автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Электротехнический комплекс для электроснабжения ответственных потребителей на базе фотоэлектрических преобразователей в условиях Ирака

На правах рукописи о»

Аль Джурни Рагхад Али Маджид

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ИРАКА

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук 11 НОЯ 2015

Новочеркасск 2015 005564374

005564374

Работа выполнена на кафедре «Электромеханика и электрические аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (Новочеркасский политехнический институт) имени М.И. Платова». Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» Лобов Борис Николаевич Официальные оппоненты:

Розанов Юрий Константинович, доктор технических наук, профессор, Национальный исследовательский университет «МЭИ» (Московский энергетический институт), профессор кафедры «Электрические и электронные аппараты».

Кашин Яков Михайлович кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО Кубанский государственный технологический университет, заведующий кафедрой «Электротехника и электрические машины».

Ведущая организация Федеральное государственное бюджетное об-

разовательное учреждение высшего профессионального образования «Донской государственный технический университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита диссертации состоится « 24 » декабря 2015 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д212.304.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132, ауд. 149 главного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» по адресу: 346428, г. Новочеркасск, Ростовской обл., ул. Просвещения, 132. Автореферат диссертации размещён на официальных сайтах ВАК www.ed.gov.ru и ФГБОЦ ВПО ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова www/npi-tu.ru.

Автореферат разослан « 23 » 10 2015 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.304.01, кандидат технических наук, доцент

Ю.А. Бурцев

Актуальность работы. Солнечная энергетика - перспективное направление развития энергетики в XXI-м веке. По сравнению с другими она имеет самый большой потенциал развития и КПД, высокую удельную мощность, очень широкую сферу применения.

Фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) обладают значительными преимуществами: не имеют движущихся частей, что упрощает обслуживание, снижает его стоимость и увеличивает срок службы; эффективно используют прямое и рассеянное (диффузное) солнечное излучение; не требуют высокой квалификации обслуживающего персонала; пригодны для создания установок практически любой мощности.

Учитывая географическое расположение и природные условия Ирака (много солнца и малые скорости ветра), отсутствие единой системы электроснабжения, в качестве источника электроэнергии для питания ответственных потребителей экономически целесообразно использовать ФЭП.

Степень разработанности темы исследования. Проблеме разработки электротехнических комплексов на базе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) посвящено большое количество публикаций как в нашей стране, так и за рубежом. Среди них можно отметить работы H.H. Баранова, В.И. Виссарионо-ва, Я.М. Кашина, Нгуен Минь Дык, Г.Б. Осадчева, Г. Раушенбаха, Дж.У.А. Трайделл, Н.О. Фролковой и других.

Однако в них отсутствует доступная информация о разработках специализированного оборудования для таких комплексов, оптимальных алгоритмах работы преобразователей и всего комплекса. Отсутствуют также научно обоснованные рекомендации по выбору оптимальной структуры и состава комплекса на базе (ФЭП). Известные методики проектирования не позволяют учесть особенности работы конкретных его подсистем, например, работу солнечных батарей одновременно на потребителя и накопители энергии.

При разработке электротехнических комплексов на базе ФЭП необходимо решить задачи выбора оптимального состава основного и вспомогательного оборудования, управления комплексом, его монтажа и эксплуатации. При этом система электроснабжения, в которую входит такой комплекс, должна иметь более высокие технико-экономические показатели по сравнению с известными системами. Для обоснованного выбора структуры, состава и параметров комплекса необходимо разработать и использовать имитационные модели "солнечные батареи - преобразователи - потребитель" систем различной конфигурации.

Важной является задача выбора структуры преобразователей, обеспечивающих работу системы электроснабжения в режиме отдачи максимальной мощности. Необходима также разработка специализированного инвертора

з

DC/AC, обеспечивающего улучшенные показатели качества выдаваемой электроэнергии: уменьшение состава и амплитуды гармонических составляющих, а, следовательно, стоимости фильтров, упрощение элементной базы - использование транзисторов на меньшее напряжение.

Работа соответствует научному направлению ЮРГПУ (НПИ) на 20112015 гг. «Интеллектуальные электромеханические устройства, системы и комплексы», утверждённому протоколом №6 от 26 января 2011 г.

Объектом исследования являются электротехнический комплекс системы автономного электроснабжения госпиталя.

Предметом исследования является структура, устройства и принципы управления комплекса, анализ его электромагнитных процессов.

Целью диссертационной работы является совершенствование автономного электротехнического комплекса на базе ФЭП, предназначенного для электроснабжения ответственных потребителей в условиях Ирака.

Задачи диссертационной работы:

1. Синтез структуры электротехнического комплекса.

