CC BY
33
Malygin Anatoly Nikolaevich, docent, inf-npi@mail. ru, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov,
Prasko Alexander Dmitriyevich, candidate of technical sciences, docent, nvis65@,mail. ru, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (SPI) named after M. I. Platov,
Trotsenko Igor Viktorovich, candidate of technical sciences, docent, inf-npi@mail.ru, Russia, Novocherkassk, South-Russian State Polytechnic University (NPI) named after M. I. Platov
УДК 625.232
МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА С ПИТАНИЕМ ОТ ВЕТРО- ИЛИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ
УСТАНОВКИ
А. А. Бельский, А.В. Коптева, В.С. Добуш, В.В. Старшая
Обоснована актуальность применения и представлены основные результаты исследования режимных параметров электротехнических комплексов на основе ветро-генераторов и солнечных батарей. Представлены результаты компьютерного и имитационного моделирования электротехнических комплексов с питанием от ветро- или фотоэлектрических установок, адекватность найденных параметров моделей проверяется на реальном оборудовании. Показаны полученные энергетические характеристики электротехнического комплекса на основе солнечных батарей при отсутствии контроллера MPPT и его наличии при различных сопротивлениях нагрузки.
Ключевые слова: электротехнический комплекс, ветроэлектрическая установка, фотоэлектрическая установка, солнечные батареи, энергетическая характеристика.
Ветроэлектрические установки (ВЭУ) получили огромное распространение по всему миру [1, 2]. В 2019 году общая установленная мощность всех ветрогенераторов составила около 600 ГВт. Конструкции ВЭУ разнообразны, но во многих установках используется синхронный генератор на постоянных магнитах (PMSM). Моделирование подобного рода установок необходимо для определения наиболее оптимального режима их работы [3]. Данной тематике посвящено множество работ [4-6], однако параметры генератора в силу влияния окружающей среды, старения изоляции, потери свойств у постоянных магнитов и иных причин изменяются. Поэтому исследование электротехнических комплексов на основе ВЭУ является актуальным.
С другой стороны, электротехнические комплексы на основе солнечных батарей применяются повсеместно [7, 8]. Благодаря развитию технологий стоимость солнечных батарей постоянно падает, а КПД растет и
уже составляет 20 %. По состоянию на 2019 год мировой рынок достиг 500 ГВт установленной мощности. Международное энергетическое агентство предполагает, что к 2050 г. электростанции на основе солнечных батарей станут основным источником энергии и будут обеспечивать 16% мирового спроса. Поэтому исследование электротехнических комплексов на основе солнечных батарей является также актуальным.
В данной статье определяются параметры модели электрогенератора ВЭУ и электротехнического комплекса на основе солнечных батарей при различных режимах его работы. Адекватность найденных параметров моделей проверяется на реальном оборудовании.
Для нахождения рабочих энергетических характеристик ветроэнергетического комплекса в виде зависимостей напряжения, приложенного к нагрузке, от скорости вращения ветроколеса (генератора) при различных сопротивлениях нагрузки была создана компьютерная модель в системе Simulink MatLab, представленная на рис. 1. Виртуальная модель имеет очевидные преимущества и позволяет определять различные зависимости в более широких диапазонах и при всех значениях варьируемых параметров модели в отличии от реальной физической модели.
Работа модели состоит из следующих этапов:
- задание скорости ветра;
- расчет по теоретическим формулам соответствующей ей скорости вала ветрогенератора;
- запуск имитационного моделирования с последующим определением установившихся параметров нагрузки и генератора.
RMS Г~|
Зсоре4
Bridge
Voltage Measurement
Scope3
Voltage Measurement!
lb
In
О
Product DCPower
Load Current Measurement!
1/leasurejriei
Рис. 1. Компьютерная модель электротехнического комплекса
с питанием от ВЭУ
539
Программа, управляющая моделью, многократно ее запускала при изменении величины скорости ветроколеса. Таким образом, были получены семейства характеристик при различной величине нагрузки и скорости ветроколеса.
Путем достижения идентичности результатов моделирования физического и виртуального были получены параметры модели. Найденные параметры модели PMSM: Armature inductance (5.2e-3 H); Stator phase resistance Rs (0.06 Ohms); Flux linkage established by magnets (0.19292 V.s.). Параметры силового неуправляемого выпрямителя: Snubber resistance Rs (1e5 Ohms); Ron (1e-3 Ohms). Параметры нагрузки в процессе экспериментов изменялись. Полученные в ходе моделирования зависимости представлены на рис. 2.
