автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Исследование и разработка системы управления многофункциональным энергетическим комплексом

На правах рукописи

Мо Зо Тве

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

Специальность: 05.13.06 — «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1" МАЙ Ю13

005058092

Москва —2013 г.

005058092

Работа выполнена на кафедре «Систем автоматического управления и контроля» в Национальном исследовательском университете «МИЭТ».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор,

Щагин Анатолий Васильевич

Официальные оппоненты: Лисов Олег Иванович, доктор

технических наук, профессор, профессор кафедры Информатики и программного обеспечения

вычислительных систем «ИПОВС» в Национальном исследовательском университете «МИЭТ»

Дмитриев Александр Сергеевич, кандидат технических наук, директор по науке ООО НПО «ТЕКОН-Автоматика»

Ведущая организация: ОАО «НИИ точного машиностроения»,

г. Москва

Защита диссертации состоится «4<з» _2023 года в

-3^:_ЗОчасов на заседании диссертационного совета Д212.134.04 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806, НИУ МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МИЭТ. Автореферат разослан » еХгг/г-С^-сЯ, 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _

д.т.н., профессор ГМ' ' Погалов Анатолий Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Основными глобальными проблемами современного мира являются: загрязнения окружающей среды, исчерпаемость ресурсов, изменение климата планеты, рост численности населения планеты и.т.д.

Неотъемлемой частью вышеперечисленных глобальных проблем являются энергетические проблемы, которые имеют прямую взаимосвязь со всеми сторонами жизни человечества. Энергетические проблемы очень остро ощущаются во всём мире. Отрасли энергетики разнообразны и их можно охарактеризовать по видам используемых энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро, ветро, геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент-температурная, солнечная. Можно сопоставлять эти отрасли по нескольким показателям: экономическим, экологическим, ресурсным, а также по показателям безопасности и некоторым другим. Исходя из этого сравнения, можно прийти к выводу, что энергетика альтернативных источников энергии (АИЭ), как долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений.

В начале 70-х годов прошлого столетия энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.

Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций. Печальный опыт последних десятилетий доказывает, что атомная энергетика несет в себе огромные риски, имеющие катастрофические последствия для регионов и планеты в целом, (например, аварии на Чернобольской АЭС и атомной электростации «Фукусима» в Японии в 2011 году).

Одним из решений проблемы энергообеспечения и экономии энергоресурсов является широкое внедрение АИЭ, таких как солнечные электрические генераторы (СЭГ), ветровые электрические генераторы (ВЭГ), генераторы электрической энергии, работающие на биотопливе и др.

При создании и использовании АИЭ важнейшим вопросом, требующим решения, является вопрос снижения себестоимости и достижения максимальной эффективности. Для достижения высоких характеристик необходимо учитывать особенности эксплуатации альтернативных источников различного типа. Для СЭГ это световой поток на единицу поверхности солнечной батареи и рабочая температура на поверхности фотоэлементов, а для ВЭГ скорость и направление ветра, угол атаки и параметры возбуждения синхронной электрической машины, для биоэлектрических генераторов (БЭГ) управление процессами брожения, обеспечение оптимальной температуры и давления в реакторе, управление подачей газа и скорости вращения вала турбины.

Для обеспечения электрической энергией удаленных районов, поселков или автономных объектов представляется целесообразным создание смешанных кластерных систем, включающих в свой состав альтернативные источники или группы альтернативных источников разного типа, работающие под управлением системы, обеспечивающей максимальную эффективность при генерации электрической и тепловой энергии. Подобную систему можно назвать многофункциональным энергетическим комплексом (МЭК).

Создание новых методов и средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей, повышением эффективности работы энергетических комплексов. Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную максимальную мощность! заданные параметры и быстродействие, обеспечивая управление процессом производства электрической энергии альтернативными источниками энергии.

Одним из решений является создание систем управления с использованием современных программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению энергетическими подсистемами. Использование программируемого контроллера в каждой подсистеме управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-управляющих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и

сигналов позволяет оптимизировать работу элементов МЭК в различных режимах и обеспечить эффективное и надежное функционирование МЭК в целом.

