CC BY
18
Losev Fedor Alexeevich, candidate of technical science, associate professor, [email protected], Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
Kopyrin Vladimir Anatolevich, candidate of technical science, associate professor, kopy-rinva@,tyuiu.ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen,
Kudryashov Ruslan Apollonovich, candidate of technical science, associate professor, kudr-jashovra@,tyuiu.ru, Russia, Tyumen, Industrial University of Tyumen
УДК 621.314
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-476-481
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НА ОСНОВЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ ДЛЯ ИНТЕГРАЦИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
В ЭНЕРГЕТИКУ РОССИИ
Б.А. Авдеев, А.В. Вынгра
Рассмотрен вопрос интеграции возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ) в региональные системы электроснабжения с применением полупроводниковых преобразователей. Спроектирована имитационная модель преобразователя постоянного тока с инвертором и двухконтурной системой управления. В результате моделривания исследована работа преобразователя при изменении нагрузки и при изменении входного напряжения с аккумуляторов ВИЭ. Результаты моделирования показали высокую эффективность преобразования постоянного напряжения аккумуляторных батарей ВИЭ в переменное напряжение сети.
Ключевые слова: неизолированный преобразователь постоянного тока, инвертор, региональные сети электроснабжения, возобновляемые источники электроэнергии.
Электроэнергетика России, хотя и является наиболее из старейших отраслей промышленности, переживает существенные изменения, связанные с использованием не только новых технологий, но и идеологий построения и развития, объединяя традиционную (теплоэлектростанции, газотурбинные электростанции, и др.) и нетрадиционную энергетику (возобновляемые источники электроэнергии, атомные электростанции, атомные станции малой мощности и др.) в составе централизованных и локальных энергосетей, переходя от автоматизации в виде автоматизированных систем управления трансформаторными подстанциями (АСУТП) к циф-ровизации, а затем к нейронным сетям, от стационарных к модульным (контейнерным) подстанциям в виде цифровых подстанций и электростанций [1-2].
В настоящее время происходит масштабное развитие внедрения альтернативной энергетики в региональные сети электроснабжения. Особое внимание использованию ветроэнергетики и солнечной энергетики обусловлено исполнением Указа Президента Российской Федерации от 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» [1]. 15 пункт Указа предусматривает разработку и утверждение комплексного плана модернизации и расширения магистральной инфраструктуры, предусматривающий обеспечение к 2024 году доступной электроэнергией, а также развития распределенной генерации, в том числе на основе возобновляемых источников энергии, в первую очередь в удаленных и изолированных энергорайонах.
Проблемы интеграции солнечных и ветряных электростанций в сети электроснабжения. Одним из важнейших аспектов внедрения альтернативной энергетики является вопрос эффективной интеграции мощности постоянного тока альтернативных источников в централизованные региональные сети переменного тока [2-3]. Интеграция происходит путем применения полупроводниковых сетевых инверторов. Типовые схемы инвертирования подразделяются на два типа - струнные схемы, в которых реализовано параллельное подключение элементов питания на общую линию инвертором и схемы с микроинверторами, в которых преобразование в переменный ток происходит непосредственно на каждом элементе питания [4]. Преимуществами струнных схем является простота обслуживания, так как в схеме присутствует только один инвертор на линии, однако это снижает надежность схемы. Большое количество
микроинветоров повышает стоимость обслуживания установки, но при выходе из строя одного из них схема позволит продолжить передачу электроэнергии в сеть. Отличительной особенностью обоих типов схем является наличие выходного силового повышающего трансформатора, являющимся основным элементом интеграции. Из-за применения таких трансформаторов возникает проблема точного регулирования напряжения и эффективного распределения мощности, так амплитудное значение синусоиды первичной обмотки зависит от напряжения заряда аккумуляторных батарей и редко регулируется.
Проектирование модели преобразователя в Simulink с добавлением неизолированного повышающего преобразователя постоянного тока. Рассмотрена схема интеграции ВИЭ в региональные сети электроснабжения с возможностью регулирования мощности и напряжения. Такая топология преобразователя может применяться в обоих вышеописанных схемах интеграции - и в качестве мощного струнного преобразователя, и в качестве микропреобразователя. На рис. 1 приведена структурная схема устройства, включающего в себя неизолированный регулируемый повышающий преобразователь тока, двойной активный мост с высокочастотным трансформатором и выходной инвертор. Питание схемы происходит с аккумуляторных батарей ВИЭ, для двойного активного моста и инвертора используются отдельные генераторы сигнала с широтно-импульсной модуляцией [5].
