В работе представлены принципы моделирования преобразовательных устройств для микрогидроэлектростанций, позволяющие подключать накопители электрической энергии.
Определены требования, предъявляемые к выпрямителям и инверторам, для обеспечения надлежащего качества электроэнергии.
Разработаны компьютерные модели силовых преобразователей и энергетического комплекса на базе этих устройств.
Ключевые слова: микрогидроэлектростанция, накопитель электроэнергии, экономическая эффективность, электроснабжение.
Анализ установленных мощностей небольших автономных поселков установленной мощностью до 100 кВт показал перспективность построения системы накопителя электроэнергии (НЭ) по модульному принципу [1].
При этом целесообразнее использовать отдельные модули мощностью 5, 10, 20 кВт. Модули должны допускать возможность параллельной синхронизированной работы в системе, а управление таким комплексом должно осуществляться по типу «ведущий ведомый».
Силовые преобразователи в гибридных энергетических системах выполняют следующие функции:
– осуществляют преобразование электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока с малыми потерями и в широком диапазоне изменений параметров (частоты, амплитуды) входных трехфазных переменных напряжений, поступающих с синхронных генераторов. Данная функция реализуется выпрямителем, иногда называемом конвертером;
– обеспечивают коррекцию коэффициента мощности в сети переменного тока для повышения энергетической эффективности работы генераторов, первичных источников энергии;
– осуществляют преобразование электрической энергии постоянного тока в энергию трехфазного переменного тока с малыми потерями в широком диапазоне нагрузок. Данная функция реализуется в трехфазном инверторе постоянного напряжения в переменное напряжение;
– участвуют в перераспределении потоков энергии между источниками электроэнергии, накопителем электроэнергии и объектом электроснабжения;
– предотвращают аварийные режимы работы системы.
Особенностью работы конвертора является широкий диапазон изменения входных параметров переменного напряжения, как по амплитуде, так и по частоте, обусловленный переменной скоростью вращения ротора электрического генератора. В тоже время величина выходного напряжения постоянного тока должна оставаться неизменной в допустимом диапазоне нагрузок. Одна из наиболее простых схем конвертора приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Конвертор на основе неуправляемого выпрямителя и повышающего импульсного преобразователя
Конвертор состоит из сетевого фильтра на элементах Li1Ci (i = a, b, c), улучшающего форму входного переменного напряжения, накапливающих энергию дросселей Li2, неуправляемого мостового выпрямителя, ключа на основе биполярного транзистора с изолированным затвором, диода и накапливающего энергию конденсатора Cd. Транзистор работает в импульсном режиме с постоянной частотой преобразования. Для создания сигнала управления затвором используется широтно-импульсный модулированный (ШИМ) сигнал. Диод блокирует нагрузку и накапливающий конденсатор, когда транзистор открыт. При этом происходит накопление энергии дросселями Li2. Ток в нагрузке при этом поддерживается только за счет энергии, запасенной в конденсаторе Cd.
ISSN 1811-1858. Вестник ПГУ
Когда транзистор закрыт, происходит передача энергии запасенной в дросселях Li2 в нагрузку. ЭДС самоиндукции суммируется с выходным напряжением и энергия, запасенная в дросселях, подзаряжает конденсатор.
При этом выходное напряжение Udc может стать больше.
Значение выходного напряжения конвертора определяется по формуле 1
dc u1 F
U K U
= D
− ,
где Kи – коэффициент передачи неуправляемого выпрямителя по напряжению;
D = tи / T– коэффициент заполнения; T – период коммутации; tи время открытого состояния транзисторного ключа.
Система управления конвертором строится по типу следящей системы с отрицательной обратной связью. Выходное напряжение Udc сравнивается с управляющим опорным (эталонным) напряжением, формируется сигнал рассогласования, который посредством ШИМ преобразуется в импульсный сигнал управления транзисторным ключом. Обратная связь может замыкаться и по выходному току или быть комплексной.
Для улучшения коэффициента мощности схемы в систему управления вводится дополнительный контур управления. Для определения фазового угла между входным напряжением и током в фазных цепях устанавливаются датчики тока и напряжения. Обычно управление ведется в dq координатах, путем выполнения преобразований
1/ 2 1/ 2 ( )
( ) 2 1 ( )
( ) 3 0 3 / 2 3 / 2 ( )
a b c
i t i t i t i t
i t
α β
− −
= ⋅
−
и
cos sin
sin cos
d q
i i
i i
α β
ϑ ϑ
ϑ ϑ
= ⋅
−
,
где ϑ ω= t – угол поворота вращающейся системы координат с частотой.
Следует отметить, что только по две из трех переменных ia (t), ib (t), ic (t) и являются независимыми. Это позволяет уменьшить количество датчиков тока и напряжения.
Тогда мгновенные мощности будут определяться выражением
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
u t u t i t p t
u t u t i t q t
α β α
α β β
= ⋅
−
.
Управление ведется исходя из условия равенства нулю мгновенной реактивной мощности q(t). Сложность заключается в том, что в данном случае частота ω не является постоянной. Поэтому, чтобы выполнить преобразования координат, контур системы управления должен содержать узел фазовой автоподстройки частоты.