Создание высокоэффективных кластеров АИЭ позволяет по-новому решать проблему обеспечения электроэнергией потребителей расположенных в удаленных, труднодоступных районах и сельской местности. Создание кластеров АИЭ с системой управления нового поколения позволяет ставить вопросы создания локальных электрических сетей, состоящих из мелких и средних генерирующих источников, объединенных между собой и крупными энергосетями с использованием режимов реверсивного потребления. Увеличение эффективности и обеспечение высокого коэффициента автономности МЭК приведет к значительному снижению затрат на создание мощностей и снижению стоимости генерируемой электроэнергии. Работа решает проблему обеспечения максимального коэффициента полезного действия (КПД) для каждого альтернативного источника, входящего в состав МЭК и непрерывного обеспечения автономных потребителей электрической энергией. Применение структуры многопроцессорной автоматической системы управления для управления кластером АИЭ позволяет реализовать обобщенную концепцию технологического управления и диагностики.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Цель и задачи диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка высокоэффективной системы управления многофункциональным энергетическим комплексом альтернативных источников энергии. Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

- исследованию эффективности методов и алгоритмов управления МЭК;

- исследованию характеристик фотоэлемента и сети фотоэлементов солнечных батарей, ветротурбин, биогенераторов и синхронного генератора в режимах оптимизации выходной мощности МЭК при вариации параметров АИЭ;

- исследованию передаточных функций системы управления трехфазным управляемым выпрямителем при суммировании электрической энергии от разного типа АИЭ;

- созданию математических моделей системы управления для фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);

- исследованию передаточных функций системы управления ФАПЧ для сопряжения МЭК с другими источниками электрической энергии (т.е. с сетью);

- созданию математических моделей системы управления трехфазовым управляемым выпрямителем;

- созданию математической модели системы управления кластером АИЭ различных видов;

- разработке архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК, обеспечивающей оптимальное перераспределение выходных мощностей АИЭ;

- созданию физической модели перераспределения мощностей МЭК для реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;

- разработке структурных и функциональных схем системы управления МЭК;

- разработке адаптивных алгоритмов управления МЭК;

- разработке методов обеспечения резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

- разработана и предложена концепция управления энергией, потребляемой от различных альтернативных источников,' обеспечивающая высокую эффективность и экономию использования энергоресурсов и максимальный КПД;

- предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданной выходной мощности;

предложена система перераспределения потребляемой от различных АИЭ мощности, включающая в себя системы управления трехфазными управляемыми выпрямителями; предложены структурные и функциональные схемы системы управления МЭК;

разработаны математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ; проведено математическое моделирование режимов работы МЭК с использованием разработанных математических моделей; предложен метод резервирования функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

разработана и реализована физическая модель для исследований режимов перераспределения мощностей МЭК при реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК; предложены варианты построения архитектуры

многопроцессорной системы управления МЭК; разработаны адаптивные алгоритмы управления МЭК; предложены алгоритмы управления резервной функцией. Практическую значимость работы имеют: разработанные методы и алгоритмы управления МЭК, обеспечивающие высокую эффективность использования энергоресурсов альтернативных источников энергии; результаты математического моделирования характеристик автоматических устройств управления процессом производства электрической энергии;

разработанная структурная схема многопроцессорной системы управления с резервной функцией, позволяющая повысить вероятность безотказной работы системы управления; разработанная физическая модель для отработки режимов перераспределения генерируемых мощностей различными альтернативными источниками в составе МЭК; результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ. На защиту выносится:

архитектура системы управления МЭК, обеспечивающая высокую эффективность использования энергоресурсов (альтернативных источников энергии), максимальный КПД, и высокую надежность;

- структурные и функциональные схемы системы управления МЭК с использованием специальных датчиков и системы оперативного контроля;

- математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ для обеспечения работы МЭК в сетевом режиме;

- структуры адаптивных многопроцессорных систем управления МЭК с использованием управляемых выпрямителей и распределенной системы инверторов в режиме генерации максимальной мощности;

- предложенные методы и алгоритмы функционирования многопроцессорной системы управления с обеспечением резервной функции при отказе любого микропроцессора;

- результаты физического моделирования' перераспределения генерируемых мощностей МЭК.

Апробация-работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:

1. Всероссийские межвузовские научно-технические конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика» Зеленоград, Москва, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.

2. Конференция «Научная сессия МИФИ-2011, Сборник научных трудов, Том 1, Физика плазмы и управляемый термоядерный

синтез», (МИФИ, Москва, 2011 г.).

Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе четыре работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК Без соавторов опубликовано 10 работ.

Структура и объем лиссертяпн» Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Работа содержит 130 страниц основного текста 53 рисунка и 14 таблиц.

Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы и приводится ее краткая характеристика. Формулируются цель работы, задачи исследования и представляются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор и анализ существующих альтернативных источников энергии и особенностей их работы. В качестве объектов управления рассматриваются АИЭ разного типа (солнечной, ветровой и энергии биомассы). Рассмотрены различные способы и алгоритмы управления, проанализированы существующие системы и устройства управления для АИЭ. Отмечаются особенности способов производства электрической энергии АИЭ и обосновываются преимущества их применения, такие как обеспечение энергетической безопасности, особенно в развивающихся странах, сохранение окружающей среды и обеспечение экологической безопасности, сохранение запасов собственных энергоресурсов для будущих поколений и увеличение потребления сырья для неэнергетического использования топлива.