2. Разработка способа децентрализованного управления устройствами комплекса и комплексом в целом.

3. Выбор схемного решения устройства и принципов управления устройства отбора максимальной мощности.

4. Выбор схемного решения и метода формирования выходного напряжения автономного инвертора.

5. Разработка имитационных моделей: «ФЭП - устройство отбора максимальной мощности», «АКБ - устройство контроля разряда-заряда», «автономный инвертор напряжения - нагрузка».

6. Создание комплексной математической модели, позволяющей проводить анализ электромагнитных процессов в отдельных элементах комплекса для оценки их взаимодействия в стационарных, переходных и аварийных режимах и определения энергетических показателей комплекса, оптимизации алгоритмов перераспределения энергии, взаимодействия с потребителями и оценки эффективности системы в целом.

7. Исследования комплекса с использованием математической модели для окончательного выбора элементов системы.

8. Разработка рекомендаций по повышению качества и надёжности электроснабжения ответственных потребителей в условиях Ирака.

Научная новизна полученных результатов:

1. Предложен алгоритм выбора структуры электротехнического комплекса, отличающийся тем, что выбор осуществляется по шести равнозначным

критериям и таблице рейтинговых оценок, что даёт возможность более объективного выбора структуры комплекса.

2. Обоснована схема комплекса, состоящая из нескольких подсистем, отличающаяся наличием вспомогательной линии постоянного тока и возможностью использования инверторов различной мощности, расположенных в непосредственной близости от потребителей электроэнергии.

3. Предложен способ управления устройствами комплекса, новизна которого заключается в том, что внешняя характеристика каждого устройства формируется таким образом, чтобы минимизировать обмен энергии между устройствами комплекса. Предложенный способ позволяет реализовать децентрализованное управление комплексом.

4. Для питания несимметричной трёхфазной нагрузки предложена схема двухуровневого автономного инвертора напряжения, отличающаяся использованием дополнительных ключевых элементов для стабилизации потенциала нейтрали.

5. Разработана математическая модель комплекса, позволяющая выполнить анализ его работы при заданном графике потребления, отличающаяся тем, что в ней учитываются случайные колебания нагрузки, изменения положения Солнца в зависимости от времени суток и сезона.

Теоретическая значимость диссертационной работы:

1. Применительно к проблематике диссертации результативно использованы положения теоретической электротехники, теории автоматического управления, вычислительной математики.

2. Предложены алгоритмы выбора структуры комплекса и расчёта параметров его подсистем.

3. Раскрытый решены проблемы, возникающие при выборе схем статических преобразователей, использующихся в электротехнических комплексах на базе ФЭП.

4. Изучены и установлены причинно-следственные связи процессов перераспределения потоков электроэнергии между генерирующим оборудование электротехнического комплекса при изменениях режима потребления и солнечной радиации.

5. Проведена модернизация существующих математических моделей систем электроснабжения на базе ФЭП за счет дополнительного учета процессов случайных колебаний нагрузки, сезонного и суточного изменения положения Солнца.

Практическая значимость диссертационной работы:

1. Разработана методика расчёта параметров фотоэлектрических комплексов, отличающаяся учетом необходимости (для автономных схем) работы одновременно на нагрузку потребителя и накопитель энергии.

2. Показано, что рациональной является схема комплекса, состоящая из нескольких подсистем со вспомогательной линией постоянного напряжения и общим инвертором для подключения к распределительной сети. Мощность подсистемы комплекса, работающей на общий инвертор не должна превышать 80 - 100 кВт, так как ее дальнейшее увеличение непропорционально увеличивает стоимость устройства. Напряжение во вспомогательной линии постоянного напряжения целесообразно установить напряжение на уровне 700 В, что позволит избежать необходимости повышать напряжение на входе АИН дополнительным преобразователем. Мощность контроллера ФЭП должна составлять величину порядка 1000 — 1500 Вт.

3. Сформулированы требования и даны рекомендации по проектированию основных элементов комплекса: трансформаторов, преобразователей, фильтров, которые могут быть использованы при проектировании "автономных систем электроснабжения.

4. Сформулированы рекомендации по настройке устройств, входящих в состав комплекс, позволяющие реализовать децентрализованное управление работой системы и использовать их при построении алгоритмов управления автономных систем электроснабжения.

5. Разработана программа математического моделирования процессов в комплексе, позволяющая на этапах проектирования оценивать эффективность работы отдельных устройств и электротехнического комплекса в целом.

Результаты работы приняты к внедрению в ООО СКТБ «Инверсия» г. Ростов-на-Дону при разработке систем электроснабжения. Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Электромеханика и электрические аппараты» ЮРГПУ (НПИ) при подготовке магистров по программе 14040063 «Методы исследования и моделирования процессов в электромеханических преобразователях энергии».