м
и
к
я
к
1*
и имитационное моделирование экспериментальные данные
Ql---1-1---1---1_---J---J---1-1----
50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Частота вращения вала генератора, об./мин.
Рис. 2. Результаты моделирования электротехнического комплекса
с ВЭУ
Параметры модели PMSM были определены исходя из результатов проведенной серии экспериментов на имитационном стенде. Верификация параметров модели была проведена на основании дополнительных серий экспериментов. Сходимость результатов компьютерного и имитационного моделирования составила не менее 95%.
Построение компьютерной модели электротехнического комплекса на основе солнечных батарей позволяет с высокой точностью прогнозировать выработку электроэнергии комплекса при изменении уровня освещенности и температуры окружающей среды. Также станет возможным построение зависимостей выработки электроэнергии комплекса от параметров комплекса. Кроме этого, результат работы сложных моделей, включающих данный электротехнический комплекс с апробированными параметрами, будет иметь более высокую точность.
Компьютерная модель электротехнического комплекса на основе солнечных батарей, включающая контроллер с функцией MPPT создана в программном комплексе Matlab/Simulink и представлена на рис. 3. Модель состоит из нескольких основных блоков:
540
1) блок «Солнечная батарея» моделирует солнечную панель Delta SM 200-24M со следующими параметрами (P=200 Вт, №чеек=72, Ином=24 В, Имакс. мощности=36.61 В, 1макс. мощности=5.47 А, 1к.з.=5.8 А, Ux.x=43.93 В, Ктемп. U= -0.38 %/0C, Ктемп. I=0.04 %/0C);
2) блоки «Освещенность» и «Температура окружающей среды» основаны на блоках «Constant» задают уровень инсоляции солнечной батареи и температуру окружающей среды;
3) повышающий (бустерный) DC-DC преобразователь с LC фильтром включает: полевой транзистор (Ином=100 В, Ron=0.1 Ом, Rd=0.1 Ом), емкость (С=1000 мкФ), катушка индуктивности (R=0.05 Ом, L=100 мГн);
4) блок «Контроллер» управляет работой повышающего DC-DC преобразователя, реализует алгоритм MPPT. На вход блока подаются сигналы напряжения и тока солнечной батареи;
5) блок «Нагрузка» моделируется активным сопротивлением R;
6) измерительные блоки вольтметров и амперметров.
У_РУ |
K2ZD
_J>-Н1 'I
Рис. 3. Компьютерная модель электротехнического комплекса на основе солнечных батарей
Кроме этого, была написана программа, автоматизирующая работу компьютерной модели. Работа модели состоит из следующих этапов:
- задание уровня освещенности;
- запуск имитационного моделирования с последующим определением установившихся параметров режима работы нагрузки.
Реальная же модель состояла из солнечной батареи Delta SM 200-24M, датчика освещенности СЕМ DT-8809A и контроллера, реализующего MPPT алгоритм. Модель располагалась на открытом пространстве и уро-
541
вень освещенности измерялся в разное время суток. Таким образом, был получен осредненный массив данных при различных уровнях освещенности.
В результате имитационного компьютерного моделирования были получены данные, которые были сравнены с результатами моделирования на реальной установке. Сходимость результатов компьютерного и имитационного моделирования составила не менее 95 %. Таким образом, параметры компьютерной модели подтверждены в ходе реальных экспериментов.
Второй этап исследования включал получения энергетических характеристик электротехнического комплекса при отсутствии контроллера MPPT и его наличии при различных сопротивлениях нагрузки. Полученные в ходе моделирования зависимости представлены на рис. 4.
200
180
160
140
120
т. 100 О.
80 60 40 20 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Освещенность, Вт/м2
Рис. 4. Работа электротехнического комплекса при отсутствии
и наличии MPPT контроллера
В результате анализа полученных характеристик можно сделать выводы, что применение MPPT контроллера обеспечивает максимальную выходную мощность солнечной батареи, при его отсутствии батарея работает максимально эффективно только при определенной освещенности.
Таким образом, в ходе исследования были получены следующие результаты:
- созданы компьютерные модели электротехнических комплексов с питанием от ветро- и фотоэлектрических установок с подтвержденными параметрами;
- определены параметры реального ветрогенератора на постоянных магнитах;
- получены энергетические характеристики электротехнического комплекса на основе солнечных батарей при отсутствии контроллера MPPT и его наличии при различных сопротивлениях нагрузки.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-38-00530.
