CC BY
450
ISSN 1992-6502 (Print)_
2016. Т. 20 , № 4 (74). С. 71-79
Ъьомш, QjrflQnQj
ISSN 2225-2789 (Online)
http://journal.ugatu.ac.ru
УДК 621.311.25
Исследование параллельной работы солнечной электростанции с сетью
ф. р. Исмагилов 1, б. н. Шарифов 2, б. м. Гайсин 3, т. р. Терегулов 4, н. л. Бабкина 5
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
ФГБОУ ВО «Уфимский государственный авиационный технический университет» (УГАТУ)
Поступила в редакцию 22.11.2016
Аннотация. Исследованы динамические и статические режимы параллельной работы солнечной электростанции с сетью. Построена структурная схема и компьютерная модель в программном комплексе MATLAB совместно с Simulink и Power System Blockset. Приводится анализ результатов исследования электромагнитных переходных процессов при параллельной работе солнечной электростанции с энергосистемой.
Ключевые слова: солнечная электростанция, фотоэлектрические модули, электромагнитные переходные процессы.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время возрастает влияние возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на развитие электроэнергетики. Применение фотоэлектрических модулей (ФЭМ) в процессе преобразования солнечной энергии в электрическую открывает новый этап в развитии солнечных электростанций (СЭС).
В последние годы к.п.д. ФЭМ существенно увеличился (до 25-30%), что позволяет
получать до 250кВт*ч/м2 электрической энергии в год. Вклад СЭС в общемировую выработку электроэнергии не превышает 0,1%, а среди ВИЭ ей принадлежит всего лишь около 1%. Однако, несмотря на скромные успехи в крупномасштабной выработке электричества из солнечной энергии, темпы прироста мощностей на основе СЭС за период с 1996 по 2014 год увеличились более чем в 81 раз (с 0,7 до 57 ГВт) (рис.1) и продолжают быстро расти [1].
£ ГЩг
О
Рис. 1. Прирост мощностей солнечных электростанций
Рис. 2. Функцш
Серьезным недостатком автономных СЭС является необходимость использования аккумуляторных батарей, работающих в циклическом режиме. Число рабочих циклов распространенных кислотно-свинцовых аккумуляторов невелико (1500-2000), что требует их частной замены [2]. Применение промышленных аккумуляторов с большим сроком службы, например, никель-кадмиевых или литий-ионных, требует значительного увеличения финансовых вложений на строительство СЭС. Кроме того, необходимо учитывать, что в аккумуляторах эффективность процессов заряда-разряда составляет 90% с последующим снижением по мере эксплуатации.
Использование СЭС при параллельной работе с энергосистемой (ЭС) позволяет повысить надежность в электроснабжении потребителей. ЭС может принимать вырабатываемую СЭС мощность и компенсировать ее работу при отсутствии солнечного излучения. Целью данной работы является исследование электромагнитных переходных процессов (ЭМПП) при параллельной работе СЭС с ЭС.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ
Для проведения исследования ЭМПП при параллельной работе солнечной электростанции с энергосистемой (ЭС) следует решить следующие задачи:
- Разработка математических моделей установившихся и переходных режимов при параллельной работе СЭС с ЭС.
зная схема СЭС
- Создание компьютерной модели в программном комлексе (ПК) MatLab совместно с Simulink и Power System Blockset.для исследования электромагнитных процессов системы.
- Анализ влияния ЭМПП на надежность функционирования системы.
Для исследования параллельной работы СЭС с ЭС разработана имитационная модель в среде Simulink, на основе функциональной схемы (рис. 2) и дифференциальных уравнений, которые описывают электромагнитные процессы в СЭС.
Важным компонентом СЭС является преобразователь, который имеет в своем составе повышающий преобразователь напряжения (DC/DC-преобразователь) от 200 до 700 В, трехфазный инвертор, выполненный на основе IGBT-модулей по трехфазной мостовой схеме, пропорционально-интегральные регуляторы тока и напряжения (ПИ). Время открытия и закрытия IGBT-модулей составляет несколько миллисекунд, что позволяет эффективно использовать принцип широтно-импульсной модуляции для получения синусоидальных напряжений на выходе инвертора.
В составе преобразователя трехфазные инверторы выполняют следующие основные задачи:
- преобразование постоянного тока в переменный для ЭС;
- синхронизация по частоте, напряжению и углу с ЭС;
- стабилизация выходного напряжения;
- ограничения токовых перегрузок при к.з.