Методология и методы исследования. Для решения поставленных в работе задач использованы методы: теории электрических цепей, численного решения систем нелинейных алгебраических и дифференциальных уравнений, оптимального проектирования, теории автоматического управления, математическое моделирование на ПЭВМ, инструменты программных продуктов «РБрюе», «БосХУт».

Положения, выносимые на защиту.

1. Принципы выбора структуры комплекса.

2. Математические модели элементов и комплекса в целом.

3. Принципы построения комплекса для автономного электроснабжения ответственных потребителей.

4. Принцип регулирования элементов комплекса, позволяющий реализовать децентрализованное управление системы.

5. Рекомендации по выбору оптимального количества и места расположения ФЭП, ёмкости АКБ и мощности резервного генератора для обеспечения бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей.

Степень достоверности полученных результатов определяется корректностью поставленных задач, обоснованностью принятых допущений, соответствием результатов моделирования экспериментальным данным.

Апробация полученных результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на IX Международной молодёжной научной конференции «Тинчуринские чтения» в Казанском государственном энергетическом университете (г. Казань, 2014 г.), Международной научно-практической конференции «Возобновляемая и малая энергетика на сельских территориях, рекреационных зонах и удаленных объектах. Энергосберегающие технологии» (г. Ростов-на-Дону, 2015 г.), ежегодных научно-технических конференциях молодых учёных, аспирантов и студентов ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова «Студенческая научная весна» (г. Новочеркасск, 2013, 2014, 2015 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе: 7 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 4 тезиса докладов на научных конференциях.

Личный вклад автора состоит в формулировании и доказательстве основных научных положений, непосредственном участии на всех этапах исследований, проведении численных экспериментов.

Соответствие научной специальности. Исследования, выполненные в диссертационной работе соответствуют формуле и пунктам 1-4 паспорта специальности 05.09.03 «Электротехнические комплексы и системы»:

пункт 1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, изучение системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем;

пункт 2. Обоснование совокупности технических, технологических, экономических, экологических и социальных критериев оценки принима-емых

решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем;

пункт 3. Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления;

пункт 4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов и систем в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях;

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка литературы из 105 наименований и приложения. Общий объём работы 210 страниц, включая 3 страницы приложений и 101 иллюстрацию.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы: актуальность темы исследования; степень её разработанности; цель и задачи; научная новизна; теоретическая и практическая значимость, методология и методы исследования; степень достоверности и апробация результатов.

В первой главе показано, что потенциал солнечной энергии на порядок превышает потенциал всех используемых в настоящее время видов энергии. Солнечные электростанции имеют такую же удельную мощность (на единицу занимаемой площади) как атомные и на порядок превосходят этот показатель для станций других типов. Энергоотдача солнечных фотоэлектрических станций примерно в 5 раз выше, чем у станций других типов.

Рассмотрены структуры автономных и соединённых с сетью солнечных фотоэлектрических комплексов, их состав: ФЭП; устройство отбора максимальной мощности; накопители энергии; контроллер зарядки-разрядки (аккумуляторов); АКБ; инвертор. Проведён обзор сегодняшнего состояния солнечной энергетики.

Особенности климата Ирака: до 350 солнечных дней в году, практическое отсутствие ветра (до 2 м/с) делают очевидным выбор в качестве возобновляемого источника именно солнечной энергии.

Предложены и проанализированы три группы солнечных электростанций (СЭС), различающихся по степени связи с центральной системой:

1. Автономная фотоэлектрическая система.

2. Гибридная батарейно-сетевая фотоэлектрическая система.

3. Соединённая с сетью фотоэлектрическая система (без АКБ).

Критериями, определяющими выбор структуры и состава системы, являются: экономичность; надёжность электроснабжения; качество электрической энергии; гибкость системы (возможность дальнейшего развития); безопас-

8

ность и удобство эксплуатации; максимальное приближение источников к потребителям. Составлена таблица рейтинговых оценок различных схем СЭС. Методом ЭЛЕКТРА выполнено решение многокритериальной задачи выбора, в результате которого лучшим вариантом структуры является схема №1 с инвертором низкого напряжения.

При расчёте параметров СЭС предложено учитывать необходимость работы ФЭП одновременно на нагрузку и на АКБ. Суточное потребление энергии при этом делится на "дневное" и "ночное" с учётом суточного графика потребления электроэнергии. Параметры АКБ определяются по "ночному" потреблению. При расчёте параметров ФЭП проверяется возможность полного заряда аккумуляторной батареи за "дневное" время.

