат 60x84 '/16 Офсетная печать Заказ № 299.

Отпечатано в типографии Кубанского ГАУ 350044, Краснодар, ул. Калинина, 13.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Кубанский государственный аграрный университет»

04201460067 На правах рукописи

УСКОВ АНТОН ЕВГЕНЬЕВИЧ

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР, ПОВЫШАЮЩИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АПК

Специальность: 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Григораш О. В.

Краснодар - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................... 5

1 АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ................................. 11

1.1 Влияние качества электроснабжения на сельскохозяйственные потребители и перспективы применения возобновляемых источников энергии........................................................... 11

1.2 Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических солнечных электростанций в краснодарском крае................. 17

1.3 Основные недостатки автономных инверторов солнечных электростанций и задачи исследований.................................... 23

1.4 Выводы и задачи исследования.......................................... 26

2 СТРУКТУРНО-СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЁТУ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ......................................................... 28

2.1 Конструкция и особенности работы трансформаторов с вращающимся магнитным полем................................................ 28

2.2 Автономные инверторы на однофазно-трёхфазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем............................ 30

2.3 Разработка функциональной схемы автономного инвертора с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками ........................................................................... 34

2.4 Особенности расчёта автономного инвертора...................... 39

2.5 Особенности расчёта фильтров автономных инверторов.......... 44

2.6 Разработка устройств, обеспечивающих параллельную работу автономных инверторов................................................... 49

2.7 Выводы по второй главе................................................... 58

3 РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ........................ 60

3.1 Расчёт КПД и массогабаритных показателей....................... 60

3.2 Математическое описание и основные задачи моделирования ... 65

3.3 Разработка принципиальной электрической схемы замещения автономного инвертора для компьютерного моделирования..... 68

3.4 Результаты компьютерного моделирования......................... 70

3.5 Рекомендации по проектированию системы управления и защиты автономных инверторов на трансформаторах с вращающимся магнитным полем....................................................... 78

3.6 Выводы по третьей главе................................................. 81

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА И РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ ЕГО В ПРОИЗВОДСТВО...... 83

4.1 Экспериментальные исследования.................................... 83

4.2 Расчёт экономической эффективности................................. 88

4.3 Выводы по четвёртой главе............................................... 99

Общие выводы............................................................... 100

Список использованной литературы.................................. 102

Приложения.................................................................. 115

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ - аккумуляторные батареи;

АВР - автоматическое включение резерва;

АПК - агропромышленный комплекс;

АСЭ - автономная система электроснабжения;

ВИЭ - возобновляемые источники энергии;

ВЭС - ветроэнергетическая станция;

ДЭС - дизель-электрическая станция;

КПД - коэффициент полезного действия;

МГП - массогабаритные показатели;

НИЭ - нетрадиционные источники электроэнергии;

НПЧ - непосредственный преобразователь частоты;

ПЭ - преобразователь электроэнергии;

САЭ - система автономного электроснабжения;

СБ - солнечные батареи;

СГЭ - система гарантированного электроснабжения;

СУ - система управления;

СЭ - солнечная электростанция;

СЭС - система электроснабжения;

СФСЭ - солнечные фотоэлектрические станции;

СФЭУ - солнечные фотоэлектрические установки;

ТВМП - трансформатор с вращающимся магнитным полем;

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь;

ЭТХ - эксплуатационно-технические характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие мирового топливно-энергетического комплекса характеризуется ограниченными ресурсами традиционных видов топлива. Это, в свою очередь, влечёт за собой постоянное увеличение их стоимости, а также ежегодно возрастающие экологические проблемы, связанные с добычей и переработкой энергетических ресурсов традиционной энергетики [76]. Ввиду этого перспективным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельскохозяйственное производство, чему способствуют, кроме того, следующие факторы: неограниченность ресурсов возобновляемой энергетики, повсеместная распространённость большинства видов на Земле, отсутствие вредных выбросов, доступность для использования. Перспективным направлением для Краснодарского края является внедрение солнечных фотоэлектрических станций, одним из основных узлов которых являются автономные инверторы (АИ). Эксплуатируемые в настоящее время АИ имеют следующие недостатки: низкие показатели качества выходного напряжения и КПД [83].