Преобразовательные установки, как известно, являются источником высших гармоник. Коммутация тиристоров и транзисторов искажает форму кривых токов и напряжений в примыкающей сети переменного тока, что приводит к появлению высших гармоник в сети. Фильтры высших гармоник необходимы для ограничения неблагоприятного воздействия высших гармоник на электрооборудование, а также для исключения радиопомех по линиям связи. При этом на фильтры высших гармоник возлагается еще одна задача, а именно, генерация реактивной мощности в сеть. Фильтры в своем составе имеют высоковольтные конденсаторные батареи, которые на основной частоте напряжения генерируют реактивную мощность. Необходимость генерации реактивной мощности на преобразовательной подстанции обусловлена тем, что инверторы при преобразовании электрической энергии потребляют реактивную мощность из сети.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Исследование режимов при параллельной работе СЭС с ЭС производится на основе анализа ЭМПП на инверторе. Структурная схема подключения инвертора при параллельной работе СЭС и ЭС представлена на рис. 3.
Система управления инвертором состоит из следующих компонентов:
- алгоритм синхронизации с сетью;
- ПИ - регуляторы тока;
- ПИ - регуляторы напряжения;
- система управления точкой максимальной мощности СЭС (Maximum Power Point Tracking System(MPPT)).
Математическая модель инвертора строится на основании физических процессов протекающих в инверторе, которая описывается следующими уравнениями [3];
ua - UCa = La ^ + ia Ra dt
Ub - Ucb = Lb
di
Uc - Ucc = Lc
dt di
dt
+ ib Rb
+ i R
cc
(1)
lp ^ Clink + lCC
iCC = Saia + Sbib + Sci
• _ f dUCC
1 Clink link
dt
где Ьа, Ьь, Ьс - индуктивности выходного фильтра инвертора (Гн), 1а, 1Ь, /с - линейные токи трехфазной системы (А), Яа, Яь, Яс -активные сопротивления выходного фильтра (Ом), , , £с - ключевые состояния IGBT -транзисторов (1 - включен, 0 - отключен),
Рис. 3. Структурная схема подключения инвертора при параллельной работе СЭС и ЭС
Сш - емкость конденсатора звена постоянного тока (мкФ), I - ток нагрузки на стороне посто-
янного тока (А), *
с - ток на конденсаторе зве-
С1тк
на постоянного тока (А), / - ток на входе автономного инвертора (А).
Линейные токи и напряжения выражаются системой уравнений:
иСа = Ет С°8 Ш*
2п
иСЬ =Ет С08(^ + —) иСс =Ет С°8(ш* - —)
1а =1т С0<^ + ф)
(2)
1Ь = 1 т С°§(ш*
2п 3
2п
±ф )
*с = 1т С°8(Ю* + — + ф)
где, Ет - амплитуда фазного напряжения (В), 1т - амплитуда фазного тока (А), ш - угловая частота (рад/сек), ф - фазовый сдвиг (градус), при этом в трехфазной системе токов;
*а + Ч + *с = 0
(3)
Учитывая уравнение (1), определяем напряжение на выходе инвертора:
2^а - + ^ )
и
йс
- (^а + ^ )
2^ - (^а + ^ )
= Я
+
(4)
+Ь
Л
К ~иса "
ч + ись
л _ \Рсс \
Структурная схема математической модели инвертора с учетом уравнений (1), (4) представлена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема математической модели инвертора
:
<
Математическая модель автономного инвертора в двухфазной системе координат
В симметричной двухфазной системе оси обмоток взаимно перпендикулярны, что дает возможность не учитывать взаимоиндуктивную связь между ними и позволяет уменьшить число уравнений описывающих переходные процессы.
Переходные процессы в трехфазных сетях, при которых сохраняется симметрия фаз целесообразно исследовать в двухфазной вращающей системе координат d-q [4].
Пространственное представление преобразования координат поясняется на рис. 5;
Переход к системе координат d-q производится следующим образом [5]:
Лd — ^
Л — 2
" 3
2ж
Уа С°8 Г + Л С°§(Г - —) + 2ж
+Л С°80 + —)
2п
Л ^пг + Л ——) + +1 ^0 +
(5)
Рис. 5. Геометрическая интерпретация преобразования координат:
X , Хь, X - векторы, изображающие фазные токи, напряжение и потокосцепление в трехфазной системе;
X - результирующий вектор; ХА,Х — векторы, изображающие фазные токи, напряжение и потокосцепление в двухфазной вращающей системе координат ё-д; у - угол сдвига осей относительно магнитной оси фазы; а> — 2жЛ - угловая частота вращения
<
Л = Л С0^Г + fq 51П/ + То 2п
= Л С°<7- —) + 2п
э^Ск- —) + Л (6)
!с = Л С°з(7 + +
81П(/ + + ./о,
где / = 1 (/ + / + / ) - вектор нулевой составляющей.
Равенство (4) и (5) устанавливают прямую и обратную связь между действительными токами, напряжениями и потокосцеплением в трехфазной системе и новыми переменами в осях ё-д.