Выполнен анализ состояния электрохозяйства госпиталя, расчёт электрических нагрузок. На потребители 1-ой особой категории приходится 40 кВт, на потребители 1-ой и 2-ой категории 725,5 кВт. Разница в электропотреблении в летнее и зимнее время составляет менее 10% и не учитываться. Потребление в ночное время составляет 260 кВт.

Во второй главе рассматриваются вопросы выбора структуры комплекса и схемных решений его элементов.

В общей структуре выделено несколько подсистем, каждая включают в себя ФЭП с контроллерами фотоэлектрических панелей (КП) и инвертор. Резервный генератор и АКБ с контроллерами заряда и разряда представляют собой самостоятельные подсистемы. Передача электроэнергии в пределах подсистемы осуществляется на повышенном напряжении, с помощью вспомогательной линии постоянного тока (ВЛПТ). Взаимодействие с распределительной сетью происходит через инвертор, который подключён к ВЛПТ. Местом подключения является одно из распределительных устройств. Выбор мощности подсистемы определяется конфигурацией системы электроснабжения здания и местом расположения ФЭП. Мощность силовых полупроводниковых преобразователей (СПП), в первую очередь инверторов, ограничена типом применяемых силовых полупроводниковых приборов. В настоящее время технический уровень и цена модулей на базе ЮВТ или МОБЕЕТ делает оптимальным создание преобразователей с током до 200 А. Поэтому мощность инвертора ограничена величиной порядка 80— 100 кВт. Мощность каждой подсистем и лежит в диапазоне 20 - 80 кВт.

Предложенная структура позволяет минимизировать потери электроэнергии из-за ее передачи на низком напряжении. При этом точки сопряжения с распределительной сетью распределены по системе электроснабжения и приближены к центрам сосредоточения нагрузок.

Выбор величины напряжения в ВЛПТ выполняется с учетом передаваемой мощности и длины кабельных линий. Критерием является КПД линии. Контролируется величина падения напряжения в конце линии и температура проводов. На основании закона Джоуля - Ленца получены выражения для напряжения и КПД линии:

и =

R/'л 2/„

"Л = 1 —

0)

1-Л и л

где р — удельное электрическое сопротивление материала проводов; 2/л — общая длина проводов линии (прямого и обратного); U„ - напряжение в начале линии; У„р - плотность тока в проводниках. Получены зависимости КПД линии от /„ при разных значениях £/л и_/пр, рисунок 1.

П

0,9 0,8

0,7 0,6

Tsr*" lili 36В i i i ,.

I >Jl2B j

lili . . . . i . . , , Лч i =

0

10 15

а)

20 /пр,м

Л

0,9 0,8

0,7 0,6

0

-[ i ■ • iiii iiii. 36 В;

{ 24 В

j 12 В — :

, , , ,,,, .... , . ,

10 15 б)

20 /пр,м

Рисунок 1 - КПД линии постоянного тока в зависимости от длины линии: плотность тока 5,0 А/мм2 (а); плотность тока 3,5 А/мм2 (б)

При расчетной плотности тока 3,5 А/мм следует принять следующие величины предельной длины проводов: для ФЭП с номинальным напряжением 12 В — 8 м; с номинальным напряжением 24 В - 16 м, с номинальным напряжением 36 В - 24 м. В этом случае КПД линии не будет ниже 0,9. При увеличении плотности тока до величины 5 А/мм2, КПД снижается до 0,85.

Эти значения позволяют оценить количество ФЭП, объединение которых возможно для работы с одним КП. При использовании ФЭП мощностью 300 Вт с размерами 2,0 х 1,0 м, их количество составляет 10 с учетом характера прокладки проводов. Для подсистемы комплекса мощностью 30 кВт с учётом размеров ФЭП, длина проводов ВЛПТ может достигать 100 м.

Поскольку АИН подключается к трехфазной распределительной сети с линейным напряжением 380 В, напряжение в звене постоянного тока должно быть в два раза выше амплитуды фазного напряжения (311 В) и составлять величину 622 В, принято 700 В.

Для моделирования выбраны схемы контроллера ФЭП - двухтактная и полумостовая схемы и контроллера заряда аккумуляторной батареи - симметричная схема, на основе двух однофазных мостовых преобразователей. Также выбраны схемы двухуровневого автономного инвертора напряжения с выведенной нейтралью, трехуровневневого автономного инвертора напряжения с дополнительными диодами и с «плавающими конденсаторами».

