автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергоэффективная система электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности

005059512

На правах рукописи

Антропов Алексей Петрович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ НЕСТАБИЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Нижний Новгород 2013

16 МАП 2013

005059512

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика и электроснабжение» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева»

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

ЛОСКУТОВ Алексей Борисович Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор кафедры

«Автоматизированные электроэнергетические системы» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» (г. Самара)

ГОЛЬДШТЕЙН Валерий Геннадьевич

- доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»( г. Ульяновск) КУЗНЕЦОВ Анатолий Викторович

Ведущая организация: - Центр физико-технических проблем энергетики

Севера Учреждение Российской академии наук Кольского научного центра РАН (г. Апатиты)

Защита состоится «11» июня 2013 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Самарский государственный технический университет" (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СамГТУ, а с авторефератом диссертации на официальном сайте: http://postgrad.samgtu.ru

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@vandex.ru.

Автореферат разослан «8» мая 2013 г. Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.04, доктор технических наук, доцент Базаров A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность" темы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 года, обеспечение надежности электроснабжения и высокой энергетической эффективности использования электроэнергии относятся к одним из основных стратегических целей развития электроэнергетики. В настоящее время для находящихся в эксплуатации электрических сетей общего назначения напряжением 0,4 кВ характерно низкое качество электрической энергии (статистика свидетельствует, что 90% электроэнергии, поставляемой бытовым потребителям из распределительных электрических сетей, не соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 в отношении нормально допустимых значений). Подключение к таким сетям высокотехнологичного оборудования (компьютеров, серверов, телекоммуникационной аппаратуры, банковских технологий и др.) связано с повышенным риском выхода его из строя и, что самое опасное, с потерей информации. Для предотвращения перебоев в работе и выхода из строя ответственных потребителей электроэнергии необходимы системы бесперебойного электроснабжения, обеспечивающие непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к ней потребителей при любых отказах и неисправностях в основных сетях электроснабжения. Такие системы строятся на основе источников бесперебойного питания (ИБП), источников резервного питания и автономных резервных источников, например, дизель-генераторных установок.

Вместе с тем, приобретает особую актуальность проблема разработки устройств бесперебойного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии. Решение указанной проблемы имеет большое значение для бесперебойного и качественного энергообеспечения территорий, удаленных от крупных электростанций, не охваченных электрическими сетями, испытывающих недостаток существующих мощностей. Современные технологии позволяют отнести энергию ветра к числу возобновляемых источников, имеющих наиболее значительный экономический потенциал. Особенностью ветроэлектрических установок (ВЭУ) является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. Для эффективной передачи и распределения электроэнергии в системах электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (автономным источником нестабильной мощности) необходимо решить задачу согласования (сопряжения) выходных параметров ВЭУ с параметрами промышленной электросети и входными параметрами потребителей. Также следует обеспечить оперативное управление режимами работы системы электроснабжения за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.

Значительный вклад в развитие теории и практики применения ветроэлектрических установок в системах электроснабжения внесли отечественные ученые П.П. Безруких, В.Н. Ефанов, В.Г. Николаев, О.С. Попель, Я.И. Шефтер и др. Однако проблема синхронизации автономного источника нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью пока не решена, что сдерживает широкое применение ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.

Таким образом, необходимость в разработке системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности, позволяющей эффективно использовать энергию возобновляемых источников и обеспечивающей бесперебойное питание ответственных потребителей электрической энергией требуемого качества, обуславливает научную актуальность темы диссертационной работы.

Объект исследования. Система двойного питания «общепромышленная электрическая сеть - автономный источник нестабильной мощности».

Предмет исследования. Энергоэффективные режимы работы системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности.

Цель работы. Решение вопросов сопряжения параметров и управления системы двойного питания «общепромышленная сеть - автономный источник нестабильной мощности (на примере ветроэлектрического генератора)», обеспечивающих эффективность передачи и распределения электрической энергии, ее качество и бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей.

Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи.

1. Исследование и анализ существующих устройств бесперебойного питания, средств регулирования напряжения и мощности, применения ветроэлектрических генераторов в системах электроснабжения потребителей.

2. Обоснование выбора схемотехнического решения Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления.

3. Разработка имитационной модели системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором. Исследование энергоэффективных режимов работы Устройства.

4. Создание прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором на базе промышленного компьютера.

Положения, выносимые на защиту; 1. Схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (УБЭ с ВЭГ) и его системы управления, обеспечивающее эффективное и бесперебойное питание электропотребителей.

2. Компьютерная модель Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором, работающего в автономном режиме и параллельно с общепромышленной электросетью.

3. Имитационная модель системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором.

4. Результаты исследований энергоэффективных режимов работы Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (режимы компенсации неактивной мощности и регулирования потока мощности).

Методы исследования. Исследования проводились методами математического и программно-ориентированного (имитационного) моделирования с широким использованием основных законов теоретических основ электротехники и промышленной электроники. При разработке математической модели устройства бесперебойного электроснабжения использован математический аппарат общей теории мгновенной мощности. При разработке математической модели системы управления использован математический аппарат с применением преобразований Кларка и Парка-Горева. Имитационное моделирование УБЭ с ВЭГ осуществлялось с применением пакета Matlab/Simulink. Разработка прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ основана на использовании пакета реального времени Real Time Windows Target. Проверка и тестирование разработанной системы управления проводились по схеме "Hardware-in-the-Loop".