В главе в качестве АИЭ, рассмотрены СЭГ, ВЭГ и БЭГ. Вместе с тем, в комплекс могут входить и другие типы генераторов, включая и традиционные, например, дизель-генераторы и.т.д. Дополнительным источником является резервный генератор (аккумулятор или накопитель).

Задача системы управления кластером альтернативных источников энергии - повысить эффективность путем оптимального перераспределение и суммирования мощностей генерируемых разными альтернативными источниками энергии, обеспечить бесперебойное снабжение электроэнергией с реализацией функции накопления и регенерации.

По результатам проведенного анализа можно сделать следующие выводы:

- стоимость электрической энергии, получаемой от альтернативных источников энергии постоянно уменьшается, а КПД увеличивается. Это позволяет рассматривать альтернативную энергетику как энергетику ближайшего будущего, позволяющую получать энергию в промышленных масштабах;

- объединение альтернативных источников энергии различных видов позволяет создать надежный и высоко-эффективный МЭК - кластер,

как источник необходимой электрической и тепловой энергии, используемый в автономном и сетевом режимах; - управление параметрами АИЭ а также потребляемых от конкретных источников энергии мощностей позволяет значительно повысить эффективность МЭК.

С целью поиска эффективных режимов работы генератора солнечной энергии при различных условиях эксплуатации (переменной освещенности, температуры поверхности солнечного панели, потребляемой мощности) разработана математическая модель и проведено моделирование режимов работы фотоэлемента солнечной панели в пакете МАТЬАВ. На основе разработанной модели проведено исследование режимов работы фотоэлементов в составе панели и солнечного модуля (СМ) в пакете МАТЬАВ при различных условиях эксплуатации.

На математической модели в пакете МАТЬАВ' проведены исследования режимов работы ветрового генератора и определены диапазоны регулирования параметров, обеспечивающих максимальную эффективность системы при различных условиях эксплуатации (скорости и направлении ветра, угла атаки, потребляемой мощности и.т.д). Показана принципиальная возможность повышения эффективности кластера путем управления режимами работы отдельных источников. Показано, что объединение альтернативных источников различного типа в кластерные системы, с целью получения необходимой мощности и достижения наиболее эффективной работы каждой установки в составе системы, используя методы и алгоритмы эффективного управления режимами работы установок и перераспределением потребляемой" мощности, является весьма актуальной задачей.

Во второй главе проводится анализ требований, предъявляемых к системам управления, синтез алгоритмов и разработка структурных схем системы автоматического управления для АИЭ в кластерном режиме. В главе рассмотрены характеристики АИЭ разного типа. Предложен метод адаптивного управления для получения максимальной генерируемой электрической мощности для АИЭ разного типа. Например, максимальная мощность СЭГ зависит от освещенности, температуры самого генератора и тока нагрузки, а максимальная генерируемая мощность ВЭГ зависит от скорости ветра и пр. Мощность БЭГ зависит от параметров биомассы и др. Управление

режимами работы кластера, с учетом внешних воздействий, обеспечивает многопроцессорная система управления.

Во второй главе также предложена классификация задач оптимизации и методы решения этих задач при реализации системы управления кластером АИЭ. Проанализированы преимущества и недостатки различных методов обеспечения максимальной мощности и рассмотрены примеры использования этих методов.

Рис. 1. Алгоритм перераспределения мощностей кластера АИЭ 1с — ток кластера СЭГ (солнечного электрического генератора) 1в — ток кластера ВЭГ (ветрового электрического генератора) 16 - ток кластера БЭГ (биоэлектрического генератора) 1н — ток нагрузки

На рис. 1 приведен алгоритм перераспределения мощностей кластера АИЭ. Для реализации алгоритма разработаны программы для контроллеров системы управления кластером АИЭ, разработана модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию управления, включающую в себя формализацию физических процессов и условий генерации максимальных мощностей кластером АИЭ.

В качестве метода поиска экстремальных значений используется метод неопределенных множителей Лагранжа путем решения частных дифференциальных уравнений. На основе метода множителей Лагранжа можно доказать и некоторые достаточные условия Для условного экстремума, требующие анализа вторых производных функции Лагранжа,

Точка условного экстремума - мощность кластера АИЭ:

Р = Рсэг + Рвэг + Р^г = /(о,Г,л,»,г, ДТ ,с) , (1)

при ограничениях:

Ч> {Рсэг . Рвэг .Рвэг ) = 0 (2)

Из уравнений (1) и (2) с использованием метода неопределенных множителей Лагранжа получим систему:

