CC BY
28
УДК 621.3.052 DOI: 10.17213/0321-2653-2014-6-44-47
АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ © 2014 г. П.Г. Колпахчьян, Б.Н. Лобов, А.М. Аль Джурни Рагхад, А.А. Гуммель
Колпахчьян Павел Григорьевич - д-р техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Электрические машины и аппараты», Ростовский государственный университет путей сообщения. E-mail: kolpahchyan@mail.ru
Лобов Борис Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: blobov@yandex.ru
Аль Джурни Рагхад Али Маджид - аспирант, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: raghadali276@yahoo.com
Kolpakhchyan Pavel Grigoryevich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, head of department «Electrical Machinery and Apparatus», Rostov State Transport University. E-mail: kolpahchyan@mail.ru
Lobov Boris Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Electromechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: blobov@yandex.ru
Al Dzhurni Raghad Ali Majid - post-graduate student, department «Electromechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: ragha-dali276@yahoo. com
Hummel Andrew Arturovich - Software Engineer, department «Electromechanics and Electric Devices», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI). E-mail: gummel@ram-bler.ru
Гуммель Андрей Артурович - инженер-программист, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. E-mail: gummel@rambler.ru
Выполнен анализ возможных структур фотоэлектрической системы (ССЭ), в результате которого установлено, что схема ССЭ с одним комбинированным преобразовательным устройством может быть использована только для систем малой мощности. ССЭ со вспомогательной линией повышенного напряжения постоянного тока может применяться для систем любой мощности, но, как и первая система, имеет низкие показатели по надёжности электроснабжения. Применение ССЭ с преобразователями, подключающими ФЭП напрямую к распределительной сети, нецелесообразно, так как снижает надежность электроснабжения и затрудняет расчет и координацию устройств защитного отключения. Предложены основные принципы построения ССЭ, в соответствии с которыми рациональной является схема ССЭ, состоящая из нескольких подсистем, вспомогательной линии постоянного напряжения и общего инвертора для подключения к распределительной сети через распределительное устройство, расположенное в центре сосредоточения нагрузок. Ключевые слова: фотоэлектрическая система; комбинированное преобразовательное устройство; распределительная сеть; надежность электроснабжения; вспомогательная линия постоянного напряжения; автономный инвертор напряжения; контроллер заряда - разряда аккумуляторной батареи.
The analysis of the structure of a photovoltaic system (SSA), in which established that the SSA scheme combined with a transducer device can only be used for low power. SSA with an auxiliary line of high DC voltage can be applied to systems of any size, but like the first system is low on power supply reliability. The use of SSAs with transmitters connect FEP on-line to the distribution network, it is impractical, as it reduces the reliability of power supply and makes it difficult to calculate and coordination of protective devices. Proposed the basic principles of the SSA, whereby a rational scheme SSA consists of several subsystems, the auxiliary constant voltage line and a common inverter for connection to a distribution network via a dispenser, located in the center of concentration of stresses. Keywords: PV system; the combined conversion device; the distribution network; the reliability of power supply; auxiliary line DC; standalone voltage inverter; charge controller; battery discharge.
Как правило, системы солнечной энергетики (ССЭ) создаются на основе готовых фотоэлектрических панелей (ФЭП). Необходимость применения значительного количества панелей для получения мощности в сотни и тысячи киловатт требует применения такой структуры ССЭ, которая позволила бы обеспечить наилучшие энергетические показатели, долговечность и надежность электроснабжения.
Известны несколько подходов к созданию структуры ССЭ. Наиболее простой является структура системы, представленной на рис. 1 и 2. Фотоэлектрические панели подключаются к преобразователю постоянного напряжения (ППН), также выполняющего
функции контроллера заряда - разряда аккумуляторной батареи (АКБ). От него получает питание автономный инвертор напряжения (АИН), выход которого подключен к распределительной электрической сети. Его назначением является преобразование электроэнергии к виду, требуемому потребителями. На рис. 1 показан случай трехфазной сети с нейтралью, но, в ряде случаев, также возможно применение однофазной сети переменного напряжения.