Научная новизна.

• Предложены алгоритмы управления и реализующее их схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с автономным источником ограниченной нестабильной мощности, отличающееся от существующих наличием в составе двух бестрансформаторных инверторов напряжения (ведущего и подчиненного), связанных емкостным накопителем энергии, что позволяет реализовать как автономный режим работы ВЭГ, так и параллельный с промышленной электросетью.

• Разработаны методические принципы построения и реализации математических моделей УБЭ в компенсационном и инверторном режимах, отражающие физические процессы в трёхфазной четырёхпроводной системе электроснабжения при наличии двух независимых источников питания: локальной сети с ВЭГ и промышленной электрической сети.

• На основе математического аппарата с применением преобразований Кларка и Парка-Горева разработана система управления УБЭ с ВЭГ, позволяющая оперировать не виртуальными мгновенными мощностями, а непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, что значительно упрощает взаимодействие с внешними цепями задания и регулирования требуемых параметров качества электроэнергии в промышленных сетях.

• Разработана виртуальная модель узла системы электроснабжения двойного питания (локальная сеть с ВЭГ - общепромышленная сеть) для исследования взаимодействия инверторов напряжения и сетей по потокам мощности активной и реактивной составляющих с заданными параметрами. Это позволило получить регулировочные характеристики зависимостей потоков активной и реактивной мощностей между двумя электрическими сетями от угла и амплитуды напряжения задания системы управления и выявить энергоэффекгивные режимы работы УБЭ с ВЭГ.

Практическая ценность.

Разработано новое Устройство бесперебойного электроснабжения, учитывающее нестабильность выходной мощности автономного источника энергии и обеспечивающее непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к нему потребителей.

Предложено решение проблемы синхронизации автономных источников нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью, реализованное в разработанной схеме УБЭ с ВЭГ и законах его управления. Это будет способствовать широкому применению ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.

Реализован интерактивный процесс разработки прототипа системы управления, включающий пакет Real Time Windows Target, осуществляющий автоматическую генерацию управляющего кода из Simulink. Данный процесс разработки позволяет создать законченную работоспособную систему управления и непосредственно перейти к управлению реальным объектом сразу же после окончания исследований, исключая дополнительные затраты на адаптацию при внедрении разработанной системы.

Реализация результатов работы. Решения по созданию системы автоматического регулирования процессом преобразования и передачи электрической энергии в системах бесперебойного электроснабжения внедрены ЗАО «ЭлектроИнтел», где на базе опытного производства проведена их промышленная апробация, показавшая положительные практические результаты. Предложенные технологии программно-аппаратной разработки прототипов систем автоматического регулирования позволяют значительно снизить материальные и временные затраты на их изготовление.

Материалы диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр «Электроэнергетика и электроснабжение» и «Промышленная электроника» Факультета автоматики и электромеханики Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева при чтении лекций, проведении лабораторных и научно-исследовательских работ по курсам «Системы электроснабжения», «Автоматизированные системы управления в электроснабжении» и «Промышленная электроника».

Апробация работы. По основным теоретическим положениям и результатам диссертации сделаны доклады: на XL Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения 2010», г. Москва,

Московский энергетический институт (Технический университет), 2010г.; международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» г. Самара, СамГТУ, 2011г.; научно-технической конференции «Актуальные проблемы электроэнергетики», г. Нижний Новгород, Hl ТУ, 2010г.; VII, VIII Всероссийской научной молодежной школе с международным участием «Возобновляемые источники энергии», г. Москва, МГУ, 20 Юг, 2012г.; XVII региональной конференции «Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки», г. Нижний Новгород, 2012 г.; X и XI Международных молодежных научно-технических конференциях «Будущее технической науки», г. Нижний Новгород, Hl ТУ, 2011, 2012 гг.; конференции «Использование возобновляемых источников энергии», г.Москва, ЦБК «Экспоцентр», 2011 г. Работа, в целом, докладывалась на расширенном заседании кафедры «Электроэнергетика и электроснабжение» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева и научно-техническом совете Электротехнического факультета Самарского государственного технического университета.

Публикации. Основные научные результаты диссертации отражены в 13 публикациях, в том числе 3 публикациях в рецензируемых научных журналах «Промышленная энергетика», «Теплоэнергетика», «Инженерный вестник Дона» из Перечня, утвержденного ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и четырех приложений. Объем работы составляет 218 страниц сквозной нумерации, в том числе 147 страниц основного текста (54 рисунка и 12 таблиц), список использованных источников из 215 наименований на 20 страницах, 51 страница приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель работы и основные задачи исследований, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведены исследования и дан анализ существующих систем и устройств бесперебойного электроснабжения и средств регулирования напряжения и мощности. Исследованы особенности применения ветроэлектрических генераторов (ВЭГ) в системах электроснабжения потребителей. Показано, что ВЭГ работают главным образом в автономных системах электроснабжения и не имеют возможности отдавать электрическую энергию в сеть централизованного электроснабжения. Кроме того, главной особенностью ВЭГ является нестабильность выходной мощности, что объясняется непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. Для эффективного использования ВЭГ в системах бесперебойного электроснабжения необходимо решить задачи согласования (сопряжения) его выходных параметров со стандартными параметрами потребителей,

бесперебойной передачи и распределения электроэнергии потребителю требуемого качества, а также обеспечить параллельную работу с общепромышленной электросетью.