Подробно рассмотрены два способа формирования выходного напряжения инвертора: с помощью независимого пофазного управления (СШИМ) и пространственно-векторной модуляции. Построены выражения для моделирующих и тактовых сигналов, коммутационных функций, линейных и фазных напряжений на выходе инвертора. Приведены временные диаграммы работы ЮВТ-транзисторов двух- и трехуровневого инвертора. Установлено, что формирование выходного напряжения инвертора необходимо выполнять с использованием СШИМ. Применение для этой цели пространственно-векторной модуляции приводит к искажению формы фазных напряжений в питаемой сети.

Выполнен выбор метода модуляции инвертора. Решена проблема, возникающая при питании от АИН распределительной сети с нейтралью - это неравномерное распределение напряжения на конденсаторах делителя входного фильтра в несимметричных режимах работы. Схемотехника трехуровневого АИН позволяет выравнивать потенциал средней точки делителя при использовании ПВШИМ, однако для этого требуются дополнительные переключения силовых полупроводниковых приборов. При использовании СШИМ и в двухуровневом АИН при всех видах модуляции выполнить это невозможно. Поэтому в схему преобразователя введены дополнительные ключевые элементы. Для двухуровневого и трехуровневого АИН схема входных цепей в этом случае будет иметь вид, рисунок 2.

Алгоритм работы транзисторов (^N1 и (^N2 следующий. В случае, когда потенциал точки N оказывается ниже установленного значения, подаются импульсы управления на транзистор (^Ш. Коэффициент заполнения (ширина) импульсов должен быть пропорционален отклонению потенциала точки N от заданного значения. Для снижения скорости нарастания тока через конденсаторы и сглаживания тока на входе инвертора в схему должен быть введен дроссель Ы.

-Ут

С2

Рисунок 2 - Схема стабилизации потенциала нейтрали АИН

В третьей главе рассматриваются вопросы математического моделирования устройств комплекса. Выделены следующие устройства, взаимодействующие между собой: ФЭП, АКБ, СПП, потребители электроэнергии. Для каждого из них выполнен анализ процессов с целью уточнения параметров, разработки алгоритмов управления, расчет потерь энергии и нагрева СПП, оценка эффективности принимаемых схемных решений.

Схема замещения ФЭП представлена на рисунок 3. Значения диффузной ёмкости Сд, сопротивлений Rs, Rsh, зависят от уровня освещённости, температуры элемента, его рабочего напряжения, свойств материала солнечного элемента и условий обработки.

я.

% -V j< й

и

-О -

Рисунок 3 - Обобщённая схема замещения ФЭП

ФЭП состоит из Л7; последовательных, Ыр параллельных фотоэлементов. Его вольтамперная характеристик описывается формулой:

/ = N¿1, - Ыр1,а [е-^г^ - 1],

где 1, - тока источника; - обратный ток насыщения диода, А; <:/=1,602 10"19 С; п - диодный коэффициент, принимает значения от 1 до 5; Лг -1,38' 10"23 ЛК\ Т— температура ФЭП, К.

Аккумулятор при заряде рассматривается как нагрузка с противо-ЭДС,

рисунок 4.

Unn Uno

Сдп Сдо

Rnn Rno

к_н

Ч_И 1

1(10 /Т\ Еа(р

а)

Рисунок 4 - Схемы замещения аккумуляторной нагрузки: а - исходная, б — преобразованная обобщённая для регенеративного импульсного заряда

12

Для обобщённой схемы замещения на основании 2-го закона Кирхгофа имеет место исходное дифференциальное уравнение:

ип-Еа = Сд^-Дэ + /?э^ + ип . (2)

Исходные параметры АКБ, зависящие от текущего состояния батареи, определяются на основании замеров при входном тестировании перед регенеративным зарядом. Приведены выражения для сопротивления перехода сопротивления электролита Лэ, ёмкости Ся. Зависимость напряжения аккумуляторной батареи от продолжительности разряда описывается уравнением:

НМЭЬгН %

и = ОД25[Я0 - / ■ ДБ - Еп{ 1 - е-°'51)] •

1п

■на

■+б

(3)

Приведены выражения для продолжительность разряда тк, ЭДС батареи Е0, ЭДС поляризации Ет сопротивления АКБ ЛБ.

При построении математических моделей СПП принят ряд допущений, в частности, о возможности использования упрощенной модели СПП в виде ключевого элемента. Задача исследования процессов в СПП сводится к расчету динамической электрической цепи с нелинейными параметрами. Показано, что для ее решения целесообразно использовать метод интегрирования на уровне двухполюсников. Его применение позволяет исключить запись дифференциальных уравнений в явном виде.

При моделировании устройства отбора мощности - КП разработана расчётная схема, представленная на рисунок 5.