Как было указано, в рассматриваемой системе фотоэлектрические панели соединяются с преобразователем постоянного напряжения напрямую. С учетом сравнительно низкого отдаваемого ими напряжения по соеди-
нительным проводам протекает значительный ток. Поэтому уже при относительно небольшой протяженности кабельных линий (10 - 20 м) в них будет происходить существенное падение напряжения, вызывающее потери энергии и снижение КПД системы. По этим причинам такая структура является рациональной только для ССЭ небольшой мощности, где размеры пространства, занятого панелями, незначительны и, следовательно, невелика длина проводов, соединяющих ФЭП с системой преобразования электроэнергии.
\ N \
4 N ч N ч \ 4
4 с N ^ с N ч с N " С
ч m
© © © ©
+ - + - • • • ч + -
ППН
_ ф
АИН
АКБ
|
■A
■ B C
■ N
~ 380 В, 50 Гц Распределительная сеть
Рис. 1. Структура ССЭ с одним преобразователем электроэнергии
При увеличении мощности станции с рассматриваемой структурой для сокращения падения напряжения и потерь в проводах необходимо значительное увеличение их сечения, что существенно удорожает систему и усложняет ее монтаж.
Проблема снижения потерь мощности в линии электропередачи без увеличения сечения проводов может быть решена только за счет повышения напряжения в линии [1, 2]. Поскольку увеличение напряжения ФЭП больше 36 В или 48 В невозможно по технологическим причинам, повышение напряжения должно выполняться статическими полупроводниковыми преобразователями (контроллерами ФЭП), размещаемыми в непосредственной близости от панелей (групп панелей). Тогда передача электроэнергии от ФЭП для дальнейшего преобразования к виду, требуемому для отдачи в распределительную сеть, будет осуществляться по вспомогательной линии повышенного напряжения постоянного или переменного тока.
Выбор постоянного или переменного тока для вспомогательной линии повышенного напряжения обусловлен следующими факторами. Применение переменного тока промышленной или повышенной частоты увеличивает сложность контроллеров ФЭП,
поскольку появляется необходимость введения в их структуру инвертора для преобразования постоянного напряжения в переменное. В результате повышается стоимость этих устройств и ССЭ в целом. Также возникают сложности с синхронизацией большого количества преобразователей, работающих параллельно на одной линии. Поэтому целесообразно сделать выбор в пользу применения постоянного тока во вспомогательной линии повышенного напряжения. Величина напряжения в линии не должна превышать 1000 В, так как в противном случае возникают проблемы с прокладкой и эксплуатацией высоковольтных проводов, применением высоковольтных коммутационных и защитных электрических аппаратов.
Структура ССЭ со вспомогательной линией повышенного напряжения постоянного тока приведена на рис. 2.
\ \ \
ч N ч N Ч \ 4
- С \ - С N - С \ - с
ч m
© + - © + - • • • © + - © + -
1 1 1 1 1 1 1 L
= / = / = / = /
К 1 КП КП КП
< * ✓ * < * <
КАКБ
ППН
_ Ф-
АКБ
Линия постоянного тока
АИН
1
■A ■B
C ■ N
~ 380 В, 50 Гц Распределительная сеть
Рис. 2. Структура ССЭ со вспомогательной линией повышенного напряжения постоянного тока
В ССЭ с такой структурой все устройства системы соединены со вспомогательной линией повышенного напряжения постоянного тока, по которой осуществляется передача электроэнергии между ними. Отдельные ФЭП или их группы подключаются к этой линии через контроллер фотоэлектрической панели (КП), в функции которого входит не только повышение напряжения, но и оптимизация отбора мощности от панелей. Аналогично, АКБ подключаются к линии повышенного напряжения через контроллер аккумуляторной батареи (КАКБ), в функции которого входит не только согласование напряжения АКБ и линии, но и обеспечение оптимального режима ее заряда и разряда. Питание распределительной сети осуществляется АИН, который подключен к вспомогательной ли-
нии через преобразователь постоянного напряжения в постоянное (ИНН), обеспечивающий согласование уровней напряжения в линии и на входе АИН и стабилизацию напряжения на входе АИН.
