автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Методика расчета переходных процессов в насосных установках с питанием от солнечных батарей

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (технический университет)

А

. На правах рукописи

БУРАНОВ РАВ1ИАН МАМЛРАЖАР^ПИЧ

МЕТОДИКА РАСЧЕТ А ПЕРЕХОДНЫХ Прощпоов В НЛОХ'ШХ УСТАНОВКАХ о ПИТАНИЕМ ОТ СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯ

Специальность 05. 14. 10 Гидроэлектростанции и гидроэнергетические установки и специальность 0Г>. 14. пм Преобразование возобновляемых видов энергии И установки нн их оеноне

Авторе ферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1 Я9.г1

Работа выполнена на кафедре "Гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников". Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель - Академик АБН РФ, доктор технических

наук, профессор

Виссарионов Владимир Иванович Официальные оппоненты - Академик АВН РФ, доктор т-хничес-

Ведушая организация - Всероссийский институт электрификации сельского хозяйства < ВИ^ОО

Зашита состоится " 9 " июня 1995 г. В аудитории Г- 201 в 16 ч. 30 мин. на заседании специализированного Совета К 053. 16. 17 Московского энергетического институте (технического университета)

Адрес: 111250, , Москва, , ул. Красноказарменная,

д. 14, Совет МЭИ.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан " у- Аг&1% 1М5 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета К 053.16. 17

ких, профессор

Вишневский Константин Павлович

Кандидат технических наук, доцент Волшаник Валерий Валентинович

кандидат технических

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из видов успешного применения фотоэлектрических преобразователей является питание ими насосных установок. Такие насосные установки пока имеют небольшую установленную мощность и применяются в основном для подъема воды в отдаленных от энергосистемы районах. Тем самим насосные установки с питанием от солнечных батарей (НУСБ) позволяют частично решить проблему энергообеспечения автономных потребителей.

Повышение эффективности их работы является важной задачей, ращение которой открывает " большую перспективу практического применения. При этом немаловажную роль играет исследование переходных процессов, возникающих в НУСБ.

В установке происходят нормальные и аварийные переходные проце^.-ы. Нормальные переходные процессы происходят при пуске, остановке и при переходах из одного режима в другой. Аварийные переходные процессы происходят при внезапном отключении электродвигателя от источника питания и являются наиболее опасными с точки зрения наде.кной чкеплунгч-

ции. В НУСБ также переходные процессы возникают в результате [.....

изменений интенсивности солнечного излучения.

Изучение переходных процессов в любой установке необходимо и с точки зреьпп уменьшения потерь энергии, и с точки зрения предотвращения отрицательного влияния скачкообразны* изменений некоторых параметров на элементы этой установки.

До сих пор при изучении НУСБ ограничивались рассмотрением их в стационарных режимах.

Существуют совершенные математические модели переходных процесса в отдельных элементах НУСБ, но методика комплексного расчета переходных процессов в НУСБ, которая позволила бы определять изменения параметров установки в динамических режимах, не существует. Отсюда следует необходимость разрлС^гки такой методики.

Целью исследований является разработка методики расчета переходных процессов в насосной установке с питанием от солнечной батареи и реализация ее на ПЭВМ. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- проведен сравнительный анализ существующих методик расчета переходных процессов в насосных установках;

- проведены теоретические исследования режимов насосных установок для выявления характерных особенностей при электропитании их солн^ч ными батареями, которых необходимо учитывать при "'Ч-дании математич-'1-кой модели переходных процессов в НУСБ;

- проведены экспериментальные исследования переходных процессов в НУСБ для проверки результатов расчета по разработанной методике.

Методика проведения исследований. В работе исследование проводилось методами математического моделирования динамических систем.

Проверка основных положений созданной модели осуществлена пут-м вычислительного эксперимента, а также эксперимента на физической модели НУСБ, разработанной в лаборатории кафедры "Гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников" МЭИ (ТУ).