Ведущими учеными в области статических преобразователей электроэнергии Атрощенко В. А., Безруких П. П., Гречко Э. Н., Григораш О. В. разработаны предложения и устройства, позволяющие улучшить эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ) АИ. Однако для существенного улучшения критериев эффективности АИ необходимы новые принципы и методы их конструирования.

В диссертационной работе предлагается одно из направлений, улучшающих ЭТХ АИ - это применение в их конструкции однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП).

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО КубГАУ «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и источ-

ников электроснабжения для снижения эксплуатационных затрат на производство и переработку сельскохозяйственной продукции» 2006-2010 (ГР № 01.2.00606851), «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и систем автономного электро- и теплоснабжения с.-х. потребителей с использованием возобновляемых источников энергии» 2011-2015гг. (ГР № 01.2.01153641).

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических станций за счет использования в их конструкции однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:

1. Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.

2. Разработать конструкцию обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

4. Провести компьютерное моделирование физических процессов протекающих в силовой схеме автономного инвертора.

5. Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Провести расчёт экономической эффективности автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным.

Объектом исследования являются функциональные схемы автономных инверторов и их системы управления, физические модели автономных инверторов.

Предметом исследования являются эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов (электрические параметры, КПД, мас-согабаритные и экономические показатели).

Методы исследования. Базируются на использовании теории электрических цепей, основ теории статических преобразователей электроэнергии с использованием стандартного программного продукта ЬТБраве, позволяющего моделировать физические процессы в силовых электрических цепях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, а также совпадение результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научную новизну работы составляют:

1. Функциональные схемы автономных инверторов, выполненных на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, в них преобразуется напряжение, поступающее от источника постоянного тока на первичную обмотку со средней точкой, в трёхфазную симметричную систему напряжений посредством ШИМ-модуляции и конструкции обмоток трансформатора.

2. Формулы и методы расчёта, адаптированные для предложенных функциональных схем однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы протекающие во вторичной цепи силовой схемы автономного инвертора.

Практическую значимость работы составляют:

1. Конструкция обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем для автономного инвертора солнечных фотоэлектрических установок.

2. Принципиальная электрическая схема замещения для компьютерного моделирования физических процессов автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

5. Техническая новизна предложенных схемных решений АИ подтверждена 8 патентами РФ.

6. Рекомендации по проектированию автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

На защиту выносятся:

1. Функциональная схема автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы протекающие в силовой схеме автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Конструкция обмоток однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

5. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе однофазно-трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Результаты расчёта экономической эффективности.

Реализация результатов работы.

Материалы по исследованию математической и физической модели переданы в ООО «Солнечный центр» (приложение А). Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре ЭТиВИЭ в КубГАУ, при изучении дисциплины «Электроника» (Приложение В).

Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции магнитной системы однофазно-трёхфазного ТВМП и функциональной схемы АИ на ТВМП и компьютерной модели АИ на ТВМП. Результаты исследований докладывались на 9 НПК.

Апробация работы. IV Всероссийская НПК молодых учёных, «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2010 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2007 г.); I Международная НПК «Наука и технологии: шаг в будущее» (Белгород, 2006 г.); II открытая Всероссийская НПК молодых учёных «Молодёжь и наука XXI века» (Ульяновск, 2007 г.); международная НПК «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» (Волгоград, 2007 г.); Международная конференция «Технические и технологические системы» (Краснодар, 2009 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2010 г.); Международная АПК «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орёл, 2009 г.); VIII региональная НПК молодых учёных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 33 научные работы, в том числе 10 патентов РФ, 2 монографии, 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Общий объём публикаций - 28,05 п. л., из которых 13,7 п. л. принадлежит лично автору.