542
Список литературы
1. Игнатьев С.Г. Новые методы оценки ветроэнергетического потенциала и оптимизации параметров ветроэнергетических установок // Энергетик. 2017. № 4. С. 17-21.
2. Zeng X. et al. Co-Ordinated Control Strategy for Hybrid Wind Farms With PMSG and FSIG Under Unbalanced Grid Voltage Condition // IEEE Transactions on Sustainable Energy. 2016. Vol. 7. P. 1100-1110.
3. Кощеев Л. А., Попков Е.Н., Фешин А.О. Разработка математических моделей регуляторов активной мощности и напряжения ветроэнергетической установки // Известия НТЦ Единой энергетической системы. 2019. № 2 (81). С. 60-69.
4. Михайлов М.Э., Бельский А.А. Выбор оптимального режима работы автономной установки электропрогрева скважины с питанием от вет-рогенератора // Сб. тр. 71-й Международной молодежной научной конференции «Нефть и газ. 2017». 2017. С. 246-249.
5. Суслов К.В. Развитие систем электроснабжения изолированных территорий России с использованием возобновляемых источников энергии // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 5 (124). С. 131-142.
6. Belsky A.A., Dobush V.S. Oil wellbore electrical heating station with wind-driven power unit // 10th International Conference - 2016 Electric Power Quality and Supply Reliability, PQ 2016. 2016. Proceedings 10. Р. 239-242.
7. Антонова Е.А., Горячев С.В. Повышение эффективности солнечных батарей нового поколения за счёт использования новых материалов и их гибридизации // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. 2019. № 1 (70). С. 7-11.
8. Герра Д.Д., Яковлева Э.В., Войтюк И.Н., Коптева А.В. Электротехнический комплекс слежения за солнцем для обеспечения эффективной работы фотоэлектрических батарей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. Вып. 10. С. 556-562.
Бельский Алексей Анатольевич, канд. техн. наук, доцент, ahelskiiagmail.com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Коптева Александра Владимировна, канд. техн. наук, доцент, kopteva avapers.spmi.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Добуш Василий Степанович, канд. техн. наук, доцент, dohush vsapers. spmi. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет,
Старшая Валерия Владимировна, аспирант, lerastarshayaagmail. com, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский горный университет
MODELING OF ELECTRICAL COMPLEX WITH POWER SUPPLY BASED ON WIND OR
PHOTOELECTRIC INSTALLATION
A.A. Belskii, A.V. Kopteva, V.S. Dohush, V.V. Starshaya
543
The relevance of the application is substantiated in the work and the main results of the study of the operational parameters of electrical systems based on wind generators and solar panels are presented. The results of computer and simulation modeling of electrical systems powered by wind and photovoltaic installations are presented, the adequacy of the found parameters of the models is checked on real equipment. The obtained energy characteristics of the electrical complex based on solar cells are presented in the absence of the MPPT controller and its presence at various load resistances.
Key words: electrical complex, wind power installation, photovoltaic installation, solar panels, energy characteristic.
Belskii Aleksey Anatolievich, candidate of technical sciences, docent, abel-skii a gmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Kopteva Alexandra Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, kopteva ava pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Dobush Vasiliy Stepanovich, candidate of technical sciences, docent, dobush vsa pers. spmi. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University,
Starshaya Valeriya Vladimirovna, postgraduate, lerastarshayaagmail. com, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg Mining University
УДК 621.316.72
ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВЫМИ КЛЮЧАМИ ПО КРИТЕРИЮ МИНИМУМА КОММУТАЦИОННЫХ ПОТЕРЬ
Е.А. Елисеичев
Для установок по производству искусственных монокристаллов лейкосапфира главным критерием энергообеспечения является точность поддержания выходного напряжения на нагрузке. Один из способов регулирования напряжения в нагрузке - это регулирование по изменению времени коммутации или управление временем включения и выключения в силовых ключах источника питания установки. С другой стороны, немаловажным фактором является снижение коммутационных потерь при переключениях силовых ключей. Данный метод может быть применен для оптимальной настройки управления регулятором напряжения на ЮБТ-транзисторах с ШИМ. При этом особое внимание следует уделять выбору весовых коэффициентов.
Ключевые слова: оптимизация, силовые ключи, коммутационные потери, выходное напряжение, монокристалл, МАТЬАБ.
Производство искусственных монокристаллов осуществляется в специальных ростовых установках, представляющих собой вакуумные электропечи. Питание таких установок производиться переменным, либо постоянным током, причем в последнее время наиболее широко используется питание постоянным током, поскольку при этом наблюдается оптимальный спектральный состав мощности.
544