Аккумуляторы
возобновляемых ,,,.„ Генератор ШРМ
Генератор иРМ моста источников инвертора
электроэнергии
Неизолированный сс ос К нагрузке
преобразователь Двойной активный мост Инвертор
постоянного тока
Входное напряжение инвертора
Система управления
Рис. 1. Структурная схема исследуемого преобразователя
Для проверки работоспособности схемы и определения ее возможностей спроектирована имитационная модель устройства в программе МАТЬАВ/8шшНпк (рис.2) [6].
□
и -1 -1 ||Юч(|><-| [рну—| -1
Ш А——А—я!
р> 1аа>^-| ЕР—р|1 -
□
&
->{/}—Ниш.К^]
Рис. 2. Имитационная модель преобразователя
Принцип работы устройства заключается в поэтапном повышении постоянного напряжения до амплитудного значения напряжения сети 220 В (до 310,2 В) с возможностью двухуровневого регулирования и дальнейшего инвертирования. В звеньях постоянного тока предусмотрены сглаживающие конденсаторы. Двухуровневое регулирование производится путем изменения коэффициента заполнения ШИМ сигнала неизолированного преобразователя
или смещением фазы ШИМ двойного активного моста. Регулирование выходного напряжения является возможным и при увеличении нагрузки, и при изменении входного напряжения с аккумуляторных батарей, что обеспечивает гибкость работы системы при различных внешних воздействиях, таких как резкий сброс потребляемой мощности, подключение мощной нагрузки или выход из строя части накопительных или генерирующих элементов. Однако, двухуровневая система управления требует наличие точной настройки параметров и высокую скорость обработки данных с датчиков, что усложняет ее реализацию.
Расчет преобразователя и проектирование системы управления. Для упрощения работы системы управления в модели используется только управление неизолированным преобразователем постоянного тока. Преобразователь имеет линейную зависимость выходного напряжения и еых от коэффициента заполнения ШИМ сигнала В на основном транзисторе:
и _ и*.,
еых 1 в
где Цех - входное напряжение преобразователя, снимаемое с аккумуляторов возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ), В.
Чтобы определить параметры катушки, необходимо рассчитать наибольший коэффициент заполнения ШИМ Для вычисления используем наименьшее входное напряжение иех(мин) и наибольшее выходное напряжение иех(макс):
и ( )
в _ 1 ех( мин) .
макс и
вых( макс)
Коэффициент пульсаций тока катушки может варьироваться от 20% до 50%, и вычисляется по формуле:
Ы, _ (30 - 50)% —, 1 - В
макс
где 1еых - выходной ток, выбираемый в зависимости от требуемой мощности преобразователя, А.
Минимальное значение индуктивности катушки, при котором ток катушки не будет превышать заданный коэффициент пульсаций:
и ,.,,,, • /
мин еых
/
где / - частота ШИМ сигнала преобразователя, Гц.
Для сглаживания пульсаций выходного напряжения преобразователя используется конденсатор, минимальная емкость которого определяется следующим образом
(и - и ) • I
еых ех еых
и • / • и
еых ^ п
где - ип - амплитуда пульсаций выходного напряжения, В.
Управление производится по обратной связи по выходному амплитудному напряжению (напряжению заряда выходного конденсатора) двойного активного моста, с помощью ПИ-регулятор. Подсистема регулирования приведена на рис. 3 [7,8].
310
^Уоиф
РКг) Регулятор тока
J
шш.
шим
>"( 131]]
Рис. 3. Регулятор выходного напряжения преобразователя
Для генерации ШИМ сигнала управления используется блок PWM. Сигнал на нижний транзистор поступает в противофазе без мертвого времени.