Структура и объём работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего 108

наименований и приложений. Общий объем диссертации: 116 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц.

1 АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Влияние качества электроснабжения на сельскохозяйственные потребители и перспективы применения возобновляемых источников энергии

В настоящее время значительно возросла актуальность задачи обеспечения надежного электроснабжения в связи с активным внедрением в сельскохозяйственное производство автоматических систем управления механизированными процессами и производственными комплексами [52].

Как известно, системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей имеют большую протяженность линий электропередач по сравнению с промышленными системами электроснабжения. При этом в АПК отсутствуют потребитель напряжением 6 кВ и применяются напряжения 0,4; 10 и 35 кВ.

Широкое распространение в агропомышленном комплексе получили магистральные и радиальные схемы электроснабжения [52].

Магистральные схемы являются более экономичными, поскольку в них применяется меньшее количество коммутационных электрических аппаратов. Но в общем случае надёжность радиальных и магистральных схем практически одинаковы.

Опыт эксплуатации систем электроснабжения показал, что радиальные схемы более эффективны в том случае если источник электроэнергии находится в центре относительно потребителей. Когда все потребители находятся на одной линии относительно источника, то - эффективными являются магистральные.

Этот факт необходимо учитывать при проектировании систем электроснабжения с использованием ВИЭ.

Аварийные режимы работы, связанные с внезапными перерывами в электроснабжении, а также отклонение показателей качества электроэнергии приводят к значительным ущербам в сельскохозяйственном производстве, в том числе болезни и гибель животных, к нарушению сложных технологических процессов и к массовой порче сельскохозяйственной продукции [44].

Ежегодно значительно увеличивается мощность технологического электрооборудования сельскохозяйственного производства, что приводит к большим ущербам при аварийных и ненормальных режимах работы систем электроснабжения. В частности, это проявляется при электроснабжении крупных комплексов по производству молока (400 голов КРС и более); по выращиванию и откорму КРС (5 тыс. гол. и более) и свиней (12 тыс. гол. и более); птицефабрик по производству яиц и мясного направления (более 100 тыс. и более 1 млн соответственно) [44].

В таблице 1.1 приведены размеры ущербов в крупных производственных сельскохозяйственных комплексах от перерывов в электроснабжении на 1 час.

Таблица 1.1 - Размеры ущерба вследствии перерывов в электроснабжении на 1 в крупных производственных сельскохозяйственных комплексах.

Комплексы по производству молока (от 400 гол.) > 10 000 руб.

Комплексы по выращиванию крупного рогатого скота (от 5000 гол.) > 35 000 руб.

Свиноводческие комплексы (от 12 тыс. гол.) > 140 000 руб.

Птицефабрики мясного направления (от 1 млн. гол.) > 330 000 руб.

Птицефабрики по производству яиц (от 100 тыс. гол.) > 700 000 руб.

Статистический анализ ущербов при снижении качества напряжения показал, что в комплексах по производству молока в течение 1 ч при откло-

нениях напряжения на ±7,5 % от номинального значения размер ущерба превышает 100 ООО руб, при отклонениях ±10 % - 150 ООО руб.

С экономической точки зрения важным является вопрос передачи электроэнергии от источника к потребителям, Поскольку сами линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства имеют высокую стоимость и, кроме того, передача и преобразование электроэнергии сопровождается потерями. Так, по информации, приведённой в [44], капиталовложения в 1 км воздушной линии 35 кВ свыше 160 тыс. руб. Стоимость трансформаторных подстанций 35/0,38 кВ мощностью 1000 кВА превышает 800 тыс. руб., 110/35 кВ мощностью 6300 кВА - более 2,6 млн руб., а стоимость распределительных устройств на 35 и 110 кВ более 1,5 млн. руб. С учётом