Рисунок 5 - Расчетная схема устройства отбора мощности ФЭП

В качестве источника электроэнергии в моделируемой схеме была выбрана ФЭП из поликристаллического кремния. На рисунке 6 приведень1 результаты моделирования системы «ФЭП — КП - нагрузка».

а)

б)

и. в

Л Л 30

20

10

Ь. — к > .... — h »1 -к

1 / . Г V/

V V 1

5000 50.05 50.10 50 15 50.20 50.25

В)

50.00 50.05 50.10 50.15 50 20 50.25 I, НС

Г)

5000 50.05 50.10 50.15 50.20 50.25 /. мс 50.00 5005 50.10 50 15 50.20 50.25 I. мс

Рисунок 6 — Результаты моделирования: а —ток и напряжение ФЭП, напряжение на первичной обмотке трансформатора; б — ток первичной обмотки трансформатора; в - токи вторичной обмотки трансформатора и нагрузки; г - напряжение на нагрузке и вторичной обмотки

трансформатора

Видно, что величина напряжения на выходе соответствует заданной. Пульсации токов ФЭП и нагрузки, напряжений на конденсаторах делителя и выходного фильтра не превышают допустимых.

Передаваемая в ВЛПТ (нагрузку) мощность определяется параметрами управления КП. На рисунке 7 показаны зависимости отдаваемой в нагрузку мощности ФЭП от величины Кы при различных уровнях освещенности. Регулируя наклон ВАХ нагрузки, можно получить такое сочетание параметров ФЭП и нагрузки, при кото-Рисунок 7 — Зависимости мощности, ром по мере роста Км отдаваемая отдаваемой в нагрузку, от Км при мощность, достигнув максимума, различных уровнях освещенности практически не будет изменяться.

На рисунке 8 приведена расчетная схема системы «АКБ — контроллер заряда-разряда - нагрузка».

Рисунок 8 - Расчетная схема устройства контроля заряда-разряда АКБ

Рисунок 9 - Расчетная схема даухуровневого автономного инвертора напряжения

При моделировании была выбрана АКБ типа 6СТ-90. Определены параметры ее схемы замещения: Еа = 12,2В при полностью заряженной АКБ (11 В при заряженной на 75%); Сд = 0,015 Ф; Яп = 0,0015 Ом; Дэ = 0,01 Ом. Параметры фильтров: емкости С\ = 250 мкФ, С2 = 100 мкФ; индуктивность Ь\ = 0,5 мГн. Сопротивление нагрузки Л„ = 0,05 Ом, индуктивность £„ = 0,05мГн. В режиме заряда расчеты проводились при £70 =11 В, Е„ = 700 В. Транзисторы первого инвертора не открываются, коэффициент модуляции второго инвертора равен 0,95. Такой режим соответствует заряду АКБ, разряженной до 75% емкости током пятичасового заряда. При моделировании режима разряда принято: Е0 = 12,1 В, Е„ = 630 В. Коэффициент модуляции первого инвертора равен 0,95, транзисторы второго инвертора не открываются. В этом режиме АКБ отдает ток трехчасового разряда. Результатами моделирования являются: напряжение АКБ и на первичной обмотке трансформатора; ток АКБ и первичной обмотки трансформатора.

Для дальнейшего анализа комплекса разработана модель трехфазного АИН, собранного по двухуровневой схеме, рисунок 9. АПН питается от источника постоянного напряжения с параметрами: ЭДС Ео = 700 В, сопротивление Ко = 0,01 Ом. Индуктивность Ь\ = 0,1 мГн. Емкости конденсаторов фильтра С\ = Сг = 5000 мкФ. В качестве нагрузки включены индуктивности и сопротивления /?„ =7,8 Ом, ¿„ =16,5 мГн. Для улучшения гармонического состава напряжения на нагрузке на выходе АИН подключен синус-фильтр, состоящий из ин-дуктивностей £фс и конденсаторов СфА, Сф№ Сфс- Для обеспечения за-

тухания Х = 36 дБ на частоте модуляции частота среза фильтра должна быть равна/с= 1260 Гц. Предполагая, что импеданс линии составляет /?, = 50 Ом, и принимая коэффициент затухания С, = 0.707, получаем ¿ф = 8,94 мГн, Сф= 1,79 мкФ.

Выполнен расчет процессов при использовании двух вариантов формирования выходного напряжения АИН: пространственно-векторной ШИМ, и синусоидальной ШИМ с независимым управлением по фазам.

Из приведенных на рисунке 10 результатов видно, что синусоидальная ШИМ с независимым управлением по фазам обеспечивает близкую к синусоидальной форму с низким уровнем высших гармоник как линейных, так и фазных напряжений на выходе фильтра.