Система дифференциальных уравнений в двухфазной вращающейся системе координат, при общепринятых допущениях, используя формулу Парка-Горева [6] имеет вид;
и
и
Ш,
' Я * Ш + + иш -ШЬ
Шп
■■ Я / + Ь —- + щп + шЬ г,
(7)
и
и
Б-
2 3
о
1 1
2 2
л/3" Ф
2 2
х
х
и,
Са
и
СЬ
и
(8)
где
Сс .
Структурная схема математической модели инвертора в неподвижной системе координат с учетом уравнений (1)-(8) имеет вид, показанный на рис. 6.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ
В работе использован ПК МЛТЬЛБ с пакетом расширения 81шиПпк как один из самых мощных и эффективных инструментов для создания разнообразных программных комплексов, предназначенных для решения научно-технических задач [6].
На рис. 7 представлена модель параллельной работы СЭС с ЭС, построенная в ПК МЛТЬЛБ с пакетом расширения 8тиПпк на основании структурной схемы и дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные переходные процессы в рассматриваемой системе.
Для выбранной модели произведен анализ протекания ЭМПП при коротких замыканиях в энергосистеме.
<
<
Рис. 6. Структурная схема математической модели инвертора в неподвижной системе координат
Обсей. Т5 = 5е-007 э
ГЦ
45
СшачМеззие-ят
Шхр. Уеакягят:
ОД Тие
г
4-1
А ■
Ева« СМОГОеЬу
Сал1п1%5(етг
ИКМННйг
н|»
ВЗТ гма" Е1
Ж ^ $ { 480 V
Ф
> Н
В2
5№А
ВШША
<шо
11ЛУ
5с:ре1
Рис. 7. Модель СЭС
На рис. 8 приведены осциллограммы напряжений и токов на выходе инвертора при трехфазных кротких замыканиях длительностью 40мс в ЭС. В начальный момент короткого замыкания происходит разряд высокочастотных конденсаторов ЬС-фильтра инвертора через короткозамкнутую цепь. Продолжительность процесса разряда составляет четверть периода частоты сети (5 мс) при достаточно большой постоянной времени сопровождаются броском тока, превышающем амплитуду периодической составляющей тока короткого замыкания. Значение периодической составляющей тока короткого замыкания определяется не сопротивлением цепи короткого замыкания, а настройкой регуляторов инвертора. Как правило, выходной ток инвертора ограничен значением трехкратного номинального тока. Короткое замыкание отключается автоматическим выключателем поврежденной кабельной линии. Из-за несвоевременной работы его полюсов могут возникать
перенапряжения. В этом случае после отключения одной фазы поврежденной цепи трехфазное короткое замыкание сначала переходит в двухфазное, а затем отключаются остальные фазы. Перенапряжение и его продолжительность зависит от системы регулирования инвертора. Наилучшее качество ЭМПП обеспечивают инверторы с высокой базовой частотой и быстродействующими цифровыми регуляторами.
На рис. 9 представлены осциллограммы напряжения и тока на входе инвертора при трехфазном коротком замыкании. Возникновение трехфазного короткого замыкания на выходе инвертора приводит к режиму холостого хода на его входе. С точки зрения баланса входной и выходной активных мощностей такой режим вполне естественен, так как при трехфазном коротком замыкании потребление активной мощности на выходных цепях инвертора резко уменьшается и соответственно снижается постоянный ток на входе инвертора.
Рис. 8. Оссциллограмма напряжений и токов на выходе инвертора при трехфазном коротком замыкании продолжительностью 40 мс
Рис. 9. Осциллограмма напряжений и токов на входе инвертора при трехфазном коротком замыкании продолжительностью 40 мс
ВЫВОДЫ
Получена математическая модель описывающая возможность параллельной работы СЭС с ЭС с учетом установившихся и переходных режимов. Она позволяет оценить работу исследуемой системы.
Для исследования электромагнитных переходных процессов системы при парал-
лельной работе СЭС с ЭС, разработана компьютерная модель в ПК MatLab с применением Simulink и Power System Blockset, котрая позволяет смоделировать влияние короткого замыкания в сети на режим работы инвертора. При построении компьютерной модели системы построены структурные схемы подключения инвертора.
Анализ преходных процессов при к.з. показывает, что наличие ПИ регуляторов тока в системе управления инвертора обеспечивает высокую надежность и быстродействие при эксплуатации в условиях установившихся и аварийных режимов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Нижегородцев Р. М., Ратнер С. В. Тенденции развития промышленно освоенных технологий возобновляемой энергетики: проблема ресурсных ограничений // Теплоэнергетика. 2016. №3 С. 43-53. [ R. M. Nizhegorodtsev, S. V. Ratner, Development trends of industrial development of renewable energy technologies:. The problem of resource constraints // Thermal Engineering, №3 pp. 43-53, 2016. ]
2. Лакутин Б. В., Муравлев И. О. Системы электроснабжения с ветровыми и солнечными электростанциями. Томск: Томский политехнический университет, 2015. 112 с. [ B. V. Lakutin, I. O. Muravlev and others. Power supply systems with wind and solar power. Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2015.]