Научная новизна: В диссертационной работе получены следующие результаты:

- разработана методика численного определения вольтамперной характеристики солнечной батареи при изменениях интенсивности солнечной радиации;

- создана математическая модель переходных процессов в солнечной батарее;

- разработана методика расчета переходных процессов в насосной установке с питанием от солнечной батареи при пу-.-:е, останове и при рез-

изменениях интенсивности солнечного излучения-.

- исследовано влияние падения напряжения в обм'" :татора электродвигателя на переходные процессы в насосной установке при пуске.

Практическая ценность и реализация результатов х' ~ы.

Созданные математические модели и разработанная методика расчета переходных процессов в НУСБ используются при решении инженерных задач и при эксплуатации установки, для учета влияния переходных процессов на работу установки.

Аппробация работы. Основные положения и г-зультаты работы до.помены и обсувдены на научных семинарах и заседаниях кафедры "Гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников " МЭИ (ТУ) с 1591 по 1995 годы, на Конференции по использованию возобновляемых источников энергии (г. Сочи, 1993 г.), на Меадународной Научно-технической Конференции "Современные проблемы нетрадиционной энергетики" (Санкт-Петербург, 1994г.) и на Международном " Солнечном форуме " в Германии (г. Штутгарт, 1994 г.).

Публикации. По основным положениям и результатам диссертации опубликовано 7 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 128 страницах машинописного текста, содержит 68 рисунков, 10 таблиц, список использованных источников иг 101 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы задачи исследования, кратко изложено сод^рчяние работы.

В первой главе отражено состояние вопроса применения фотоэлектрических установок (Ф?У) в мировой энергетике. Рассмотрены масштабы и оценена перспектива их применения.

Проведен сравнительный анализ существующих методик расчета переходных процессоь . бычных насосны1' установках.

Несмотря на высокую удельную стоимость электроэнергии, получаемой от ФЭУ, темпы прироста потребления электроэнергии в быту на душу населения таковы, что перспектива широкого использования ФЭУ в крупных масштабах вполне реальна. Применение их позволяет обеспечить реализацию принципа автономности и независимости от энергосистемы. Это д> возможность обеспечивать гибкое использование имеющихся запасов энергии в локальной системе электроснабжения для эффективного решения различных производственных и бытовых задач.

НУСБ является одним из видов успешного применения ТОУ в качеств*-автономного энергоисточника для автономных потребителей в отдаленных от энергосистемы районах.

Повышение эффективности работы НУСБ является важнейшей задачей дальнейших исследований, которая решается улучшением характеристик <=•<=• элементов и согласованием их между собой. При этом немаловажную роль играет учет переходных процессов, которые происходят в НУСБ.

По результатам проведенного анализа и с учетом характерных особенностей насосных установок с питанием от солнечных батарей, сформулированы задачи диссертационной работы.

- б -

Во второй главе приводятся математические модели элементов НУС7. которая состоит из солнечной батареи, электродвигателя, аккумулятор -электроэнергии и центробежного насоса. В случае применения в качестве привода для насоса двигателя переменного тока, в состав НУСБ входи: тагаке преобразователь напряжения.

Здесь также приводится описание базы данных о поступлении солнечного излучения в разные районы СНГ, информация из которой используется в качестве Исходных данных при расчете вольтамперной характеристики ' ВАХ) солнечной батареи и переходных процессов в НУСБ.

Приведено описание разработанной методики численного определение ВАХ СБ, которая позволяет пересчитывать ее в случае измевения интенсивности ролнечной радиации и температурных условий.

ВАХ об выражается нелинейным уравнением вида

где - Фототек элемента:

1в- обратный ток насыщения;

£ - заряд электрона;

- мгновенное значение напряжения на выходе ОБ;

I - мгновенное значение тока СБ;

Кд - последовательное сопротивление;

А„ - фактор, зависящий от солнечной радиации( А-1. 95+0. 002*Ю;

К - постоянная Еольцмана;

Т - температура элементов;

параллельное сопротивление.