В качестве альтернативы ССЭ со вспомогательной линией постоянного тока можно рассмотреть систему со структурой, где передача электроэнергии от ФЭИ осуществляется непосредственно через распределительную систему. Структура такой системы приведена на рис. 3.
\
ч \ ч
4 с N 4 С
4 о 4 о
е + - е + -
= / = /
КП К 1
^ * / *
= / = /
АИН АИН
/ * /
\
ч N ч
4 с \ 4 с
4 о 4 о
е + - е + -
= / = /
К 1 К 1
^ * ^ *
= / = /
АИН АИН
/ * / *
A B
C
N
КАКБ
~ 380 В, 50 Гц Распределительная сеть
АКБ
Рис. 3. Структура ССЭ с передачей электроэнергии через распределительную сеть
В ней отсутствует выделенный преобразователь (инвертор) для получения трехфазного переменного напряжения, а все устройства ССЭ, такие как ФЭИ и АКБ, через статические преобразователи подключаются непосредственно к распределительной сети параллельно с электроприемниками. В рассмотренной структуре функции контроллера панели (КИ), обеспечивающего оптимизацию отбора мощности от ФЭИ и повышение напряжения, и автономного инвертора напряжения (АИН), синхронизированного с распределительной сетью, выполняет одно устройство. Оно может располагаться в непосредственной близости от ФЭИ для минимизации длины проводов низковольтной части системы. Аналогично выполняется и контроллер заряда - разряда аккумуляторной батареи, в состав которого также включается инвертор для взаимодействия с трехфазной распределительной сетью.
В структуре ССЭ с прямым подключением панелей (рис. 1) и ССЭ со вспомогательной линией постоянного напряжения (рис. 2) показан один АИН, питающий распределительную сеть. В случае необходимости его отключения или выхода из строя электроснабжение потребителей будет нарушено. В реальных системах электроснабжения такая ситуация считается недопустимой в случае, когда имеются потребители первой или второй категории [3, 4]. Поэтому, также как и в случае применения силовых трансформаторов, требуется использование в системе параллельно двух
АИН с тем расчетом, чтобы прекращение по каким-либо причинам работы одного из них не приводило к нарушению электроснабжения потребителей. Мощность каждого АИН должна позволять осуществлять питание всех потребителей сети. В отличие от силовых трансформаторов, которые в течение длительного времени могут работать с перегрузкой до 120 - 140 % [5, 6], АИН на базе силовых полупроводниковых приборов в состоянии выдавать мощность выше номинальной на 10 - 20 % в течение нескольких минут [7]. Иоэтому в нормальном режиме коэффициент загрузки по мощности АИН должен составлять не более 60 %, что ведет практически к удвоению установленной мощности преобразователей.
Еще одним недостатком систем со структурой, показанной на рис. 1 и 2, является значительная установленная мощность устройств преобразования электроэнергии к виду, необходимому для подключения к распределительной сети. С учетом сравнительно низкого напряжения в ней (380 В) ИНН и АИН должны быть рассчитаны на значительные токи, что требует применения дорогостоящих силовых полупроводниковых приборов (как правило, ЮВТ-модулей) и существенно увеличивает стоимость ССЭ. Также в этом случае возрастают потери в проводниках распределительной сети, так как расположение преобразователя может быть неоптимальным относительно центра сосредоточения нагрузок. Иоэтому оправданным является разделение одного преобразователя на несколько, имеющих меньшую мощность, расположенных в различных точках распределительной сети здания вблизи от центров сосредоточения нагрузок [8 - 10].