3. Guerrero-Rodríguez N. F., Herrero-de Lucas L. C., Performance study of a synchronization algorithm for a 3-phase photovoltaic grid-connected system under harmonic distortions and unbalances // Electric Power Systems Research, 2014. vol. 119. рр. 252-265.
4. Bo Yin, Oruganti R., Panda S.K., Bhat A.K.S. A Simple Single-Input-Single-Output (SISO) Model for a Three-Phase PWM Rectifier // IEEE Transactions on Power Electronics, 2009. Vol.24 pp. 620-631.
5. Крючков И. П., Старшинов В. А. Переходные процессы в электроэнергетических системах. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 415 с. [I.P.Kryuchkov, VA Elders, Transients in electric power systems. Moscow, MEI Publishing House, 2009. ]
6. Герман-Галкин С. Г. Компьютерное моделирование полупроводниковых систем. СПб: КОРОНА-принт 2001. 320 с. [ German-Galkin S. G. Computer modeling of semiconductor systems. St. Petersburg: CORONA-print, 2001. ]
ОБ АВТОРАХ
ИСМАГИЛОВ Флюр Рашитович, проф., зав. каф. электромеханики, дипл. инж-элетромех. (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по элементам и устройствам управления (УГАТУ, 1998). Иссл. в обл. электромех. преобразователей энергии.
ШАРИФОВ Бохирджон Насруллоевич, асп. каф. электро-мех. дипл. инж. -э/мех. (Таджикс. техн. ун-т им. акад. М. С. Осими, 2012). Готовит дис. о парал. работе солн. э/станций в Республики Башкортостан.
ГАЙСИН Булат Маратович, ассистент каф. электромеханики. Дипл. инж. по электроэнергетич. сист. и сетям (УГАТУ 2010). Иссл.в обл. электротехн. комплексов и систем.
ТЕРЕГУЛОВ Тагир Рафаэлевич, доц. каф. электромеханики. дипл. инж.-э/мех. (УГАТУ, 2001). Канд. техн. наук по э/мех.комплексам и системам (УГАТУ, 2004). Иссл. в обл. магнитоэлектрических генераторов в реж. перемен. скоростей и нагрузок.
БАБИКОВА Наталья Львовна, доц. каф. электромех. дипл. инж.-элетромех. (УАИ, 1992). Канд. техн. наук по э/мех. комплексам и системам (УГАТУ, 2009). Иссл. в области электромеханических генераторов для автономных маломощных объектов.
METADATA
Title: Research of parallel operation of solar power plants to the network
Authors: F.R. Ismagilov1, B.N. Sharifov2, T.R. Teregulov 3 B.M. Gaisin4,. N.L Babikova5 ,
Affiliation:
Ufa State Aviation Technical University (UGATU), Russia. Email: [email protected], [email protected], [email protected],
[email protected]. Language: Russian.
Source: Vestnik UGATU (scientific journal of Ufa State Aviation Technical University), vol. 20, no. 4 (74), pp. 71-79, 2016. ISSN 2225-2789 (Online), ISSN 1992-6502 (Print). Abstract: This article discusses the analysis and research of electromagnetic transients solar power during a short circuit in the network. We describe the electromagnetic transient processes in parallel operation of solar power plants to the network. The flow diagram and the computer model of the package MATLAB Simulink, and together with the Power System Blockset. The analysis of dynamic and static modes for parallel operation of solar power plants to the network. Key words solar power, computer mathematical model of the solar power plant
About authors:
ISMAGILOV Flur Rashitovich, prof., Head. cafes. electrical. Dipl. Ing. eletromeh. (AIM, 1973).Dr. Sc. Science on elements and control devices (USATU, 1998).Inst. in the re-gion.ELECTROMECHANIC.energy converters.
SHARIFOV Bohirdzhon Nasrulloevich, Postgrad. (PhD) Student, Dept. of electricalengineering. electrical engineer (Tajik Technical University, 2012).
GAISIN Bulat Maratovich, assistant in the same department. Dipl. Ing. byelektroenergetich. chem. and networks (USATU 2010). Inst. in the region.electrotechnical. complexes and systems
TEREGULOV Tagir Raphaelevich, Ph. D., Assoc. in the same department. Dipl. Electrical engineer (USATU, 2001). Ph. D. in Electromechanical complexes and systems (USATU, 2004). Study magnet electric generator in modes variable speeds and loads.
BABIKOVA Natalia Lvovna., associate professor of electrome-chanics department. Dipl. Ing. eletromeh . (AIM, 1992). Ph.D. in Electromechanical complexes and systems (USATU, 2009). Inst. in electromechanical generators for autonomous low-power objects.