Переходные процессы в целях, которые содержат солнечные элементы, описываются обычными дифференциальными уравнениями. Для их аналиг-. были применены методы численного интегрирования. В частном случае, эти дис£ф?ренциальные уравнения, описывающие переходные процессы в СЕ решаются преобразованием методом трапеции на алгебраические (рис. 2).

Для определения характера изменения кривых тока и напряжения на выходе СБ применен так называемый "емкостный" метод, принцип которого в следующем:

К зажимам СБ соединяется конденсатор как нагрузка (рис. 1а}.

В начальный момент, при 1-0, цепь замыкается и записывается и^

менения тока и напряжения на выходе СБ.

Решение следующего дифференциального урньн^нил О дает чннли]и-ческое описание кривых тока и напряжения

где, 12 = - производная по времени от напряжения ;

С - электростатическая емкость конденсатора;

- напряжение на выходе СБ; £ - ток СБ.

Рис. 1. Характер изменений кривых тока и напряжения на выходе СБ.

В частных случаях дифференциальное уравнение, описывающее пере-ные процессы в СБ, может Оьггь решено просто: а) ВАХ СБ имеет идеальную прямоугольную '"'рму (рис. За). Е случае ток до конца процесса остается постоянным и равным номинальному току ¡=1н, а значение напряжения на зажимах СЕ линейно растет по выражению

V - (1/С)*1н*г. . Время переходного процесса равно

Тпп - Ун*0/!н.

б,| При линейной ВАХ СБ (рис. Зб> :

Изменения тока и напряжения на выходе СБ во времени происходят '-ледующим зависимостям.

Рис.2. Аппроксимация кривой V = методом трапеции.

где, К =■ УххЛ-

' •»-кч

, С 4

Так как реальная ВАХ СБ имеет промежуточный вид между прямоугольной и линейной, изменения тока и напряжения во времени тоже име«^ промежуточный характер.

Переходные процессы в асинхронном двигателе описываются следующей

системой уравнений

= __>(5)

- Р/и»с . ( 9 )

ГДе

Т.

3 "

Ьи -

-

Ч«-

-

Х<

т;

5

С

изу

и р

электромеханическая постоянная времени; частота вращения ротора двигателя; электрический момент двигателя; момент сопротивления механизма;

вынужденная составляющая сверхпереходной ЭДС двигателя;

напряжение в обмотке статора электродвигателя;

ПОЛНО»- индуктивное сопротивление оОмиТКИ статора ДБИ1 Ч1-

полное индуктивное сопротивление обмотки ротора дьигш-.'.

при разомкнутой обмотки статора;

электромагнитная постоянная времени;

скольжение ротора двигателя;

свободная составляющая сверхпере'/одной ЭДС двигател»; начальное значение момента сопротивления механизма; коэффициент загрузки двигателя;

установившееся значение частоты вращения ротора двигателя;

номинальное значение коэффициента мощности;

номинальное яначение кпд двигателя;

активная мощность двигателя;

угол между векторами напряжения и ЭДС.

начальные условия

Ц>(о) — ю(-о) Р/ Го) — *< - _

, ( 11 1 , ( 1Г ' , ( 1о )

Гидравлические переходные процессы в насосной установке раечитн ваются по методике, разработанной К П. Вишневским. Для учета изменений напряжения в обмотках статора электродвигателя введены некоторые изменения в программу расчета. Эти изменения, обусловленные изменениями солнечной радиации, приводят к изменению механической хорактериети-ки двигателя, что в свою очередь влияет на гидравлические переходные

процессы в насосной установке.

В третьей главе приведены описания НУСБ, рассматриваемых при расчетах переходных процессов по разработанной методике и при экспериментальных иследоваииях, осуществлен выбор элементов установки и определены их параметры, в частности оптимальная плошдць солнечной батареи, емкость накопителя. Также обоснован выбор и описывается автономный инвертор трехфазного напряжения, предназначенного для преобразования постоянного напряжения в переменное.

Рис. 4. Насосная установка с питанием от солнечной батареи.

1. Фотомодуль. БС-1.