Результаты моделирования. При моделировании исследовалась работа преобразователя при изменении нагрузки и при изменении входного напряжения с аккумуляторов ВИЭ. В первом случае (рис. 4), при подключении нагрузки, составляющей половину расчетной мощности преобразователя, наибольший провал напряжения составил 20%, что является довольно высоким значением, а переходный процесс длился 0,6 с. Такие результаты обусловлены непрямой работой регулятора - изменение скважности сигнала ШИМ неизолированного ППТ происходит по данным выходного значения напряжения двойного активного моста [9].
и. в
Пыхллнле капмжоше
Рис. 4. Провал напряжения при подключении нагрузки
При изменении входного напряжения преобразователя от аккумулятора ВИЭ в пределах 10 % от номинального изменения выходного напряжения так же составили не более 10%. Однако, следует отметить, что при повышении напряжения аккумулятора заброс выходного напряжения значительно больше (рис. 5), чем при провале входного напряжения. Это связано с наличием большой емкости в звеньях преобразователя.
Выходное с п:|>'|
1 г1-1
1-
1
Рис. 5. Результаты моделирования при изменении входного напряжения
Моделирование показало, что схема применима для обеспечения интеграции ВИЭ в региональные сети электроснабжения. Недостатками приведенной схемы являются высокие импульсные токи неизолированного преобразователя, которые могут негативно повлиять на аккумуляторы ВИЭ.
Заключение. Недостатками существующих устройств интеграции ВИЭ в региональные сети электроснабжения являются их низкая гибкость по управлению при изменении входного напряжения. Одним из возможных путей решения этой проблемы является применение интеллектуальных систем преобразования постоянного тока, таких как твердотельный трансформатор на основе двойного активного моста и неизолированного повышающего преобразователя постоянного тока. Моделирование работы предложенной схемы показало возможность применения ее для интеграции ВИЭ в региональные сети электроснабжения. Преобразователь
обладает некоторыми преимуществами, включая широкий диапазон регулирования напряжения и устойчивость к броскам и провалам входного напряжения. Недостатками же являются большие импульсные токи, проявляющиеся при работе входного ППТ.
Работа выполнена при поддержке Гранта Президента РФ молодым учёным кандидатам наук МК-5450.2021.4.
Список литературы
1. Указ Президента РФ 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» // Собрание законодательства РФ, 14.05.2018, № 20, ст. 2817.
2. Ратнер П.Д. Моделирование интеграции ВИЭ в энергосистему: обзор программных комплексов // Управление инновациями - 2016: Материалы международной научно-практической конференции. Москва, 14-16 ноября 2016 года / Под редакцией Р.М. Нижегород-цева, Н.П. Горидько. Москва: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, 2016. С. 198-203.
3. Тягунов М.Г. Цифровизация и управление в распределенных энергетическихсисте-мах с ВИЭ // Цифровая энергетика: новая парадигма функционирования и развития: Сборник статей круглого стола, Санкт-Петербург, 26 июня 2019 года / Под редакцией Н.Д. Рогалева. Санкт-Петербург: Национальный исследовательский университет «МЭИ», 2019. С. 187-203.
4. Особенности использования ВИЭ и факторы, препятствующие развитию ВИЭ в России / А. А. Каграманова, Р. Р. Арушанян, А. Р. Декусарова [и др.] // Referatotech: материалы II Международной научно-практической конференции: в 2 т., Краснодар, 23 октября 2021 года / Кубанский государственный технологический университет, Институт нефти, газа и энергетики. Краснодар: Общество с ограниченной ответственностью «Издательский Дом - Юг», 2022. С. 234-238.
5. Авдеев Б.А., Вынгра А.В. Использование нейронных сетей в системах управления интеллектуальными сетями электроснабжения // Состояние и перспективы развития современной науки по направлению «АСУ, информационно-телекоммуникационные системы»: Сборник статей III Всероссийской научно-технической конференции, Анапа, 22-23 апреля 2021 года. Анапа: Федеральное государственное автономное учреждение «Военный инновационный технополис «ЭРА», 2021. С. 80-84.
6. Авдеев Б.А. Комплексные решения интеграции постоянного и переменного токов в адаптивных интеллектуальных распределительных сетях с помощью твердотельного трансформатора // Энергобезопасность и энергосбережение. 2022. № 3. С. 15-20. DOI 10.18635/20712219-2022-3-15-20. EDN IFMLDV.