а) б)

Рисунок 10 - Результаты моделирования процессов в двухуровневом АИН: 2 - фазное напряжение на выходе инвертора; 3 - фазный ток нагрузки; а — при использовании пространственно-векторной ШИМ; б — при использовании ШИМ с независимым управлением по фазам

В четвёртой главе выполнен анализ системы электроснабжения госпиталя в целом. На основе сформулированного принципа соединения отдельных устройств комплекса предложена принципиальная схема, учитывающая распределённые генерацию и потребление электроэнергии. ВЛПТ проложена по всему зданию госпиталя, к ней через статические полупроводниковые преобразователи присоединены ФЭП, АКБ, резервный генератор; от распределительных пунктов, в которых расположены инверторы, осуществляется питание потребителей. Значение напряжения в этой линии является главным информационным параметром для определения режима работы. Напряжение на выходе преобразователей может изменяться в широких пределах. Поэтому их внешняя характеристика может быть сформирована таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное взаимодействие элементов системы. Пока выходной ток не достигает величины, при которой устройством отдается максимально допустимая мощность, внешняя характеристика формируется по закону постоянства мощности, в дальнейшем реализуется режим токоограничения.

Учитывая, что ФЭП располагаются на крыше и фасаде здания, при расчёте их энергоотдачи подробно рассмотрен вопрос о сезонных и суточных изменениях освещённости панелей. Определён профиль освещенности и энергоотдача ФЭП в условиях Ирака.

Составлена схема замещения, состоящая из активных сопротивлений и нелинейных элементов с заданными вольт-амперными характеристиками. Расчет режима схемы проводился итерационным методом. На каждой итерации выполнялась линеаризация схемы замещения и расчет режима ее работы методом узловых потенциалов. Устройства комплекса представлены в виде «стати-

ческих» моделей, т.е. высокочастотные процессы и динамика не учитываются. Основная цель моделирования — оценка энергетики (мощность устройств, потери, емкость АКБ, количество, площадь и ориентация панелей по сторонам света). Основными исходными данными являются значения мощности устройств генерации электроэнергии и потребителей, потери (зависящие от протекающего тока, сечения и длины) в соединительных проводниках, графики нагрузки и её случайные колебания.

На рисунках 11 — 14 приведены результаты расчета процессов в системе электроснабжения для периода зимнего солнцестояния. Склонение Солнца было принято -21,5°.

Анализ полученных данных показывает, что вертикально установленные ФЭП, ориентированные на восток и запад, эффективно собирают энергию в утренние и вечерние часы.

-500 -1000

Ра11Р1ге

"Ж

х

24 27 30 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 /, ч

Рисунок 11 - Результаты расчета процессов в системе электроснабжения в период зимнего солнцестояния. Суммарная мощность ФЭП, АКБ и дизель-генератора

24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69

Рисунок 12 - Результаты расчета процессов в системе электроснабжения в период зимнего солнцестояния. Мощность, отдаваемая ФЭП с разной ориентацией

24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69 ч

Рисунок 13 - Результаты расчета процессов в Рисунок 14 - Результаты расчета процессов

системе электроснабжения в период зимнего в системе электроснабжения в период зим-

солнцестояния. Суммарная мощность нагруз- него солнцестояния. Запас энергии в АКБ и

24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 57 60 63 66 69

ки и потери в линии постоянного тока

расход топлива дизель-генератора

Горизонтально установленные ФЭП собирают энергию, в основном, в дневное время, и наиболее эффективны в районе полудня. Эффективность вертикальных панелей, ориентированных на юг, выше зимой, чем для периодов летнего солнцестояния и равноденствий, а горизонтальных, расположенных на крыше, ниже, поскольку Солнце здесь имеет наименьшую высоту.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена актуальная научно-техническая задача разработка структуры и параметров комплекса, построенного на базе ФЭП, предназначенного для электропитания ответственных потребителей Ирака, выполнен анализ его работоспособности в различных режимах работы. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. В структуре электротехнического комплекса целесообразно использовать вспомогательную линию постоянного тока для обмена энергией между устройствами комплекса и распределительной сетью.

2. Для эффективной работы комплекса необходимо применение статических полупроводниковых преобразователей энергии, работающих совместно с ФЭП, АКБ и для питания распределительной сети.

3. Для упрощения структуры комплекса целесообразно применять децентрализованное управление процессами выработки, хранения и распределения электроэнергии.

4. В качестве информационного параметра, определяющего режим работы устройств комплекса возможно использовать величину напряжения во вспомогательной линии постоянного тока.

5. Величина напряжения в ВЛПТ должна допускать преобразование в 3-х фазное напряжение 0,4 кВ с использованием автономного инвертора напряжения без промежуточного преобразования постоянного напряжения в постоянное и не превышать величину 1000 В.