Во второй главе проведен анализ структурных схем источников питания, применяемых в системах бесперебойного резервного электроснабжения. Наиболее актуальными для исследований являются решения, обеспечивающие совместную работу двух энергосистем на одну нагрузку с возможностью компенсации реактивной мощности ЕЭС за счет сопряжения параметров цепей постоянного и переменного токов при использовании трёхфазного инвертора напряжения (ИН). Рассмотрены характеристики бестрансформаторных ИН -основных элементов источников бесперебойного питания; требования к выходному напряжению ИН и критерии его качества; алгоритмы формирования выходного напряжения ИН. При выборе силовой части УБЭ с ВЭГ учитывалась перспективность устройства с точки зрения соответствия следующим основным критериям: 1) обеспечение решения задач по энергоэффективному использованию электроэнергии (передача потоков мощности в прямом и обратном направлении, работа в качестве связующего звена между различными типами источников электроэнергии с нагрузкой, компенсация коэффициента мощности); 2) универсальность и гибкость архитектуры (работа в трёх- и четырёхпроводных трёхфазных электросетях с различными типами нагрузок). В значительной степени заявленным критериям применения в сетях 0,4 кВ удовлетворяет схема бестрансформаторного инвертора напряжения с нулевым проводом. Приведена силовая часть бестрансформаторного ИН и схемотехническое решение УБЭ с ВЭГ (рис. 1).

Оно основано на применении двух ИН (ведущего ИН1 и подчиненного ИН2), объединённых по цепи постоянного тока

емкостного накопителя. Подчиненным считается ИН, подключенный цепями переменного тока к локальной сети с ВЭГ.

Для реализации ИН на основе

бестрансформаторной силовой части должен быть реализован принцип управления, определяемый как неравномерная широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Это позволяет по сравнению с равномерной ШИМ эффективнее генерировать токи с заданными функциями

Рис. 1. Схема УБЭ с ВЭГ

регулирования по величине, фазе и частоте при одинаковом числе импульсов за полупериод.

Разработана структурная схема системы управления устройством бесперебойного электроснабжения с ВЭГ, позволяющая в реальном времени реализовать установленные функциональные возможности УБЭ (рис. 2).

7Т

Определение параметром регул н роиан ни подчиненмиги шшер гори

с тема управлении

ВЭГ О Подчиненный инвертор Кмкостпой

4 ^ О

И1меренне параметров ВЭГ Формирование управлении Измерение нарамегрои пакошггели

Ж"

Задание Т|»еГ>уемых иарамегрои емкисгинш

Нилущин инвертор

О

ХС

Формирование управлении

И гмерение параметр«»!) нагрутки

Измерение периметров пктииицей спи

Система преобразовании параметров Зф координат и (1ц координаты

Система преобразования парамегрон <1ц С координат в Зф координаты

Определение

III.

требуемых шрашмрив 1и ишшс» сети

Оирсцслсищ' параметров рсгулирнианин Виду 1н его инвертора

Рис. 2. Структурная схема системы управления УБЭ с ВЭГ

В третьей главе разработана имитационная модель системы управления УБЭ с ВЭГ. Рассмотрены теоретические основы компенсации неактивной мощности, на которых построена математическая модель системы управления основного элемента УБЭ - инвертора напряжения (ИН), работающего в компенсационном режиме. Описаны математические модели ИН для компенсационного и инверторного режимов, отражающие основные физические процессы, протекающие в устройстве. Рассмотрено построение имитационной модели УБЭ с ВЭГ, как в автономном режиме, так и параллельно с общепромышленной электросетью. На основе моделей режимов работы УБЭ с ВЭГ разработана его система управления. Приведены выражения фазных напряжений (иа,иь,ис) и токов ('а,'ь,'с) трёхфазной четырехпроводной системы электропитания с нулевым проводом:

иа = 41и+ бшО/ + фи+) + л/2и0 бшОг + фи0) ■ иь = Ли+ &т(Ш-Щ- + Фи+) + л/2и0 + фи0)? (!)

ис = + Щ- + фи+) + у/2и0 ът{сог + фи0)

где и+ (С/о) - действующее значение напряжения прямой (нулевой) последовательности фаз; Фи+ ($/о) - фазовый угол сдвига напряжения прямой (нулевой) последовательности фаз от произвольного начала отсчёта.

1а = а/2/+ зт(й)Г + ф1+) + \[210 зт(й)/ + фю) = л/2/+ зт(й>/ - ~ + ф,+) + \/2/0 5т(&>/ + фю)

1С = -¡21 + БтСй)/ + ~ + + 4210 зт(юГ + $0)

(2)

Показано, что для формирования компенсационных токов ИН необходима взаимозависимая система, обеспечивающая связь передаваемой мощности и компенсационных токов. Она отражена в теории мгновенной мощности и может быть представлена в комплексных системах координат (рис. 3): стационарной - (а, р, у), а также синхронной - (с1, д, 0).

Преобразование Кларка

=1

: 1 1 1

Тг Тг Тг

, -А -1

2 2

; 2

й

.. . 2 ,

1 1

VI Тг ч/г

, _1 .1

2 2

0 £ -Л 2 2 .

Вычисление мгновенной передаваемой мощности

7 "г Л м

И. «V »г]1'-1

Формирователь компенсационной мощности

Рс ЧсЛ Чса Чср\

(V

1

'с.

Ьт».