1' - ы ^У ( Рс-ЛГ ' Рвэг » РБЭГ ) г др(Р„г ,РВЭ1. , Рг1г ) 0

до до до

л; = дЬ д/ ( Рсэг • Рвэг • РБЭГ ) др(рсэг ,рвэг, РБЖ ) = 0

дТ дТ дТ

г - дЬ д/ ( Рсэг ■ Рвэг > РБЭГ ) , др(Рсэг ,Р„эг . Р,пг ) 0

да да да

г' - дЬ д/ ( Рсэг • Рвэг • РБЭГ ) дЧ/(Рсж ,рюг ,РЮГ ) 0

дч ЭУ ду

г - ал ( Рсэг > Рвэг ■ Рвэг ) , д1?(Рсэг ,Рпг,Р„г ) 0

дг . дг дг

ал _ Э/(/>сэг , РВЭГ , РБэг )

дДТ дДТ дДТ

V - 3£ дУ(РсЭГ ' РВЭГ » РБЭГ ) д у/ (Рсэг , Рвж ,РБЭГ ) о,

дс дс дс

= дЬ _ дЛ -д VI Рсэг. Рвэг, Рюг) = 0.

Из системы (3) получаются уравнения значений параметров о (освещенность), Т (температура), а (угол атаки), и.т.д. Из системы

управления находится значение Л. Используя уравнения находятся точки условного экстремума. Таким образом, точка условного экстремума, определяющая выходную мощность кластера АИЭ, Р = Рсэг + Рвэг + Рвэг = /(о,V,г,ДТ,с).

Рис. 2. Структурная схема многофункционального энергетического комплекса в кластерном режиме

СЭГ - солнечный электрический генератор; ВЭГ - ветровой электрический генератор; БЭГ - биоэлектрический генератор; УВ -управляемый выпрямитель; УУ - устройство управления; ДТ -'датчик тока; РГ - резервный генератор (аккумулятор или накопитель); Ин -инвертор; Н - нагрузка; СУСЭГ - система управления солнечными электрическими генераторами; СУВЭГ - система управления ветровыми электрическими генераторами; СУБЭГ - система управления биоэлектрическими генераторами; СУАИЭ - система управления альтернативными источниками энергии.

Структурная схема системы управления МЭК, реализованного на солнечных батареях, ветрогенераторах и биогенераторах т.е. кластере АИЭ разного типа, представлена на рис. 2. Основными функциями МЭК, работающего в кластерном режиме, с объединением АИЭ различных видов, является бесперебойное снабжение потребителя электрической энергией заданного качества, получение максимальной энергии от двух или более АИЭ или групп.

Суммарная мощность кластера определяется:

ту+М+Ь

Р= +р2(4)

1=1

где N - количество СЭГ; М - количество ВЭГ; Ь - количество БЭГ.

С помощью специальных датчиков (тока, напряжения, освещенности, скорости ветра, температуры окружающей среды, объема выхода биогаза и.т.д.), рассчитывается количество энергии, получаемой от каждого генератора, и если сумма полученного тока равна току нагрузки, то процесс управления можно считать удовлетворительным. Если расчетная суммарная генерируемая мощность больше мощности потребляемой нагрузкой, то избыток энергии сбрасывается в накопитель (аккумуляторную батарею или теплогенератор) или, преобразуясь, передается в электрическую сеть коллективного пользования. Но существует другой вариант, когда получаемая от генераторов энергия не превышает потребляемую. В таком случае, энергия компенсируется энергией, поступающей из накопителя и используется по мере необходимости. Каждый шаг управления процессами перераспределения потребляемой от источников энергии проводится под строгим контролем с учетом параметров внешней среды, метеоусловий и внутренних параметров комплекса. При полностью заряженном аккумуляторе излишняя энергия подается автоматически в электрическую сеть, т.е. в другие источники потребления электроэнергии. Достаточна ли будет поступаемая от генераторов энергия для питания нагрузки или ее будет нехватать зависит от погодных условий - света солнца, силы ветра и пр. Каждая индивидуальная система альтернативных источников (СЭГ, ВЭГ, БЭГ) управляется и регулируется отдельной системой управления (СУ), цель которой обеспечивать максимальную эффективность ее работы. Каждая система управления (СУ) находится под управлением

центральной системы управления альтернативными источниками энергии (СУАИЭ), задача которой обеспечить надежное функционирование общей энергообеспечивающей системы в кластерном режиме.

Третья глава посвящена математическому моделированию системы управления. Разработаны математические модели системы управления кластером альтернативных источников энергии, предложены и исследованы режимы автоматического поиска максимальной мощности АИЭ и перераспределения мощностей в кластере.

Моделирование системы управления для управляемого выпрямителя в пакете МАТЬАВ можно реализовать как для виртуальных, так и функциональных моделей. На рис. 3 приведена структурная схема математического моделирования системы управления для трехфазного мостового выпрямителя, построенного на базе ЮВТ транзисторов.