Использование для передачи электроэнергии, вырабатываемой и потребляемой устройствами ССЭ, распределительной сети здания (рис. 3) позволяет упростить структуру энергетической системы и избежать значительного увеличения установленной мощности преобразовательных устройств. Однако и она не лишена недостатков. Иодключение к распределительной сети значительного количество источников электроэнергии малой мощности, с нестабильной выработкой, затрудняет расчет устройств оперативного и защитного отключения, создает проблемы с обеспечением устойчивости работы сети. В случае, когда участок распределительной сети в результате планового или аварийного отключения оказывается отделен от системы электроснабжения, подключенные к нему ФЭИ и АКБ также оказываются выведенными из работы. Это негативно сказывается на надежности и эффективности работы ССЭ, поэтому применение рассматриваемой структуры системы, как правило, нецелесообразно.
С учетом достоинств и недостатков рассмотренных структур ССЭ, рациональной представляется построение системы в соответствии со следующими принципами. В общей структуре системы целесообразно выделить несколько подсистем, включающих в себя ФЭИ с контроллерами отбора мощности, АКБ с контроллерами заряда и разряда и инвертора. Иереда-ча электроэнергии в пределах подсистемы должна осуществляться на повышенном напряжении, с помо-
щью вспомогательной сети постоянного тока. Взаимодействие с распределительной сетью осуществляется с помощью инвертора, который получает питание от вспомогательной сети постоянного тока. Местом подключения инвертора целесообразно выбрать одно из распределительных устройств, что позволит избежать подключения к линиям, непосредственно питающим потребителей, и вмешательства в работу защиты.
Предложенная структура объединяет достоинства рассмотренных ранее систем. Она позволяет, с одной стороны, минимизировать потери электроэнергии из-за ее передачи на низком напряжении. С другой стороны, точки сопряжения с распределительной сетью распределены по системе электроснабжения и могут быть приближены к центрам сосредоточения нагрузок.
Окончательно структура и мощность отдельных подсистем ССЭ должны определяться с учетом мощности энергосистемы, места расположения ФЭП и конфигурации системы электроснабжения здания.
Статья подготовлена по результатам работы, полученным в рамках исполнения проекта № 2829, реализуемого в рамках базовой части государственного задания № 2014/143.
Литература
1. Барыбин Ю.Г., Федоров Л.Е., Зименков М.Г. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования. М., 1991. 464 с.
2. Электроснабжение жилых и общественных зданий. Нор-
мы проектирования // Ведомственные строительные нормы ВСН 59-88 / Государственный комитет по архитектуре и градостроительству при Госстрое РФ. М., 1996.
3. ПУЭ. Правила устройства электроустановок. М., 2010. 488 с.
4. Надтока И.И., Федоров В.А., Демура А.В., Морхов А.Ю., Михайлов В.В., Чукавов А.С., Голикова Е.В., Гуменюк В.В. Повышение надёжности электроснабжения при внедрении межсетевого распределённого автоматического включения резервного питания // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 134 - 135.
5. Ополев Г.Н. Схемы и подстанции электроснабжения: справочник; учеб. пособие. М., 2006. 480 с.
6. Григорьев В.И., Киреева ЭА., Миронов ВА., Чохонелидзе А.Н. Электроснабжение и электрооборудование цехов. М., 2003. 246 с.
7. Браун М. Источники электропитания. Расчёт и конструирование.: пер. с англ. Киев, 2007. 288 с.
8. Надтока И.И., Павлов А.В., Новиков С.И. Проблемы расчёта электрических нагрузок коммунально-бытовых потребителей микрорайонов мегаполисов // Изв. вузов. Электромеханика. 2013. № 1. С. 136-138.
9. Кувакин П.З., Рубин В.И., Надтока И.И., Демура А.В., Разогреев В.Г., Санджимитбин В.Д. Краткосрочная оптимизация распределения нагрузки между электростанциями в системе // Изв. вузов. Электромеханика. 2003. № 5. С. 80 - 82.
10. Надтока И.И., Демура А.В., Губский С.О., Ваколюк А.Я., Горбачев В.В. Прогнозирование электропотребления с учётом температуры воздуха и естественной освещённости для региональных диспетчерских управлений // Вестн. Самарского гос. техн. ун-та. Техн. науки. 2012. № 1 (33). С. 156 - 161.
References
1. Barybin Yu.G., Fedorov L.E., Zimenkov M.G. Spravochnik po proektirovaniyu 'elektricheskih setej i 'elektrooborudovaniya [Handbook on design of electrical networks and electrical equipment]. Moscow, 1991, 464 p.
2. 'Elektrosnabzhenie zhilyh i obschestvennyh zdanij. Normy proektirovaniya [The supply of residential and public buildings. Design standards]. Vedomstvennye stroitel'nye normy VSN 59-88. Gosudarstvennyj komitetpo arhitekture i gradostroitel'stvu pri Gosstroe RF [Departmental building codes VSN 59-88. State Committee for architecture and city planning at Gosstroy of the Russian Federation]. Moscow, 1996.
3. PUE. Pravila ustrojstva 'elektroustanovok [PUE. Rules for electrical installation]. Moscow, 2010, 488 p.
4. Nadtoka I.I., Fedorov V.A., Demura A.V., Morhov A.Yu., Mihajlov V.V., Chukavov A.S., Golikova E.V., Gumenyuk V.V. Povyshenie nadezhnosti 'elektrosnabzheniya pri vnedrenii mezhsetevogo raspredelennogo avtomaticheskogo vklyucheniya rez-ervnogo pitaniya [The increase of power supply reliability when implementing a distributed firewall automatically turn on backup power]. Izv. vuzov. Elektromehanika, 2013, no. 1, pp. 134 - 135.
5. Opolev G.N. Shemy i podstancii 'elektrosnabzheniya: spravochnik; ucheb. posobie [Schemes and substation power supply: reference studies. the allowance]. Moscow, 2006, 480 p.
6. Grigor'ev V.I., Kireeva 'E.A., Mironov V.A., Chohonelidze A.N. Elektrosnabzhenie i 'elektrooborudovanie cehov [Electricity and electrical shops]. Moscow, 2003, 246 p.
7. Braun M. Istochniki 'elektropitaniya. Raschet i konstruirovanie. Per. s angl [Calculation and design. TRANS from English]. Kiev, 2007, 288 p.
8. Nadtoka I.I., Pavlov A.V., Novikov S.I. Problemy rascheta 'elektricheskih nagruzok kommunal'no-bytovyh potrebitelej mikrora-jonov megapolisov [The problem of calculating the electric loads of residential consumers districts of cities]. Izv. vuzov. Elek-tromehanika, 2013, no. 1. pp. 136-138.
9. Kuvakin P.Z., Rubin V.I., Nadtoka I.I., Demura A.V., Razogreev V.G., Sandzhimitbin V.D. Kratkosrochnaya optimizaciya raspredeleniya nagruzki mezhdu 'elektrostanciyami v sisteme [Short-term optimization of load distribution between the power plants in the system]. Izv. vuzov. Elektromehanika, 2003, no. 5, pp. 80 - 82.
10. Nadtoka I.I., Demura A.V., Gubskij S.O., Vakolyuk A.Ya., Gorbachev V.V. Prognozirovanie 'elektropotrebleniya s uchetom temperatury vozduha i estestvennoj osveschennosti dlya regional'nyh dispetcherskih upravlenij [Gorbachev centuries Forecasting of energy consumption with respect to temperature of air and natural light for the regional control offices]. Vestn. Samarskogo gos. tehn. un-ta. Seriya Tehn. Nauki, 2012, no. 1 (33), pp. 156 - 161.
Поступила в редакцию 29 сентября 2014 г.