-и. о

«г 0 «„

Рс Чся

Чс,

•Сг 'ср

1 а 1 о

'с 1 „,: Я •сг

•сь т. 2 2 ■с«

1 ! Л ы

[Тг ■ 2 2 .

Вычисление компенсационных токов Обратное преобразование Кларка

Рис. 3 - Структурная схема системы формирования компенсационных токов ИН

Используя матрицу преобразования, получаем значения напряжений и токов в а, р, у координатах:

иг=у1би0*т(М + фи0) иа = л/317+ + фи+) > и0 = -у/зи+ со Б(£У/ + (¿м+)

1у = л/б/0 Б1п(ю? + ф,0)

1а = л1з1+&т(а1 + ф,+) (3)

¡р = -л/37+ ««(о/ + (#,ч.)

Полная мощность может быть определена по выражению (4):

£=("« + - Лр) = ("«'« + "Л) + - М*'/») . (4)

После определения активной и реактивной составляющих мощности проекции активной и реактивной составляющих мгновенного тока на оси а, р выражаются по (5) и (6):

иа и/ ир

1<*р-~ 2р- ^ч^ТТ-тЧр—ГГ-гЧг- (5)

У ару иаРг иаРг

иР ■ иа -

грр ~ 7/ 2?; 1Рч=ТГ^Яг~ТГ1Ча- (6)

иарг ссРу иаРг

С использованием математического аппарата общей теории мгновенной мощности разработана математическая модель УБЭ, отражающая физические процессы в трёхфазной четырёхпроводной системе электроснабжения при наличии двух независимых источников питания.

Введение понятия мгновенной активной мощности, как скалярного произведения компонентов векторов напряжения и тока, а так же представление мгновенной реактивной мощности в качестве трёхмерного вектора, позволило разработать математическую модель, максимально приближенную к отображению реальных физических процессов.

На основе математического аппарата с применением преобразований Кларка и Парка-Горева разработана система управления УБЭ с ВЭГ (рис. 4). Она позволяет оперировать непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, а не виртуальными мгновенными мощностями, что значительно упрощает взаимодействие с внешними цепями задания и регулирования требуемых параметров качества электроэнергии в промышленных сетях.

В четвертой главе приведены результаты исследований блока УБЭ, регулирующего величины перетоков мощности между локальной энергосетью с ВЭГ и общепромышленной электросетью.

Представлено определение взаимосвязи между параметрами задания системы управления и величинами: активной составляющей мощности, передаваемой в общепромышленную электросеть; генерируемой реактивной составляющей мощности, обеспечивающей поперечную компенсацию потребляемой реактивной мощности общепромышленной сети.

Для исследования взаимодействия ИН и сетей по потокам мощности активной и реактивной составляющих с заданными параметрами разработана

упрощённая имитационная модель узла распределенной энергосистемы в среде МайаЫЯтиИпк (рис. 5).

Блок обратного прсобраюоанни

Рис. 4. Структурная схема системы управления УБЭ с ВЭГ

Реализована система управления углом опережения (отставания), изменением амплитуды управляющего напряжения. Система управления формирует на выходе соответствующего инвертора до фильтра первую гармоническую составляющую напряжения с заданными параметрами опережения, отставания и амплитуды.

Получены регулировочные характеристики зависимостей потоков активной и реактивной мощностей между двумя электрическими сетями от угла и амплитуды напряжения задания системы управления.

Рис. 5. Имитационная модель узла распределенной электрической сети

Режим с сочетанием управления углом опережения и снижения амплитуды напряжения задания по параметрам с1 ид подчиненного ИН позволяет передавать активную мощность из локальной сети с ВЭГ в промышленную электросеть. При этом в ней обеспечивается компенсация реактивной мощности без изменения режима работы локальной сети по реактивной мощности. Применение тех же параметров к ведущему ИН вызывает обратный процесс.

Режим с сочетанием параметров регулирования углов опережения (отставания) ведущего и подчиненного ИН позволяет передавать активную мощность с реверсом направления из одной сети в другую при небольшом перетоке реактивной мощности. Уменьшение перетока реактивной мощности возможно при более тщательном подборе диапазона изменения параметров управления ИН или введением адаптивных обратных связей в систему управления.

Пятая глава посвящена разработке инжиниринговых решений по созданию системы управления и применению Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрогенератором. Рассмотрена технология модельно-ориентированного проектирования, являющаяся основой для разработки системы управления УБЭ с ВЭГ, подробно описано создание системы управления на базе промышленного компьютера. Приведена и описана энергоэффективная схема электроснабжения в составе с УБЭ с ВЭГ.

Реализован интерактивный процесс разработки прототипа системы управления, включающий пакет Real Time Windows Target, осуществляющий автоматическую генерацию управляющего кода из Simulink. Пакет Embedded Coder делает возможным применение автоматически созданного кода на любом микропроцессоре, поскольку генерирует стандартный С-код.

Определены основные этапы разработки: моделирование систем и подсистем в пакете Matlab/Simulink, проектирование закона управления системы управления и имитация его работы на модели; реализация системы управления на базе промышленного компьютера с использованием пакета реального времени Real-Time Windows Target-, проверка и тестирование разработанной системы управления по схеме "Hardware-in-the-Loop".