На основании вышесказанного в среде Simulink пакета MatLab создана имитационная модель конвертора (преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение). Структура имитационной модели преобразователя приведена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Модель конвертера
Инвертор напряжения предназначен для преобразования постоянного напряжения поступающего с шины постоянного тока (ШПТ) в трехфазное переменное напряжение (400 В, 50 Гц), удовлетворяющее требованиям ГОСТ. Трехфазные инверторы строятся по разнообразным схемам.
Одна из наиболее распространенных схем – трехфазный управляемый посредством ШИМ мост на транзисторах (рисунок 3). Учитывая жесткие требования к качеству выходного напряжения, в последнее время перспективными являются схемы многоуровневых инверторов. Также возможна схемная реализация трехфазного инвертора на основе трех однофазных преобразователей. Последний вариант предпочтителен для объектов автономного электроснабжения малой мощности с относительно
80 ISSN 1811-1858. Вестник ПГУ серия ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ. 2015. №3 81 небольшим числом электроприемников, вследствие чего возможен сильно
несимметричный режим работы сети.
Рисунок 3 – Трехфазный мостовой транзисторный инвертор
Для проведения имитационного моделирования с целью отработки алгоритмов управления автономным энергетическим комплексом создана модель автономного инвертора напряжения на основе трехфазного транзисторного моста управляемого посредством пространственной векторной ШИМ (рисунок 4).
Рисунок 4 – Модель трехфазного автономного инвертора напряжения Реализация компьютерных моделей силовых преобразователей для микрогидроэлектростанции позволяет создать комплексные модели автономного генерирующего комплекса в целом [2]. На рисунке 5 представлена комплексная модель автономной микрогидроэлектростанции с накопителем электрической энергии, подключаемого с помощью силовых преобразователей.
Следует отметить, что установка источников электроэнергии осуществляется посредством вставки постоянного тока. Модель позволяет при необходимости устанавливать дополнительные модели
установок возобновляемой энергетики, например, ветроэнергетические, фотоэлектрические установки и т.п.
Разработанная имитационная модель автономного энергетического комплекса не лишена недостатков. Она достаточно хорошо позволяет исследовать режимы на временных интервалах исчисляющихся сотнями – тысячами секунд, то есть исследовать динамические процессы в системе.
При более длинных интервалах исследования время вычислений и объем генерируемых данных становятся слишком большими. Для этих случаев целесообразно использовать энергетическую модель системы.
Рисунок 5 – Комплексная модель автономной микрогидроэлектростанции с накопителем электрической энергии
ISSN 1811-1858. Вестник ПГУ
Работа выполнена в рамках гранта РФФИ №14-08-90106 на тему
«Исследование и разработка систем управления микрогидроэлектростанции для электроснабжения автономных потребителей».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Обухов, С. Г., Плотников, И. А., Сарсикеев, Е. Ж. Буферная система накопления электроэнергии для возобновляемой энергетики //
Международный научный журнал Альтернативная энергетика и экология.
– 2012. – № 9. – С. 137-141.
2 Лукутин, Б. В., Сарсикеев, Е. Ж., Шандарова, Е. Б. МикроГЭС со статическим преобразователем частоты // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. – С. 160.
Материал поступил в редакцию 17.08.15.
Б. Лукутин1, Р. Мұстафина2, Е. Сарсикеев3
Электрлік энергияны жинақтайтын инверторлық типті микрогидроэлектрстанциялары үшін күшті түрлендіргіштерді модельдеу
1Томбы саясы техникалық Ұлттық зерттеу университеті, Томбы қ.;
2С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті, Павлодар қ.;
3С. Сейфуллин атындағы агротехникалық университеті, Астана қ.
Материал 17.08.15 баспаға түсті.
B. Lukutin1, R. Mustafina2, Ye. Sarsikeyev3
Simulation of power converters for microhydropower plants of inverter type with electrical power pool-fed
1National research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia;
2S. Toraighyrov Pavlodar State University, Pavlodar, Kazakhstan;
3S. Seifullin Kazakh AgroTechnical University, Astana, Kazakhstan.
Material received on 17.08.15.
Жұмыста инверторлық типті микрогидроэлектрстанциялары үшін электрлік энергияны жинақтаушыларды қосуға мүмкіндік беретін түрлендіргіш құрылғыларды модельдеу қағидалары ұсынылады. Электр энергиясының қажетті сапасын қамтамасыз етуде түзеткіштер мен инверторларға қойылатын талаптар анықталған. Осы құрылғылар негізінде энергетикалық кешен мен күшті түрлендіргіштердің компьютерлік модельдері әзірленген.
The work presents the principles of simulating converter devices for microhydropower plants that allow connection of electrical power pool-feds. It determines requirements to rectifiers and inverters to ensure adequate electrical power. The author developed computer models of power converters and the energy complex based on these devices.
УДК 620.9
А. С. Никифоров1, Е. В. Приходько2
1д.тех.н., профессор, зав. кафедрой «Теплоэнергетика»; 2к.тех.н., доцент, Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова, г. Павлодар