7. Avdeev B.A., Vyngra A.V. The Use of Solid-State Transformers As Part of Smart Grids // 2021 4th International Youth Scientific and Technical Conference Relay Protection and Automation, RPA 2021: 4, Moscow, 21-22 октября 2021 года. Moscow, 2021. DOI 10.1109/RPA53216.2021.9628424.
8. Абрамов С.В., Тимофеев А.В. Повышающий импульсный преобразователь с упрощенным токовым контуром // Динамика нелинейных дискретных электротехнических и электронных систем: материалы XIV Всероссийской научно-технической конференции, Чебоксары, 04 июня 2021 года. Чебоксары: Чувашский государственный университет имени И.Н. Ульянова, 2021. С. 193-199. EDN XDEJSP.
9. Кочетков В.А., Лустгартен М.Ю., Собченко М.И., Ухандеев В.И. Синтез и моделирование цифрового контроллера неизолированного импульсного повышающего преобразователя // Электронные информационные системы. 2022. № 2(33). С. 30-39. EDN GXJERJ.
Авдеев Борис Александрович, канд. тех. наук, доцент, dirigeant@mail. ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Вынгра Алексей Викторович, преподаватель, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
CONVERTERS BASED ON SOLID STATE TRANSFORMERS FOR INTEGRATION OF
RENEWABLE ELECTRICITY SOURCES IN THE POWER INDUSTRY OF RUSSIA
B.A. Avdeev, A.V. Vyngra 480
The issue of integration of renewable energy sources (RES) into regional power supply systems using semiconductor converters is considered. A simulation model of a DC converter with an inverter and a two-loop control system has been designed. As a result of modeling, the operation of the converter was studied when the load changed and when the input voltage from the renewable energy batteries changed. The simulation results showed a high efficiency of converting the DC voltage of RES batteries into the AC voltage of the network.
Key words: non-isolated DC converter, inverter, regional power supply networks, renewable energy sources.
Avdeev Boris Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university,
Vyngra Aleksei Viktorovich, lecturer, [email protected], Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university
УДК 621.31
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-8-481-486
ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА УПРАВЛЯЮЩЕГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ И РЕМОНТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
И.М. Казымов, Б.С. Компанеец, Д.А. Боярков, И.И. Михайлов
Цель данного исследования заключается в обосновании выбора управляющего воздействия на электрооборудование при организации технического обслуживания и ремонта. В основе данного исследования находится анализ применяемых подходов к организации ремонта электрооборудования. Исследование показало, что применение комплексного подхода к определению объёма управляющего воздействия в риск-ориентированных системах управления техническим обслуживанием и ремонтом приводит к повышению результативности выполнения ремонтных работ. Разработанный алгоритм принятия решений позволяет значительно упростить организационную часть процесса формирования ремонтных программ организаций электросетевого комплекса за счёт формализации процесса принятия решений.
Ключевые слова: техническое обслуживание и ремонт, система электроснабжения, электрическая сеть, алгоритм принятия решений, риск-ориентированный подход, ремонт электрооборудования.
Организация технического обслуживания и ремонта - основное направление деятельности электросетевых организаций, оказывающих услуги по передаче электрической энергии по электрическим сетям. Необходимость поддерживать имеющееся электросетевое оборудование в работоспособном состоянии для обеспечения возможности осуществления основной деятельности компании [1, 2].
Поддержание электрооборудования в исправном состоянии выполняется путём периодического технического обслуживания и ремонта (ТОиР). При этом для различных систем организации ТОиР объём, периодичность и форма управляющих воздействий могут отличаться.
В настоящее время различают следующие основные виды организации технического обслуживания и ремонта [3-5]:
- планово-предупредительный ремонт;
- ремонт по фактическому состоянию (по фактическому выходу из строя);
- ремонт исходя из оценок риск-ориентированного подхода.
В системах планово-предупредительного подхода к организации ТОиР виды управляющих воздействий, частота их применения и объём выполняемых работ строго регламентированы и обеспечивают поддержание оборудования в работоспособном состоянии с достаточной степенью предсказуемости при нормальном течении эксплуатации. При этом в случае улучшения условий эксплуатации возникает риск выполнения работ, не требующихся фактически и