Разработан прототип системы управления на базе промышленного компьютера iROBO-5000-93/3 с установленной операционной системой Windows 7 Professional 32bit Russian и проведены исследования его работы в режиме реального времени по схеме программно-аппаратного тестирования "Hardware in the Loop, в результате которых установлено:

- устойчивая работа системы управления при предложенной аппаратной части промышленного компьютера возможна до максимальной частоты в 1,3 кГц для каждого из шести транзисторных ключей инвертора;

- максимальная частота определяется размером разрядной сетки субсистемы формирования опорного напряжения пилообразной формы системы широтно-импульсного регулирования инверторов напряжения;

- интерактивный процесс разработки позволяет создать законченную работоспособную систему управления и непосредственно перейти к управлению реальным объектом сразу же после окончания исследований, исключая дополнительные затраты на адаптацию при внедрении разработанной системы.

Показано применение разработанного Устройства в энергоэффективной системе электроснабжения двойного питания «общепромышленная электросеть

- ветрогенератор», обеспечивающей бесперебойное электроснабжение ответственных потребителей.

В заключении отражены основные научные и практические результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

1. Анализ существующих устройств бесперебойного электроснабжения и средств регулирования напряжения и мощности, показал, что наиболее перспективны и экономичны устройства АРПС в составе с полупроводниковыми преобразователями.

2. При разработке Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ необходимо учитывать нестабильность выходных параметров ветрогенераторов, поэтому целесообразно применить структуру on-line, обеспечивающую возможность формирования выходного гармонического

напряжения с заданными параметрами при широком допустимом диапазоне изменения напряжения и мощности ВЭГ.

3. Разработаны алгоритмы и реализующее их схемотехническое решение УБЭ с ВЭГ на базе трехфазных инверторов напряжения для обеспечения связи и совместной работы двух сетей (локальной с ВЭГ и общепромышленной электросети) на общую нагрузку, позволяющее обеспечить передачу, распределение и улучшение качества электроэнергии в прямом и обратном направлении потоков мощностей.

4. Разработана структурная схема системы управления УБЭ с ВЭГ, позволяющая реализовать в реальном времени установленные функциональные возможности УБЭ и обеспечивающая повышение эффективности передачи и распределения электроэнергии за счет оптимизации параметров электропотребления от ВЭГ (практически активная мощность, симметричные трехфазные токи).

5. Показано, что для формирования компенсационных токов ИН необходима взаимозависимая система, обеспечивающая связь между передаваемой мощностью и компенсационными токами, которая отражается в теории мгновенной мощности и может быть представлена в комплексных системах координат: стационарной - (а, Р, у), и синхронной - (й, д, 0). С применением преобразований Кларка и Парка-Горева разработана математическая модель режимов работы УБЭ, а на ее основе имитационная модель системы управления УБЭ с ВЭГ, позволяющая оперировать непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, а не виртуальными мгновенными мощностями. Это позволило упростить взаимодействие с внешними цепями задания и регулирование требуемых параметров качества электроэнергии.

6. Для проведения исследований энергоэффективных режимов работы УБЭ с ВЭГ (режимы компенсации реактивной мощности, компенсации высших гармонических составляющих, регулирования потока мощности) разработана упрощенная имитационная модель узла системы электроснабжения двойного питания (локальная сеть с ВЭГ общепромышленная сеть).

7. Исследованы зависимости величин потоков активной и реактивной мощностей между двумя электрическими сетями при: раздельном управлении фазовым углом или амплитудой напряжения задания; сочетании управления фазовым углом и амплитудой напряжения задания по параметрам й к ц подчиненного инвертора ИН2. Определены регулировочные характеристики передачи активной мощности из сети с ВИЭ в промышленную сеть электропитания при компенсации реактивной мощности в промышленной сети. Установлено, что применение тех же параметров к ведущему инвертору ИН1 вызывает обратный процесс перетока мощности.

8. Разработаны инжиниринговые решения повышения эффективности передачи и распределения электрической энергии УБЭ с ВЭГ: создан прототип

его системы управления на базе промышленного компьютера /ЛОЛ0-5ООО-93/3 с установленной операционной системой Windows 7 Professional 32bit Russian. Реализован интерактивный процесс разработки прототипа системы управления, включающий пакет Real Time Windows Target, осуществляющий автоматическую генерацию управляющего кода из Simulink. Проведены исследования прототипа СУ в режиме реального времени по схеме программно-аппаратного тестирования "Hardware in the Loop" при управлении ведущим и подчиненным инверторами, работающими на динамическую нагрузку.

9. Разработана однолинейная схема системы электроснабжения в составе с УБЭ с ВЭГ, позволяющая эффективно использовать энергию возобновляемого источника и обеспечивающая бесперебойное питание ответственных потребителей электрической энергией требуемого качества,

Основное содержание работы отражено в следующих публикациях.

В рецензируемых изданиях

1. Попелъ, О.С. Перспективные направления использования возобновляемых источников энергии в централизованной и автономной энергетике / О.С. Попель, Б.Ф. Реутов, А.П. Антропов// Теплоэнергетика. -2010. -№11. -С.2-11.

2. Лоскутов, А.Б. Автоматизированная система управления узлом нагрузки в рамках концепции построения интеллектуальных электрических сетей / А.Б. Лоскутов, А.И. Чивенков, А.П. Антропов, С.А. Суяков // Промышленная энергетика. -2012. -№5. -С.4-10.

3. Чивенков, А.И. Расширение функциональных возможностей инвертора напряжения систем интеграции возобновляемых источников энергии и промышленной сети / А.И. Чивенков, В.И. Гребенщиков, А.П. Антропов, Е.А. Михайличенко // Инженерный вестник Дона. -2013. -№1.