2. Аккумуляторная батарея.

3. Центробежный насос с встроенным двигателем постоянного тока.

4. Блок управления и контроля.

5. Тележка.

Эксперементальная НУСБ (рис. 4) имеет следующие технические данные:

- потребляемая мощность £0 Вт;

- напряжение на выходе СБ - 12 В;

- подача насоса -1.2 л/мин;

- статический напор - 6 м.

Она состоит из фотомодуля типа ВС-1, аккумуляторной батареи (. АБ), центробежного насоса " т ^ым двигателем постоянного тока.

Фотомодуль типа БС-1 преобразовывав г .энергию солнечного излучен,«-' в электрическую и представляет собой последовательно-параллельное динение кремниевых солнечных элементов. Параметры и характеристики фотомодуля позволяют работать в режимах подзарядки АБ, непосредственного электропитания механизма, а также одновременно в перечисленное режимах.

Аккумуляторная батарея включена в буферный режим работы, что П' : -воляет повысить качество электроэнергии. Буферный режим характеризуется следующими особенностями : _

-фотомоду.ль, АБ и насос подключены к общим электрическим шинам установки;

-фотомодуль обеспечивает питание насоса и подзаряд АБ, если солнечной энергии достаточно;

-при недостаточной солнечной энергии насос питается от параллельно работающих Фотомодуля и АБ;

-при очень слабой солнечной радиации К, или при ее отсутствии, питание насоса обеспечивается только АР.

Рис. 6. Вольтамперные характеристики солнечной батареи при разных значениях интенсивности солнечной

радиации Р.

Параметры и характеристики Фотомодуля и АБ согласованы таким образом, что их совместная работа обеспечивает использования оптимальной зоны ВАХ фотомодуля по критерию выдачи максимальной мощности фотомодулем б^з применения регулятора пиковой мощности.

Рис. 8. Блок-схема алгоритма расчета переходных процессов в НУСБ.

к

90

1«т/м>7

и

*

вн

55»

роем

»«п.

й(*] 7." {««•.

о.г

[«т/м'1

Г«™-]

0(4

1г 1*1

I г >4

II 14

(2

2С

•го

6

го

и

Рис. 9. Изменения параметров НУСБ при резких изменениях интенсивности солнечного излучения.

Елок управления и контроля обеспечивает коммутацию фотомодул^ аккумуляторной батареи, насоса, а также необходим для контроля г-. Функционированием установки, включения насоса и предохранения источника от перегрузки при неисправностях в двигателе насоса.

Включенный в схему блока диод предназначен для предотвращении протекания обратного тока от аккумулятора к '{отомодулю при отсутствии облучения.

ВАХ фотомодуля при разных интенсивности* солнечней радиации приведены на рисунке 6.

При расчетах рассматривается НУСБ, которая работает по графику потребления изолированного потребителя.

Плошздь СБ определяется с учетом пусковой мощности двигателя и емкости злектроаккумулятора.

В четвертой главе приведены описания алгоритма расчета переходных процессов в НУСЕ по разработанной методике (рис. 3' и программ, составленных по этому алгоритму.

Приведено описание методики проведения экспериментальных исследований переходных процессов в НУСБ.

Проведен анализ и сопоставление результатов расчета и экспериментальных исследований переходных процессов в НУСБ. что позволяет оценить достоверность результатов расчета по разрабртанной методике и обеспечивает завершенность работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Насосные установки с питанием -,>т солнечных батарей (НУСБ) яскп имеют небольшую установленную моащоеть и применяется ь основном для удовлетворения нужд автономных потребителей. Задачей дальнейших исследований таких уетан'.т.ок является поьыщгние их эффективности, чги открывает для НУСБ большую перспекти?..' практического применения. При эт^и немаловажную роль играет учет переходных процессов в НУСБ при проектировании и эксплуатации для щ.» . ращения их отрицательного воздействия на надежную и эффективную работу установки. В ранее выполнены/ работах по изучению НУСБ ограничивались рассмотрением их только в стационарных режимах.