Рис. 3. Структурная схема математического моделирования системы управления активного трехфазного мостового выпрямителя, построенного на базе ЮВТ транзисторов в пакете МАТЬАВ

Параметры управления, полученные в результате математического моделирования системы управления (т - индекс ШИМ, И - ток оси с] и МгеГ - ток задающий, - ток оси Ч и 1ЧгеГ - ток задающий) для управляемого выпрямителя на ЮВТ транзисторах в пакете МАТЬАВ при активной нагрузке и скачкообразном изменении входного сигнала в момент I = 0.05 сек, представлены на рис. 4. Компоненты оси И и 1я

необходимы для преобразования синхронной системы установления взаимосвязи сети и передачи мощностей от МЭК.

Рис. 4. Параметры управления, полученные в результате математического моделирования системы управления управляемого выпрямителя на ЮВТ транзисторах в пакете МАТЪАВ

Рис. 5. Структурная схема моделирования системы цифровой фазовой автоподстройки частоты в пакете МАТЪАВ и переходной процесс

На рис. 5 представлены структурная схема моделирования системы цифровой фазовой автоподстройки частоты в пакете МАТЬАВ и переходной процесс. В результате моделирования показано, что захват частоты синхронизации осуществляется при расхождении частот не более 10%.

В четвертой главе предложены варианты реализации многопроцессорной системы управления кластером, а также проведено математическое и физическое моделирование системы управления кластером АИЭ. На рис. 6 представлена структурная схема многопроцессорной системы управления МЭК, с суммированием на постоянном токе.

Рис. 6. Структурная схема многопроцессорной системы управления МЭК с суммированием на постоянном токе.

|)|1Еиб|1|||ВММГЫЬ

Рис. 7. Структурная схема многопроцессорной системы управления МЭК при суммировании на переменном токе.

На рис. 7 представлена структурная схема многопроцессорной системы управления МЭК с суммированием на переменном токе. Здесь также каждая индивидуальная система альтернативных источников (кластер СЭГ, ВЭГ, БЭГ) управляется и регулируется отдельной системой управления (СУ), цель которой обеспечивать максимальную эффективность ее работы. Однако, все микропроцессоры играют роль не только главных, но и резервных. Каждая система управления в штатном режиме управляется независимым микропроцессором, имеющим функцию мониторинга за работой, по крайней мере, еще одного микропроцессора через шины передачи сигналов. В таком случае, если какой-то микропроцессор выходит из строя, система управления сразу же заменит этот микропроцессор другим микропроцессором, который продолжает выполнять функции вышедшего из строя микропроцессора.

На рис. 8 представлена структурная схема многопроцессорной системы управления МЭК при использовании цифровой системы

возбуждения синхронного генератора (СГ). Цифровая системы возбуждения СГ управляет СГ, которые связаны с ветровыми турбинами и биотурбинами. Она сама управляется микроконтроллером 2 с помощью параметров, которые формируются цифровой ФАПЧ. С целью согласования управляемого инвертора с сетью используется фильтро-согласующее устройство (ФСУ). Для контроля за количеством энергии, поступающей в сеть и обратно, используется реверсивный счетчик, расположенный последовательно перед сетью.

На физической модели для реализации многопроцессорной системы управления кластером учитываются параметры среды, такие как скорость ветра, освещенность, величина и характер нагрузки, а также внутренние параметры МЭК - температура охлаждающей жидкости, давление биогаза, температура батарей, состояние аккумулятора,' частота и фаза и амплитуда выходного напряжения и.т.д; Для физического моделирования использован микроконтроллер PIC16F887, реализованный на плате ME-EASYPIC6. Для вывода результатов и процессов системы управления используются установленные светодиоды и жидкокристаллический дисплей (ЖКИ) ME-LCD 2X16, установленный на плате.

Анализ результатов физического моделирования для МЭК подтверждает правильность предложенных решений. Разработанные алгоритмы обеспечивают эффективное управление МЭК в кластерном режиме с оптимальным перераспределением мощностей. Результаты физического моделирования соответствуют теоретическим положениям и данным, полученным в процессе математического моделирования.

Основные результаты работы В соответствии с целями и задачами представленной диссертационной работы были получены следующие результаты:

- разработана и предложена концепция управления, обеспечивающая повышения эффективности элементов многофункционального энергетического комплекса на 5-14 %, а с использованием режима когенерации до 32 %;

- предложена система перераспределения потребляемой от различных источников энергии мощности, включающая в себя систему управляемых выпрямителей с суммированием и фазовой автоподстройкой частоты, для максимального производства электрической энергии от альтернативных источников при различных условиях эксплуатации;

- разработана математическая модель системы управляемых выпрямителей, позволяющая суммировать энергию разных альтернативных источников энергии;

- разработана архитектура многофункционального энергетического комплекса, использующего систему управляемых выпрямителей;

- предложена математическая модель фазовой автоподстройки частоты;

- предложены структурные и функциональные схемы системы . управления МЭК;

- проведено математическое моделирование режимов работы МЭК с использованием разработанных математических моделей;

- проведено математическое и физическое моделирование системы управления МЭК с использованием кита EASYPIC6.

Опубликованные работы по теме диссертации Статьи в журналах из перечня ВАК

1. Щагин A.B., Мо Зо Тве. Математическое моделирование системы управления активным трехфазным мостовым выпрямителем, (журнал «Оборонный Комплекс». Межотраслевой научно-технический журнал № 2. - М.: 2011г., с. 37-43).

2. Мо Зо Тве. Разработка адаптивных алгоритмов управления энергетическим комплексом, (журнал «Оборонный Комплекс». Межотраслевой научно-технический журнал № 4 - М ■ 2011г с 48-50). '

3. Чжо Ту, Мо Зо Тве, Со Лин Маунг, Йе Тун Тэйн Микропроцессорное устройство управления модулем двигателей постоянного тока. «Естественные и технические науки» № 4 2012 г., с. 279-281. '

4. Вей Ян Лвин, Мо Зо Тве, Наинг Лиин Зо. Микропроцессорная система слежения на базе PIC микроконтроллера. «Естественные и технические науки» № 6,2012 г., с. 483 - 484.

Другие публикации

5. Мо Зо Тве. Исследование и разработка преобразования частоты для когенерационной установки мощностью до 200 кВт (Микроэлектроника и информатика. 16-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2009 г., с. 211.).

6. Мо Зо Тве. Исследование характеристик и режимов работы солнечных источников энергии в пакете MATLAB.

(Микроэлектроника и информатика. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2010 г., с. 206).

7. Мо Зо Тве. Математическое моделирование системы управления для управляемого выпрямителя в пакете MATLAB. (Микроэлектронные информационно-управляющие системы и комплексы. Международная научная школа для молодежи. - М.: МИЭТ, 2010 г., с. 102).

8. Мо Зо Тве. Исследование повышения эффективности преобразователей энергии для биоэнергетических установок. (Научная сессия МИФИ-2010. 13-я Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь и наука». - М.: МИФИ, 2010 г., с. 139-140).

9. Мо Зо Тве. Система управления для многофункционального электрического комплекса. (Актуальные проблемы современной науки. Информационно-аналитический журнал № 6 (56) 2010г.,с. 253-254).

10. Мо Зо Тве. Математическое моделирование системы управления для управляемого выпрямителя на IGBT транзисторах в пакете MATLAB. (Научная сессия МИФИ-2011. 14-я Международная телекоммуникационная конференция студентов и молодых ученых «Молодежь и наука». - М.: МИФИ, 2011 г., с. 28).

11. Мо Зо Тве. Разработка структурных и функциональных схем системы управления для многофункционального энергетического комплекса. (Микроэлектроника и информатика. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. -М.: МИЭТ, 2011 г., с. 193).

12. Мо Зо Тве. Автоматическая когенерационная система управления температурой теплоносителей. (Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2011. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция. — М.: МИЭТ, 2011 г., с. 94.).

13. Мо Зо Тве. Адаптивная система управления кластером альтернативных источников энергии. (Микроэлектроника и информатика. 19-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. - М.: МИЭТ, 2012 г., с. 180).

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд.л. /// Тираж <00экз. Заказ. ¿/¿Ъ

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498, г. Москва, Зеленоград, проезд 4806, д.5, МИЭТ.

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИЭТ»

На правах рукописи

04201 Ш?ТВС

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ

Специальность: 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в приборостроении)»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель

Доктор технических наук, профессор

А. В. Щагин.

Москва, 2013г.

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................4

ГЛАВА 1. Анализ альтернативных источников энергии и методов управления их режимами........................................................................16

1.1. Анализ источников энергии на солнечных батареях и методы адаптивного управления их режимами работы............................................19

1.2. Анализ источников энергии, использующих силу ветра и методы повышения их эффективности..........................................................27

1.3. Анализ источников энергии работающих с использованием биомассы и методы управления когенерацией.............................................43

Выводы к главе 1...................................................................................54

ГЛАВА 2. Разработка структурных схем и алгоритмов работы системы автоматического управления многофункциональным энергетическим комплексом...................................................................57

2.1. Зависимость генерируемой мощности от параметров и режимов работы солнечного электрического генератора в составе МЭК.................57

2.1.1. Исследование режимов работы для повышения эффективности СЭГ.....................................................................................63

2.2. Зависимость генерируемой мощности от параметров и режимов работы ветрового электрического генератора в составе МЭК..................69

2.2.1. Принципы повышения эффективности ВЭГ........................74

2.3. Определение зависимости генерируемой мощности от параметров и режимов работы биоэлектрического генератора в составе МЭК...................................................................................................................78

2.3.1. Принципы повышения эффективности БЭГ........................82

2.4. Структурная схема МЭК...............................................................86

2.5. Структурная схема МЭК в кластерном режиме..........................89

2.6. Структурная схема автоматической когенерационной системы управления температурой теплоносителей....................................................95

ГЛАВА 3. Математическое моделирование системы управления многофункциональным энергетическим комплексом.........................102

3.1. Математическое моделирование системы управления управляемым выпрямителем для установления взаимосвязи сети и передачи мощности МЭК..............................................................................102

3.2. Моделирование системы управления ШИМ-инвертором источника напряжения...................................................................................115

3.3. Моделирование системы управления цифровой ФАПЧ..........119

ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования........................121

4.1. Общая характеристика многопроцессорной системы для МЭК

в кластерном режиме......................................................................................121

■ 4.2. Построение и реализация архитектуры многопроцессорной системы управления для МЭК в кластерном режиме.................................123

4.3. Физическое моделирование цифровой системы слежения за солнцем на базе PIC16F887 микроконтроллера..........................................127

4.4. Физическое моделирование перераспределения мощностей МЭК в кластерном режиме с использованием ME-EASYPIC6.................129

Выводы по результатам физического моделирования...................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................................139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................145

ПРИЛОЖЕНИЕ. Б.........................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ В........................................................................147

ПРИЛОЖЕНИЕ Г.........................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Основными глобальными проблемами современного мира являются: загрязнения окружающей среды, ограниченность ресурсов, изменение климата планеты, рост численности населения планеты и.т.д.

Неотъемлемой частью вышеперечисленных глобальных проблем являются энергетические проблемы, которые имеют прямую взаимосвязь со всеми сторонами жизни человечества. Энергетические проблемы очень остро ощущаются во всём мире. Отрасли энергетики разнообразны и их можно охарактеризовать по видам используемых энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро-, ветро-, геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент-температурная, солнечная. Можно сопоставлять эти отрасли по нескольким показателям: экономическим, экологическим, ресурсным, а также по показателям безопасности и некоторым другим. Исходя из этого сравнения, можно прийти к выводу, что энергетика альтернативных источников энергии (АИЭ), как долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений.

В начале 70-х годов прошлого столетия энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.

Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с обеспечением безопасности работы атомных электростанций. Произошедшие аварии на атомных электростанциях в Чернобыле, АЭС «Фукусима» в Японии и ряд

более мелких аварий на других АЭС показали чрезвычайную опасность использования этого вида энергии.

Одним из решений проблемы экономии энергоресурсов является широкое внедрение АИЭ, таких как солнечные электрические генераторы, ветровые электрические генераторы, генераторы электрической энергии работающие на биотопливе и др.

При создании и использовании АИЭ важнейшим вопросом, требующем решения, является вопрос снижения себестоимости и достижения максимальной эффективности. Для достижения высоких характеристик необходимо учитывать особенности эксплуатации альтернативных источников различного типа. Для солнечных электрических генераторов - это световой поток на единицу поверхности солнечной батареи и рабочая температура на поверхности фотоэлементов, для ветрового электрического генератора, скорость и направление ветра, угол атаки и параметры возбуждения синхронной электрической машины, а для электрических биогенераторов - управление процессами брожения, обеспечение оптимальной температуры и давления в реакторе, управление подачей газа и скорости вращения вала турбины.

Для обеспечения электрической энергией удаленных районов, поселков или автономных объектов, представляется целесообразным создание смешанных кластерных систем, включающих в свой состав альтернативные источники или группы альтернативных источников разного типа, работающие под управлением системы, обеспечивающей максимальную эффективность при генерации электрической и тепловой энергии. Подобную систему можно назвать многофункциональным энергетическим комплексом (МЭК).

Создание новых методов и средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей, повышением эффективности работы энергетических комплексов.

Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную максимальную мощность, заданные параметры и быстродействие, обеспечивая управление процессом производства электрической и тепловой энергии альтернативными источниками энергии.

Одним из решений является создание систем управления с использованием современных программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению подсистемами, приводами и механизмами. Использование программируемого контроллера в каждом контуре управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-управляющих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов позволяет оптимизировать работу элементов МЭК в различных режимах и обеспечить эффективное и надежное функционирование МЭК в целом.

Создание высокоэффективных кластеров АИЭ позволяет по-новому решать проблему обеспечения электроэнергией потребителей

расположенных в удаленных, труднодоступных районах и сельской местности. Создание кластеров АИЭ с системой управления нового поколения позволяет ставить вопросы создания локальных электрических сетей, состоящих из мелких и средних генерирующих источников, объединенных между собой и крупными энергосетями с использованием режимов реверсивного потребления. Увеличение эффективности и обеспечение высокого коэффициента автономности МЭК приведет к значительному снижению затрат на создание мощностей и снижению стоимости генерируемой электроэнергии. Работа решает проблему обеспечения максимального коэффициента полезного действия (КПД) для

каждого альтернативного источника входящего в состав МЭК и непрерывного обеспечения автономных потребителей электрической энергией. Применение структуры многопроцессорной автоматической системы управления для управления кластером АИЭ, позволяет реализовать обобщенную концепцию технологического управления и диагностики.

Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.

Целью диссертационной работы является исследование и разработка высокоэффективной системы управления многофункциональным энергетическим комплексом альтернативных источников энергии.

Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:

- исследованию эффективности методов и алгоритмов управления многофункциональным энергетическим комплексом;

- исследованию характеристик фотоэлемента и сети фотоэлементов солнечных батарей, ветротурбин, биогенераторов и синхронного генератора в режимах оптимизации выходной мощности МЭК при вариации параметров АИЭ;

- исследованию передаточных функций системы управления трехфазным управляемым выпрямителем при суммировании электрической энергии от разного типа АИЭ;

- созданию математических моделей системы управления для фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);

- исследованию передаточных функций системы управления ФАПЧ для сопряжения МЭК с другими источниками электрической энергии (т.е. с сетью);

- созданию математических моделей системы управления трехфазным управляемым выпрямителем;

- созданию математической модели системы управления кластером АИЭ различных видов;

- разработке архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК, обеспечивающей оптимальное перераспределение выходных мощностей АИЭ;

- созданию физической модели перераспределения мощностей МЭК для реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;

- разработке структурных и функциональных схем системы управления МЭК;

- разработке адаптивных алгоритмов управления МЭК;

- разработке методов обеспечения резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

- разработана и предложена концепция управления энергией, потребляемой от различных альтернативных источников, обеспечивающая высокую эффективность и экономию использования энергоресурсов, и максимальный КПД;

- предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданной выходной мощности;

- предложена система перераспределения потребляемой от различных АИЭ мощности, включающая в себя системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ для непрерывного производства электрической энергии;

- предложены структурные и функциональные схемы системы управления МЭК;

- разработаны математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ;

- проведено математическое моделирование режимов работы МЭК с использованием разработанных математических моделей;

- предложен метод резервирования функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;

- разработана и реализована физическая модель для исследований режимов перераспределения мощностей МЭК при реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;

- предложены варианты построения архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;

- разработаны адаптивные алгоритмы управления МЭК;

- предложены алгоритмы управления резервной функцией.

Практическую значимость работы имеют;

- разработанные методы и алгоритмы управления МЭК, обеспечивающие высокую эффективность использования энергоресурсов альтернативных источников энергии;

- результаты математического моделирования характеристик автоматических устройств управления процессом производства электрической энергии;

- разработанная структурная схема многопроцессорной системы управления с резервной функцией, позволяющая повысить вероятность безотказной работы системы управления;

- разработанная физическая модель для отработки режимов перераспределения генерируемых мощностей различными альтернативными источниками в составе МЭК;

- результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ.

Достоверность и обоснованность. Достоверность полученных результатов обеспечивается высокой степенью совпадения результатов математического и физического моделирования.

Личный вклад автора. Все основные результаты получены автором лично. Главными из них являются:

- разработанная и предложенная концепция управления мощностью, потребляемой от различных альтернативных источников энергии, обеспечивающая повышения эффективности элементов многофункционального энергетического комплекса на 5-14 %, а с использованием режима когенерации до 32 %;

- предложенная система перераспределения мощности, потребляемой от различных источников энергии, включающая в себя систему управляемых выпрямителей с суммированием и фазовой автоподстройкой частоты, для максимального производства электрической энергии от альтернативных источников при различных условиях эксплуатации;

- разработанная математическая модель системы управляемых выпрямителей, позволяющая суммировать энергию разных альтернативных источников энергии;

- разработанная архитектура многофункционального энергетического комплекса, использующего систему управляемых выпрямителей;

- предложенная математическая модель фазовой автоподстройки частоты.

- предложенные структурные и функциональные схемы системы управления МЭК;

- проведенное математическое моделирование режимов работы МЭК с использованием разработанных математических моделей;

- проведенное математическое и физическое моделирование системы управления МЭК с использованием кита ЕА8УР1С6.

Научные положения, выносимые на защиту

- архитектура системы управления МЭК, обеспечивающая высокую эффективность использования энергоресурсов (альтернативных источников энергии), максимальный КПД и высокую надежность;

- структурные и функциональные схемы системы управления МЭК с использованием специальных датчиков и системы оперативного контроля;

- математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ для обеспечения работы МЭК в сетевом режиме;

- структуры адаптивных многопроцессорных систем управления МЭК с использованием управляемых выпрямителей и распределенной системы инверторов в режиме генерации максимальной мощности;

- предложенные методы и алгоритмы функционирования многопроцессорной системы управления с обеспечением резервной функции при отказе любого микропроцессора;

- результаты физического моделирования перераспределения генерируемых мощностей МЭК.

Апробация работы. Основные результаты диссертации

докладывались и обсуждались на ря