В других изданиях

4. Антропов, А.П. Математическая модель компенсатора коэффициента мощности с использованием энергии возобновляемых источников / А.П. Антропов, С.А. Суяков, А.И. Чивенков // Материалы 7 всерос. научной молодежной школы с международным участием «Возобновляемые источники энергии». -М.: МИРОС, 2010. -С.379-383.

5. Антропов А.П. Анализ законодательной и нормативной базы новых и возобновляемых источников энергии/ А.П. Антропов, E.H. Соснина, A.B. Шалухо// Материалы XL Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения 2010»/ под общ. Ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. -М.: Издательский дом МЭИ, 2010. -С.7-9.

6. Антропов А.П. Синхронизация параллельной работы возобновляемых источников с промышленной сетью электропитания / А.И. Чивенков, А.П. Антропов // Материалы 6 всероссийской научно-технической

конференции «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» г.Оренбург, ОГУ, 2010 г. -С.113-117.

7. Антропов А.П. Источники бесперебойного питания в системах электроснабжения образовательных учреждений/ А.П. Антропов, E.H. Соснина, И.М. Власов// Будущее технической науки: тезисы докладов X Международной молодежной научно-технической конференции. -Н. Новгород: НГТУ им. P.E. Алекесеева, 2011. -С.86-87 .

8. Лоскутов А.Б. Технология бесперебойного электроснабжения потребителей на основе комплексного использования новых и возобновляемых источников энергии/ А.Б. Лоскутов, А.П. Антропов, E.H. Соснина, А.И. Чивенков// Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технической конференции. -Н.Новгород: НГТУ, 2010. -С.141-144.

9. Антропов, А.П. Вопросы автоматизации сопряжения параллельных источников энергии с различными параметрами/ А.И. Чивенков, А.П. Антропов, С.А. Суяков // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды международной научно-технической конференции: сборник статей. -Самара: СамГТУ, 2011. -т.1. -С.271-275.

10. Антропов, А.П. Особенности традиционной энергетики, роль и место возобновляемых источников энергии в России/ О.С. Попель, А.П. Антропов // Материалы докладов конференции «Использование возобновляемых источников энергии». -Москва, ЦВК «Экспоцентр», 2011.

11. Антропов, А.П. Экономические аспекты производства возобновляемого сырья из биомассы/ В.Р. Флид, C.B. Леонтьева, И.Е. Эфрос, А.П. Шашкин, А.П. Антропов // тезисы докладов XII Международной научно-технической конференции «Наукоемкие химические технологии-2008». Волгоград, 2008.

12. Антропов, А.П. Устройства бесперебойного электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии / А.П. Антропов, A.B. Шалухо // XVII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: Материалы докладов. -Н.Новгород: Изд. Гладкова О.В., 2012. -С.117-119.

13. Антропов, А.П. Вопросы резервного электроснабжения на основе возобновляемых источников энергии / А.П. Антропов, Р.Ш. Бедретдинов // Материалы 8 всерос. научной молодежной школы с международным участием «Возобновляемые источники энергии». -М.: Университетская книга, 2012. -С.8-12.

Личный вклад автора. Все основные положения диссертации разработаны автором. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат разработка математических моделей [3,4,6,9], аналитический обзор [1)2,5,10], постановка задачи исследования [12,13] и обработка результатов исследования [7,8,11].

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д212.217.04. ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», (протокол № 04 от 16.04.2013 г.).

Подписано в печать 23.04.2013. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 346.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, г. Нижний Новгород, ул. К. Минина, 24.

Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. P.E. Алексеева

На правах рукописи

04201359179

Антропов Алексей Петрович

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АВТОНОМНЫМ ИСТОЧНИКОМ НЕСТАБИЛЬНОЙ МОЩНОСТИ

05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Доктор технических наук, Профессор Лоскутов А.Б.

Нижний Новгород 2013

СОДЕРЖАНИЕ

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

1 Анализ современных устройств регулирования напряжения и мощности в системах бесперебойного электроснабжения. Постановка цели и задач исследования....................................................................................................................12

1.1 Исследования и анализ существующих систем и устройств бесперебойного электроснабжения................................................................................................12

1.2 Средства регулирования напряжения........................................................................16

1.2.1 Регулирование медленных изменений (отклонения) напряжения............................................................................................................................................................17

1.2.2 Снижение колебаний напряжения....................................................................18

1.2.3 Снижение несинусоидальности напряжения..........................................19

1.2.4 Снижение несимметрии напряжения в трехфазной сети............20

1.3 Средства компенсации реактивной мощности..................................................21

1.4 Анализ применения ветроэлектрических генераторов в системах электроснабжения потребителей. Постановка цели и задач исследования 25

1.4.1 Альтернативные источники электроэнергии..........................................25

1.4.2 Анализ применения ВЭГ............................................................................................27

1.4.3 Постановка цели и задач исследования......................................................30

1.5 Выводы по главе 1........................................................................................................................32

2 Обоснование выбора схемотехнического решения Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления............................................................................................................................33

2.1 Анализ структурных схем бесперебойного электроснабжения потребителей......................................................................................................................................................33

2.2 Бестрансформаторные инверторы напряжения................................................39

2.2.1 Требования к выходному напряжению инверторов........................39

2.2.2 Методы формирования выходного напряжения..........................41

2.2.3 Силовая часть бестрансформаторного инвертора напряжения 46

2.3 Построение структурной схемы системы управления Устройством бесперебойного электроснабжения с ВЭГ..........................................48

2.4 Выводы по главе 2..........................................................................................................................53

3 Моделирование Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ

и его системы управления......................................................................................................................54

3.1 Математическая модель устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ........................................................................................................................54

3.1.1 Теоретические основы компенсации неактивной мощности.. 54

3.1.2 Режимы работы инвертора напряжения УБЭ с ВЭГ........................57

3.1.3 Векторное описание мгновенной передаваемой мощности... 61

3.1.4 Принцип формирования компенсационной мощности................68

3.1.5 Математическая модель ИН в инверторном режиме........................74

3.1.6 Математическое описание алгоритма широтно-импульсной модуляции ИН....................................................................................................................................................75

3.1.7 Математическое описание блока фазовой автоподстройки частоты......................................................................................................................................................................78

3.1.8 Метод гистерезисного контроля тока........................................................80

3.2 Имитационная модель устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ........................................................................................................................85

3.2.1 Базовые модели элементов......................................................................................85

3.2.2 Измерительные устройства......................................................................................88

3.2.3 Упрощенная модель трехфазного инвертора напряжения.... 89

3.2.4 Модель инвертора напряжения..........................................................................89

3.2.5 Модель ИН в автономном режиме....................................................................91

3.2.6 Модель ИН при совместной работе с электросетью......................91

3.3 Имитационная модель системы управления инвертором напряжения............................................................................................................................................................92

3.4 Выводы по главе 3..........................................................................................................................100

4 Исследование режимов работы системы управления устройством бесперебойного электроснабжения (УБЭ) с ВЭГ........................................................101

4.1 Моделирование узла распределенной энергосистемы с ВЭГ...... 101

4.2 Исследование режимов работы УБЭ с ВЭГ и анализ результатов.. 107

4.2.1 Режимы работы при управлении параметрами задания подчинённого инвертора............................................................. 108

4.2.2 Исследования при управлении параметрами задания ведущего и подчиненного инверторов............................................ 112

4.3 Результаты испытаний системы регулирования на базе инверторов напряжения............................................................................................................................114

4.4 Выводы по главе 4............................................................. 116

5 Инжиниринговые решения по созданию системы управления и применению Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрогенератором............................................................ 117

5.1 Технология модельно-ориентированного проектирования системы управления......................................................................................................................................117

5.2 Разработка системы управления УБЭ с ВЭГ на базе промышленного компьютера........................................................ 126

5.3 Применение Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ

в системе электроснабжения ответственных потребителей......................141

5.4 Выводы по главе 5............................................................. 143

Заключение.............................................................................. 145

Список использованных источников............................................... 148

Приложение А. Имитационное моделирование УБЭ с ВЭГ и системы

управления.............................................................................. 168

Приложение Б. Результаты исследований режимов работы УБЭ с ВЭГ.. 185 Приложение В. Окна задания параметров блоков системы управления

УБЭ с ВЭГ............................................................................... 210

Приложение Г. Акты внедрений результатов диссертационной работы.. 216

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В соответствии с Энергетической стратегией России до 2030 года, обеспечение надежности электроснабжения и высокой энергетической эффективности использования электроэнергии относятся к одним из основных стратегических целей развития электроэнергетики [192]. В настоящее время для находящихся в эксплуатации электрических сетей общего назначения напряжением 0,4 кВ характерно низкое качество электрической энергии (статистика свидетельствует [131], что 90% электроэнергии, поставляемой бытовым потребителям из распределительных электрических сетей, не соответствует требованиям ГОСТ 13109-97 в отношении нормально допустимых значений). Подключение к таким сетям высокотехнологичного оборудования (компьютеров, серверов, телекоммуникационной аппаратуры, банковских технологий и др.) связано с повышенным риском выхода его из строя и, что самое опасное, с потерей информации. Для предотвращения перебоев в работе и выхода из строя ответственных потребителей электроэнергии необходимы системы бесперебойного электроснабжения, обеспечивающие непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к ней потребителей при любых отказах и неисправностях в основных сетях электроснабжения. Такие системы строятся на основе источников бесперебойного питания (ИБП), источников резервного питания и автономных резервных источников, например, дизель-генераторных установок [2, 117, 118].

Вместе с тем, приобретает особую актуальность проблема разработки устройств бесперебойного электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии. Решение указанной проблемы имеет большое значение для бесперебойного и качественного энергообеспечения территорий, удаленных от крупных электростанций, не охваченных электрическими сетями, испытывающих недостаток существующих мощностей. Современные технологии позволяют отнести энергию ветра к числу возобновляемых

источников, имеющих наиболее значительный экономический потенциал [108]. Особенностью ветроэлектрических установок (ВЭУ) является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. Для эффективной передачи и распределения электроэнергии в системах электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (автономным источником нестабильной мощности) необходимо решить задачу согласования (сопряжения) выходных параметров ВЭУ с параметрами промышленной электросети и входными параметрами потребителей. Также следует обеспечить оперативное управление режимами работы системы электроснабжения за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.

Значительный вклад в развитие теории и практики применения ветроэлектрических установок в системах электроснабжения внесли отечественные ученые П.П. Безруких, В.Н. Ефанов, В.Г. Николаев, О.С. Попель, Я.И. Шефтер [24, 25, 79, 129, 130, 185] и др. Однако проблема синхронизации автономного источника нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью пока не решена, что сдерживает широкое применение ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.

Таким образом, необходимость в разработке системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности, позволяющей эффективно использовать энергию возобновляемых источников и обеспечивающей бесперебойное питание ответственных потребителей электрической энергией требуемого качества, обуславливает научную актуальность темы диссертационной работы.

Объект исследования. Система двойного питания «общепромышленная электрическая сеть - автономный источник нестабильной мощности».

Предмет исследования. Энергоэффективные режимы работы системы электроснабжения с автономным источником нестабильной мощности.

Цель работы. Решение вопросов сопряжения параметров и управления системы двойного питания «общепромышленная сеть - автономный источник нестабильной мощности (на примере ветроэлектрического генератора)», обеспечивающих эффективность передачи и распределения электрической энергии, ее качество и бесперебойность электроснабжения ответственных потребителей.

Для достижения поставленной цели, в работе решаются следующие научные и практические задачи.

• Исследование и анализ существующих устройств бесперебойного питания, средств регулирования напряжения и мощности, применения ветроэлектрических генераторов в системах электроснабжения потребителей.

• Обоснование выбора схемотехнического решения Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления.

• Разработка имитационной модели системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором. Исследование энергоэффективных режимов работы Устройства.

• Создание прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором на базе промышленного компьютера.

Положения, выносимые на защиту:

• Схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором и его системы управления, обеспечивающее эффективное и бесперебойное питание электропотребителей.

• Компьютерная модель Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором, работающего в автономном режиме и параллельно с общепромышленной электросетью.

• Имитационная модель системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором.

• Результаты исследований энергоэффективных режимов работы Устройства бесперебойного электроснабжения с ветроэлектрическим генератором (режимы компенсации неактивной мощности и регулирования потока мощности).

Методы исследования. Исследования проводились методами математического и программно-ориентированного (имитационного) моделирования с широким использованием основных законов теоретических основ электротехники и промышленной электроники. При разработке математической модели устройства бесперебойного электроснабжения использован математический аппарат общей теории мгновенной мощности. При разработке математической модели системы управления использован математический аппарат с применением преобразований Кларка и Парка-Горева. Имитационное моделирование УБЭ с ВЭГ осуществлялось с применением пакета Matlab/Simulink. Разработка прототипа системы управления Устройства бесперебойного электроснабжения с ВЭГ основана на использовании пакета реального времени Real Time Windows Target. Проверка и тестирование разработанной системы управления проводились по схеме "Hardware-in-the-Loop Научная новизна.

• Предложены алгоритмы управления и реализующее их схемотехническое решение Устройства бесперебойного электроснабжения с автономным источником ограниченной нестабильной мощности, отличающееся от существующих наличием в составе двух бестрансформаторных инверторов напряжения (ведущего и подчиненного), связанных емкостным накопителем энергии, что позволяет реализовать как автономный режим работы ВЭГ, так и параллельный с промышленной электросетью.

• Разработаны методические принципы построения и реализации математических моделей УБЭ в компенсационном и инверторном режимах,

отражающие физические процессы в трёхфазной четырёхпроводной системе электроснабжения при наличии двух независимых источников питания: локальной сети с ВЭГ и промышленной электрической сети.

•На основе математического аппарата с применением преобразований Кларка и Парка-Горева разработана система управления УБЭ с ВЭГ, позволяющая оперировать не виртуальными мгновенными мощностями, а непосредственно активными и реактивными составляющими тока и напряжения, что значительно упрощает взаимодействие с внешними цепями задания и регулирования требуемых параметров качества электроэнергии в промышленных сетях.

• Разработана виртуальная модель узла системы электроснабжения двойного питания (локальная сеть с ВЭГ - общепромышленная сеть) для исследования взаимодействия инверторов напряжения и сетей по потокам мощности активной и реактивной составляющих с заданными параметрами. Это позволило получить регулировочные характеристики зависимостей потоков активной и реактивной мощностей между двумя электрическими сетями от угла и амплитуды напряжения задания системы управления и выявить энергоэффективные режимы работы УБЭ с ВЭГ.

Практическая ценность. Разработано новое Устройство бесперебойного электроснабжения, учитывающее нестабильность выходной мощности автономного источника энергии и обеспечивающее непрерывное питание электрической энергией требуемого качества подключенных к нему потребителей.

Предложено решение проблемы синхронизации автономных источников нестабильной ограниченной мощности с общепромышленной сетью, реализованное в разработанной схеме УБЭ с ВЭГ и законах его управления. Это будет способствовать широкому применению ВЭУ в системах электроснабжения потребителей.

Реализован интерактивный процесс разработки прототипа системы управления, включающий пакет Real Time Windows Target, осуществляющий

автоматическую генерацию управляющего кода из БтиИпк. Данный процесс разработки позволяет создать законченную работоспособную систему управления и непосредственно перейти к управлению реальным объектом сразу же после окончания исследований, исключая дополнительные затраты на адаптацию при внедрении разработанной системы.

Реализация результатов работы. Решения по созданию системы автоматического регулирования процессом преобразования и передачи электрической энергии в системах бесперебойного электроснабжения внедрены ЗАО «ЭлектроИнтел», где на базе опытного производства проведена их промышленная апробация, показавшая положительные практические результаты. Предложенные технологии программно-аппаратной разработки прототипов