2. Разработанная методика численного определения вольтамп^рчой характеристики солнечной батареи позволяет пересчитывать эту характеристику при любых изменениях интенсивности солнечного излучения и температуры солнечных элементов, что является преимуществом этого способа перед измерительным, когда р ~чких случаях требуются повторные измерения.

3. Падение напряжения в обмотке статора двигателя до 0. ^*Ин"М, вызивающее изменению механической характеристики двигателя, приводит снижению значений пускового момента двигателя пропорционально

( и 1 /Цо)**?,

, что увеличивает времю разгона, снижает напор установки и уменьшает подачу насоса.

4. Неустойчивый характер поступления солнечной энергии в течение дня требует регулирования и дублирования выходной мощности СБ в том случае, когда НУСБ предназначена для подачи воды не только для орошения, но и для водоснабжения других потребителей.

5. Отклонения результатов расчета переходных процессов в НУСЕ при пуске, останове установки и при резких изменениях интенсивности солнечного излучения от результатов экспериментальных исследований находятся в допустимых пределах ( 5-7"), что подтверждает достоверность разработанной методики.

6. Разработанная методика расчета переходных процессов в насосной установке с питанием от солнечных батарей примененяются при решении инженерных задач. Она позволяет определять диапазоны изменений режимных параметров НУСБ и оценить их влиянию на надежную и эффективную работу установки. При необходимости назначаются мероприятия для уменьшения их отрицательного влияния.

Учет переходных процессов в НУСБ является частью решения задачи повышения эффективности ее работы за счет снижения динамических нагрузок на элементы установки, предотвращения резких изменений силовых воздействий на рабочее колесо и обеспечения безаварийной работы.

7. Результаты диссертационной работы используются в учебном про-

цессе и^в научных исследованиях, соответствующих тематике кафедры " Гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников" МЭИ (ТУ).

Основные положения диссертации опубликованы ь следующих работах:

1. Виссарионов В. И. , Матвиенко Н. И. , Буранов P.M. " Насосная установ ка с питанием от солнечной батареи" //Гидротехническое строительство.

- 1994. - N: 7. С. 18-20.

2. Буранов Р. М. , Виссарионов В. И. "Математическая модель фотоэлектри ческой установки для питания водоподъемного насоса". - МЭИ, М. 19у.~\

- 8с.- Деп. В ВИНИТИ 23.04. 93, N: 1088-В93.

3. Буранов P.M., Виссарионов В. И. "Математическая модель переходных процессов в фотоэлектрической установке для питания водоподъемного насоса". - МЭИ, М. 1993. - 9с. Деп. В ВИНИТИ 23.04.93, N: 1087-В93.

4. Виссарионов Б. И. , Буранов Р. М. "Моделирование переходных процессов в насосной установке с питанием от солнечной батареи" //Конфер. по но пользованию возобновляемых источников энергии: Тез. докл. - Сочи. . 1993. -С. 55-57.

5. Виссарионов В. И. , Матвиенко Н. И. , Буранов Р. М. "Насосная установка с питанием от солнечной батареи" //'Международный солнечный форум-94. Штутгарт. 1994. Т. 2. - С. 201-204. (нем.).

6. Виссарионов В. И. , Буранов Р. М. " Методика расчета переходных при цессов в насосной установке с питанием от солнечной батареи" '' Сов ременные проблемы нетрадиционной энергетики: Тез. докл. межд. науч.-тех. конф. 1-Е сентября 1994г. -.Санкт-Петербург, -С. 82.

7. Виссарионов В. И. . Матвиенко Н. И. , Буранов Р. М. "Насосная установка о питанием от солнечной батареи". - МЭИ, М. 1993. - 12с. Деп. в ВИНИТИ 20. 10. 93, N: 2621-В93.

11од|П[1'лно к мсч.11 и

Поч. л / ZÓ"

111:К)ГП;!(|м!я Ц>1| I, Кр;1П1ок;н;!риеп!1ПЯ. 13.