6. Рациональной является величина напряжения в ВЛПТ 700 В, что с учётом колебаний напряжения при работе системы электроснабжения удовлетворяет сформулированным выше требованиям.

7. Устройства отбора мощности ФЭП, заряда-разряда АКБ, инверторы для питания нагрузки должны иметь формируемую внешнюю характеристику по линии постоянного напряжения.

8. Для уточнения мощности ФЭП, ёмкости АКБ, мощности резервного генератора необходим анализ работы системы электроснабжения в различных условиях работы (зима-лето, день-ночь, местоположение, климатические условия).

9. На широте Багдада с точки зрения количества собираемой энергии эффективным является использование вертикальных ФЭП, ориентированных на восток и запад, и горизонтально расположенных ФЭП. Вертикально расположенные панели, ориентированные на юг, работают эффективно только с зимнее время.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Лобов Б.Н., Колпахчьян П.Г., Белокопытов С.А., Аль Джурни Раг-хад A.M. Выбор структуры фотоэлектрической системы электроснабже-ния//Электротехника, 2015. - №7. - С.36-40.

2. Аль Джурни Рагхад А. М. Проблемы разработки системы электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии в условиях Ирака// Изв.вузов. Сев.кавк. регион. Техн. науки,- 2014. - №1. - С. 144-145.

3. Колпахчьян П.Г., Лобов Б.Н., Аль Джурни Рагхад А. М., Гуммель А.А. Анализ структуры фотоэлектрической системы// Изв. вузов. Сев. кавк. регион. Техн. науки,- 2014. - №6. - С.44-47.

4. Колпахчьян П.Г., Аль Джурни Рагхад А. М. Выбор величины напряжения во вспомогательной линии постоянного тока фотоэлектрической системы// Изв. вузов. Электромеханика. - 2015. - №2(538). — С.53-55.

5. П.Г.Колпахчьян, Лобов Б.Н., Аль Джурнн Рагхад A.M. Математическое моделирование процессов в автономном инверторе напряжения солнечного электроснабжения// Изв. вузов. Электромеханика. - 2015. - № 4(540). — С.38-41.

6. П.Г.Колпахчьян, Лобов Б.Н.,Аль Джурни Рагхад A.M. Анализ процессов в системе автономного солнечного электроснабжения// Изв. вузов. Электромеханика. - 2015. - № 4(540). - С.76-82.

7. П.Г.Колпахчьян, Лобов Б.Н., Аль Джурнн Рагхад A.M. Принципы регулирования устройств автономной системы электроснабжения на основе фотоэлектрических преобразователей // Изв. вузов. Сев. кавк. регион. Техн. науки,- 2015.-№ 4,- С.63-70.

Статьи, материалы конференций и другие материалы:

8. Аль Джурни Рагхад А. М. Выбор структуры фотоэлектрической системы // IX Международная молодежная научная конференция «IX Тинчуринские чтения». - 2014. — Том 1 . — С.117-118.

9. Аль Джурни Рагхад А. М. Сравнение структур фотоэлектрических систем электроснабжения// Студенческая научная весна - 2014: материалы регион. науч.-тех. конф. (конкурса науч.-тех. работ) студентов, аспирантов и мо-

лодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. - Новочеркасск : ЮРГПУ (НПИ), 2014. -С.109-110.

10. Колпахчьян П.Г., Аль Джурни Рагхад A.M. Выбор рационального метода модуляции инвертора для систем солнечного электроснабжения // Научно-техническая конференция и выставка инновационных проектов, выполненных вузами и научными организациями Южного федерального округа в рамках участия в реализации федеральных целевых программ и внепрограммных мероприятий, заказчиком которых является Минобрнауки России: сборник материалов конференции, г. Новочеркасск, 14-16 декабря 2014 г. / ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. - Новочеркасск: Лик, 2014.-492 е.- 2014. - №1,- С.96-97.

11. Аль Джурни Рагхад A.M. Электротехнический комплекс для электроснабжения на базе фотоэлектрических преобразователей в условиях Ирака // Студенческая научная весна — 2015: материалы регион, науч.-техн. конф. (конкурса науч.-техн. работ) студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Ростовской области / Юж.-Рос. гос. политехи, ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. — Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2015. - С.89-90.

Аль Джурни Рагхад Али Маджид

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА БАЗЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ В УСЛОВИЯХ ИРАКА

Автореферат

Подписано в печать 23.10.2015. Формат 60x84 'Лб. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ № 46-1340.

Отпечатано в ИД «Политехник» 346400, г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru