CC BY
257
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
1
УДК 621.314
ИНВЕРТОРЫ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ
Григораш Олег Владимирович
д.т.н., профессор, заведующий кафедрой,
grigorasch61 @mail.ru
Усков Антон Евгеньевич
Семёнов Ярослав Александрович студент
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар, Россия
В статье рассматриваются структурно-схемные решения систем управления и стабилизации напряжения однофазных мостовых схем инверторов солнечных электростанций с широтноимпульсной модуляцией выходного напряжения и улучшенными техническими характеристиками
Ключевые слова: АВТОНОМНЫЕ ИНВЕРТОРЫ, СОЛНЕЧНЫЕ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ, СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ, СОЛНЕЧНАЯ БАТАРЕЯ, СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
UDC 621.314
SOLAR POWER INVERTER WITH IMPROVED PERFORMANCE
Grigorash Oleg Vladimirovich
Doctor of engineering sciences, professor, head of the
chair, [email protected]
Uskov Anton Evgenevich
Semjonov Jaroslav Aleksandrovich student
Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia
The article discusses the structural and control systems schematics and voltage stabilization in phase bridge circuits solar power inverters with PWM output voltage and improved performance
Keywords: STAND-ALONE INVERTERS,
SOLAR POWER PLANTS, SOLAR PHOTOVOLTAIC INSTALLATION,
SOLAR BATTERY, CONTROL SYSTEM
Отрицательные экологические последствия от использования традиционных источников энергии, а также ограниченный их ресурс привели в настоящее время к глубокому изучению, разработке и внедрению возобновляемых источников энергии [1, 2].
Перспективным направлением является внедрение солнечных электростанций в Краснодарском крае [3, 4].
Известно, что одним из основных функциональных узлов солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) являются автономные инверторы (АИ), которые согласуют электрические параметры солнечных батарей с параметрами, необходимые для нагрузки. Практически от АИ зависят показатели надёжности СФЭУ, в том числе ресурс непрерывной работы [5]. Конструктивно СФЭУ содержит (рисунок 1):
- солнечные батареи (СБ), содержащие фотоэлементы;
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
2
- автономный инвертор (АИ), выполненный на полупроводниковых приборах, как правило, в своей конструкции, содержащий трансформатор;
- аккумуляторные батареи (АБ);
- систему управления и защиты (СУЗ).
Солнечные батареи СБ преобразуют энергию солнечного излучение в электрическую энергию постоянного тока. АИ выполняют три функции: преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока; согласуют уровни напряжения источника с нагрузкой, за счёт трансформаторов, входящих в их конструкцию; стабилизируют напряжение при изменении величины и характера нагрузки. Аккумуляторные батареи в составе СФЭУ выполняют функции резервного источника электроэнергии. Система управления и защиты СУЗ кроме стабилизации напряжения, обеспечивает переход питания нагрузки от СБ к АБ и защиту СФЭУ от аварийных режимов работы [6].
Рисунок 1 - Структурная схема СФЭУ с подключённой нагрузкой Н
Основными недостатками эксплуатируемых АИ в составе СФЭУ являются относительно низкие показатели надёжности и повышенный уровень электромагнитных помех, за счёт наличия силовых электронных приборов [7].
Для улучшения эксплуатационно-технических характеристик АИ в настоящее время существуют несколько направлений:
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
3
- применение однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП);
- применение в конструкции АИ промежуточного звена повышенной частоты;
- совершенствование системы управления силовыми электронными приборами.
Перспективным является направление применения в составе АИ трансформаторов с вращающимся магнитным полем [8, 9]. Важным преимуществом конструкции ТВМП является то, что они позволяют из однофазного напряжения переменного тока получать многофазную симметричную систему напряжений. А это приведёт к исключению трёхфазных АИ и применению однофазных, а трехфазную систему напряжений получать с помощью однофазно-трёхфазных ТВМП. Уменьшение в составе автономных инверторов силовых полупроводниковых приборов позволяет упростить силовую схему и систему управления и повысить показатели надёжности и КПД автономных инверторов СФЭУ. Недостатками схем АИ на ТВМП являются повышенные массогабаритные показатели и небольшой диапазон стабилизации напряжения. Однако значительно повышается эффект от использования ТВМП для обеспечения параллельной работы АИ солнечных электростанций [6].
Применение в силовой схеме АИ промежуточного высокочастотного звена, функцию которого выполняет сам инвертор и реверсивного выпрямителя, преобразующего высокочастотный сигнал в напряжение переменного тока промышленной частоты, значительно улучшает массогабаритные показатели АИ. Основными недостатками, рассмотренной конструкции АИ, являются относительно низкие показатели КПД и небольшая расчётная мощность [7].
В статье авторами рассматриваются новые структурно-схемные решения систем управления АИ с широтно-импульной модуляцией выходно-
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
4
го напряжения с улучшенными техническими характеристиками. Новизна технических решений схем подтверждена патентами РФ [10, 11].
На рисунке 2 приведена функциональная схема однофазного автономного инвертора с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения, а на рисунке 3 - диаграммы напряжений, поясняющие работу системы управления по преобразованию входного и стабилизации выходного напряжения инвертора.
Рисунок 2 - Функциональная схема АИ с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения
Однофазный АИ с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения содержит (рисунок 2): мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах VT1-VT4, к которым встречно-параллельно включены
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
5
диоды VD1-VD4, выходной Г- образный фильтр, содержащий дроссель L и конденсатор C, и систему управления СУ.
В состав СУ входят: задающий генератор ЗГ, генератор типа кривой ГТК, измеритель отклонения напряжения ИОН, сумматор СУМ, выпрямитель В, генератор треугольного напряжения ГТН, формирователь импульсов ФИ, первый и второй логические элементы И1 и И2, первый и второй усилители импульсов УИ1 и УИ2. На рисунке 2 показаны выводы 1 и 2 для подключения входного напряжения постоянного тока и выводы 3 и 4 для подключения нагрузки переменного тока.
ипн
Рисунок 3 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы АИ с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
6
Система управления АИ работает следующим образом. С задающего генератора синусоидальной формы ЗГ (рисунок 2) сигнал изг поступает на первый вход сумматора СУМ, на второй вход которого поступает сигнал Ли от измерителя отклонения напряжения ИОН, работа которого синхронизируется с работой задающим генератором ЗГ. В сумматоре сигналы изг и Ли складываются и результирующий сигнал поступает на вход выпрямителя В, где выпрямляется и поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ (рисунок 3, а, сигнал ив). На второй вход формирователя импульсов ФИ поступает сигнал иГТН от генератора треугольного напряжения ГТН (рисунок 3, а).
В случае когда иГТН < ив на выходе формирователя импульсов ФИ формируются импульсы управления (рисунок 3, б), которые поступают на первые входы логических элементов И И1 и И2, на вторые входы которых поступает сигнал о полярности напряжения от генератора типа кривой ГТК (рисунок 2). При положительной полярности напряжения задающего генератора ЗГ, срабатывает логический элемент И И1 и импульсы от формирователя импульсов ФИ, через усилитель импульсов УИ1, поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 и VT4 (рисунок 2) и на выходе инвертора формируется положительная полуволна выходного напряжения иВых (рисунок 3, б от 0 до п). При отрицательной полярности напряжения задающего генератора ЗГ, срабатывает логический элемент И И2 и импульсы от формирователя импульсов ФИ, через усилитель импульсов УИ2, поступают на управляющие электроды транзисторов VT2 и VT4 (рисунок 2) и на выходе инвертора формируется отрицательная полуволна выходного напряжения иВЫХ (рисунок 3, б, от п до 2п).
К примеру, если напряжение на выходе инвертора уменьшится, тогда сигнал рассогласования Ли суммируется с сигналом задающего генератора изг, увеличивается амплитуда сигнала ив на выходе выпрямителя B. В результате увеличивается длительность импульсов управления на выходе
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
7
формирователя импульсов ФИ и увеличивается напряжение на выходе инвертора иВЫХ(рисунок 3, в, г).
Применение в составе системы управления АИ с широтноимпульсной модуляцией выходного напряжения измерителя отклонения напряжения, генератора типа кривой и сумматора, обеспечивает стабилизацию выходного напряжения инвертора при изменении величины и характера нагрузки в широком диапазоне [12].
На рисунке 4 приведён ещё один вариант структурной схемы системы управления АИ (см. рисунок 2), обеспечивающей широтноимпульсную модуляцию выходного напряжения, а на рисунке 5 - диаграммы напряжений, поясняющие принцип её работы.
Структурная схема системы управления, приведённая на рисунке 4, также имеет широкий диапазон стабилизации напряжения, однако она имеет повышенную надежность в работе, из-за меньшего количества функциональных блоков, в сравнении с системой управления, показанной на рисунке 2 [13].
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
8
Широтно-импульсная модуляция выходного напряжения и его стабилизация системой управления СУ (рисунок 4) осуществляется следующим образом. С выходом генератора пилообразного напряжения ГПН опорный сигнал иГПН (рисунок 5, а) поступает на второй вход формирователя импульсов ФИ, на первый вход которого поступает ведущий сигнал иТВБ (рисунок 5, а), от трансформаторно-выпрямительного блока ТВБ.
щ игпн 11 п „,,. АУ\ЛЛ )\-/\а!а; 3E
а) и yYYYYYYY Ті ТСЛ і і * * * * * і і і б) п п п п п п п п ~Y Y Y-Y Y Y Y Y I > г riririririririri.
і 1 в) "
) 1
г)
lUUUt-B-fl-lUL г иеых / ,
и ГПН 1J' —=-=Д и ТВБ ,Л 'ЛЛЛЛАЛУ\Л/ тпннштг
£і 1€1 1 1 l£J І£! l£J 1 Is її і і і і і і і ж) ,Lin Ґ1Ґ1Ґ1ҐІҐ1Г ІГ і і і і і і і і і і і і і і і * ІМҐІҐІҐІМММҐІ r
1 1 1 1 i 1 1 1 ! 1 і і І І І l ill 1 І І 1 1 II II І І і і І І І l ,jt— -mi 1 1 1 1 1 1 1 1 ^ 1 II 1 1 1 1 1 1 1 II 1 1 1 1 1 1 _ 1 * t 1 1 1 і 1 1 1 I Uewi 1 /» 1 1 1 1 1 1 s*
3/ 1———1-1— — — — — ТЕ-,..
t
Рисунок 5 - Диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы структурной схемы системы управления АИ, приведённой на рисунке 4
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
9
Когда иГПН > иТВБ на выходе формирователя импульсов ФИ формируются управляющие импульсы иу (рисунок 5, б), которые поступают на первые входы логических элементов И И1 и И2. На вторые входы логических элементов через генератор типа кривой ГТК, поступает сигнал синусоидального напряжения от генератора синусоидального напряжения ГСН (рисунок 5, в, г). Таким образом, когда иГСН имеет положительную полярность, то управляющие импульсы с выхода логического элемента И1 через распределительно-усилительный блок РИ1 поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 и VT4 (см. рисунок 2) и на выходе автономного инвертора напряжения формируется положительная волна напряжения иВЫХ (рисунок 5, д, 0^л).
Когда напряжение генератора ГСН иЗСН имеет отрицательную полярность, то управляющие импульсы с выхода логического элемента И2 через блок РИ2 поступают на управляющие электроды транзисторов VT2 и VT3 (рисунок 5, д, п -т-2п), и на выходе автономного инвертора формируется отрицательная волна напряжения иВЫХ (рисунок 5, д).
К примеру, если выходное напряжение инвертора иВЫХ уменьшиться, то и уменьшится величина ведущего сигнала иТВБ (рисунок 5, е). Это приведёт к увеличению времени открытого состояния транзисторов силовой схемы АИ, и повышению уровня выходного напряжения инвертора иВЫХ (рисунок 5, ж, з).
Таким образом, применение в составе СФЭУ предложенных структурно-схемных решений систем управления АИ позволит улучшить их эксплуатационно-технические характеристики.
Список литературы
1. Григораш О.В., Стрелков Ю.И. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии. Промышленная энергетика. 2001. № 4. С.37-40.
2. Григораш О.В., Степура Ю.П., Пономаренко А.С. и др. Современное состояние производства электроэнергии возобновляемыми источниками в мире и России. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С.159-163.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
10
3. Григораш О.В., Коваленко В.П., Воробьев Е.В. Перспективы возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С. 123- 27.
4. Григораш О.В., Тропин В.В., Оськина А.С. Об эффективности и целесообразности использования возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. №09 (083). С.506-517.
5. Григораш О.В., Степура Ю.П., Сулейманов Р.А. и др. Возобновляемые источники электроэнергии. Краснодар. 2012. С. 272.
6. Григораш О. В., Степура Ю.П., Божко С.В. и др. Автономные инверторы модуляционного типа. Краснодар. 2008. С.187.
7. Богатьрев Н.И., Григораш О.В., Курзин Н.Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования. Краснодар. 2002. С. 358.
8. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7. С.21-25.
9. Григораш О.В., Кабанков Ю.А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3. С.22-26.
10. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. и др. Патент на изобретение RUS 2421871 20.06.2011.
11. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. и др. Патент на изобретение RUS 2420854 10.06.2011.
12. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения. Краснодар. 2011. С.188.
13. Григораш О.В., Новокрещенов О.В., Хамула А.А. и др. Статические преобразователи электроэнергии. Краснодар. 2006. С. 264.
References
1. Grigorash O.V., Strelkov Ju.I. Netradicionnye avtonomnye istochniki jelektrojener-gii. Promyshlennaja jenergetika. 2001. № 4. S.37-40.
2. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Ponomarenko A.S. i dr. Sovremennoe sostojanie pro-izvodstva jelektrojenergii vozobnovljaemymi istochnikami v mire i Rossii. Trudy Ku-banskogo gosudarstvennogo agarnogo universiteta. 2012. № 6. S.159-163.
3. Grigorash O.V., Kovalenko V.P., Vorob'ev E.V. Perspektivy vozobnovljaemyh istochnikov jelektrojenergii v Krasnodarskom krae. Trudy Kubanskogo gosudarstvennogo agarnogo universiteta. 2012. № 6. S. 123- 27.
4. Grigorash O.V., Tropin V.V., Os'kina A.S. Ob jeffektivnosti i celesoobraznosti ispol'zovanija vozobnovljaemyh istochnikov jelektrojenergii v Krasnodarskom krae. Poli-tematicheskij setevoj jelektronnyj nauchnyj zhurnal Kubanskogo gosudarstvennogo agrar-nogo universiteta. 2012. №09 (083). S.506-517.
5. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Sulejmanov R.A. i dr. Vozobnovljaemye istochniki jelektrojenergii. Krasnodar. 2012. S. 272.
6. Grigorash O. V., Stepura Ju.P., Bozhko S.V. i dr. Avtonomnye invertory mod-uljacionnogo tipa. Krasnodar. 2008. S.187.
7. Bogat'rev N.I., Grigorash O.V., Kurzin N.N. i dr. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii: osnovy teorii, rascheta i proektirovanija. Krasnodar. 2002. S. 358.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
Научный журнал КубГАУ, №99(05), 2014 года
11
8. Grigorash O.V. Preobrazovateli jelektricheskoj jenergii na baze transformatorov s vrashhajushhimsja magnitnym polem dlja sistem avtonomnogo jelektrosnabzhenija. Promyshlennaja jenergetika. 1997. № 7. S.21-25.
9. Grigorash O.V., Kabankov Ju.A. K voprosu primenenija transformatorov s vrashhajushhimsja magnitnym polem v sostave preobrazovatelej jelektrojenergii. Jelektrotehnika. 2002. № 3. S.22-26.
10. Avtonomnyj invertor s shirotno-impul'snoj moduljaciej vyhodnogo naprjazhenija. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Uskov A.E. i dr. Patent na izobretenie RUS 2421871
20.06.2011.
11. Odnofaznyj avtonomnyj invertor s shirotno-impul'snoj moduljaciej peremennogo toka. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Uskov A.E. i dr. Patent na izobretenie RUS 2420854
10.06.2011.
12. Grigorash O.V., Stepura Ju.P., Uskov A.E. Staticheskie preobrazovateli i stabilizator avtonomnyh sistem jelektrosnabzhenija. Krasnodar. 2011. S.188.
13. Grigorash O.V., Novokreshhenov O.V., Hamula A.A. i dr. Staticheskie preobrazovateli jelektrojenergii. Krasnodar. 2006. S. 264.
http://ej.kubagro.ru/2014/05/pdf/06.pdf
