CC BY
28
УДК 621.316.722 DOI: 10.17213/0321-2653-2015-4-40-43
ПРИНЦИПЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
THE PRINCIPLES REGULATING DEVICES AUTONOMOUS ELEKTROSNAB-TION-BASED PHOTOVOLTAIC CELLS
© 2015 г. П.Г. Колпахчьян, Б.Н. Лобов, А.М. Аль Джурни Рагхад
Колпахчьян Павел Григорьевич - д-р техн. наук, доцент, кафедра «Электрические машины и аппараты», Ростовский государственный университет путей сообщения, г. Ростов-на-Дону, Россия. E-mail: [email protected]
Лобов Борис Николаевич - д-р техн. наук, доцент, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Аль Джурни Рагхад Али Маджид - аспирант, кафедра «Электромеханика и электрические аппараты», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: [email protected]
Kolpakhchyan Pavel Grigorevich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, department «Electrical Machines», Rostov State Transport University, Rostov-on-Don, Russia. E-mail: [email protected]
Lobov Boris Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, assistant professor, department «Electromechanics and Electric Vehicles», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Ali Dzhurni Al Madjid Rahgat - post-graduate student, department «Electromechanics and Electric Vehicles», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: [email protected]
Рассматриваются принципы согласованного управления автономной системой электроснабжения на основе фотоэлектрических преобразователей энергии (ФЭП). Кроме ФЭП с устройствами отбора максимальной мощности в состав системы включены аккумуляторные батареи (АКБ) с контроллерами заряда, автономный инвертор напряжения и дизель-генератор. Элементы системы соединены вспомогательной линией постоянного тока. Напряжение на выходе преобразователей может изменяться в широких пределах вне зависимости от отдаваемой устройством мощности. Поэтому их внешняя характеристика формируется таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное взаимодействие элементов системы. В качестве информационного параметра для определения режима работы использовано напряжение во вспомогательной линии постоянного тока. Пока выходной ток не достигает величины, при которой устройством отдается максимально допустимая мощность, внешняя характеристика формируется по закону постоянства мощности. В дальнейшем реализуется режим токоограничения. Если напряжение выше номинального напряжения ФЭП, то в системе имеется избыток мощности, генерируемой ФЭП, который используется для заряда АКБ. В случае, когда напряжение находится в диапазоне между номинальным напряжением АКБ и номинальным напряжением ФЭП, мощности, вырабатываемой ФЭП, оказывается недостаточно для питания нагрузки и ее недостаток покрывается АКБ. Когда напряжение находится в диапазоне между номинальными напряжениями АКБ и дизель-генератора, он подключается и восполняет недостаток мощности, вырабатываемой ФЭП и АКБ.
Ключевые слова: согласованное управление; автономная система электроснабжения; фотоэлектрические преобразователи; внешняя характеристика; напряжение.
The principles of the coordinated control of Autonomous power supply system based on photovoltaic energy converters . In addition to solar cells with the device to obtain maximum power the system included storage batteries charge controllers, Autonomous voltage inverter and a diesel generator. The system elements are connected by an auxiliary direct current line. The output voltage of the converters can vary within wide limits regardless of the output device capacity. Therefore, their external characteristics is formed in such a way as to ensure the most effective interaction of the system elements. As an information parameter to determine the mode of operation used, the voltage of the auxiliary direct current line. Until the output current reaches the
value at which the device is given the maximum allowed power, the external characteristic is formed under the law of the constancy of the capacity. Further implemented the stall prevention mode. If the voltage is above the rated voltage of solar cells, the system has excess power generated by solar cells, which is used to charge the battery. In the case when the voltage is in the range between the nominal battery voltage and a rated voltage of solar cells, the power generated by solar cells is insufficient to power the load and the fault is covered by the battery. When the voltage is in the range between the nominal voltages of the battery and the diesel generator, it connects and makes up for the lack of power produced by solar cells and batteries.
Keywords: agreed; the autonomous power supply system; photo-electric converters; external characteristics; voltage.
Рассматриваемая система электроснабжения имеет сложную, разветвленную структуру [1]. Эффективность ее функционирования во многом определяется возможностью согласованного управления различными устройствами для распределения электроэнергии в соответствии с текущей ситуацией в системе [2, 3]. Поэтому создание принципов и алгоритмов управления отдельными устройствами и системой в целом является одной из наиболее важных задач.
При разработке принципов управления автономной системой электроснабжения на базе фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) необходимо учитывать ряд особенностей. Основным источником электроэнергии в ней являются ФЭП, поэтому выработка энергии производится неравномерно в течение суток. Для питания потребителей ночью, в утренние и вечерние часы используются накопители электроэнергии - аккумуляторные батареи (АКБ), которые заряжаются в периоды избытка генерируемой ФЭП энергии. В качестве аварийного источника электроснабжения применяется дизель-генератор, покрывающий дефицит электроэнергии при полностью разряженных аккумуляторах.
Эффективная работа системы электроснабжения требует согласованной работы входящих в нее устройств. Использование для этой цели централизованной структуры управления приводит к необходимости организации информационных каналов для обмена данными и значительному усложнению системы. В соответствии с принятым подходом к организации рассматриваемой системы электроснабжения [1], ее элементы соединены вспомогательной линией постоянного тока. Такие устройства, как ФЭП, АКБ, дизель-генератор, подключаются к ней через статические полупроводниковые преобразователи. Их основной функцией является согласование уровней напряжения на выходе работающих с ними устройств и во вспомогательной линии, а также оптимизация режимов работы устройств [4]. В этом случае возможно создание децентрализованной системы управления устройствами электроснабжения в соответствии со следующими принципами.
Системы «ФЭП - преобразователь», «АКБ - преобразователь» и «дизель-генератор - преобразователь» рассматриваются как единые устройства. При выбранных схемотехнических решениях преобразователей для сопряжения ФЭП и АКБ со вспомогательной линией постоянного напряжения напряжение на выходе преобразователей может изменяться в широ-
ких пределах вне зависимости от отдаваемой устройством мощности. Поэтому их внешняя характеристика (зависимость выходного напряжения от тока) должна быть сформирована таким образом, чтобы обеспечивать наиболее эффективное взаимодействие элементов системы. В качестве информационного параметра для определения режима работы может быть использовано напряжение во вспомогательной линии постоянного тока.
Внешняя характеристика генерирующих устройств (ФЭП и дизель-генератор) формируется прямолинейной, падающей, с заданной крутизной. Настраиваемыми параметрами являются напряжение холостого хода (при токе, равном нулю) и наклон (крутизна) характеристики. Пока выходной ток не достигает величины, при которой устройством отдается максимально допустимая мощность, внешняя характеристика формируется по закону постоянства мощности [5, 6], который поддерживается до предельно допустимого тока. В дальнейшем реализуется режим токоограничения. Вид внешней характеристики генерирующих устройств системы показан на рис. 1. Параметрами настройки устройства являются: и0 - напряжение холостого хода; ин, - номинальные напряжение и ток; /тах - предельный отдаваемый устройством ток.
Рис. 1. Внешняя характеристика генерирующих устройств системы электроснабжения
АКБ является устройством, которое может как отдавать, так и потреблять электроэнергию. Внешняя характеристика таких устройств формируется по тому же принципу, что и для генерирующих, с учетом того, что выходной ток может принимать отрицательные значения. Наклон внешней характеристики при отрицательном токе может отличаться от наклона при положительном токе и определяется соотношением мощностей АКБ в режиме заряда и разряда, а также местом расположения в системе электроснабжения. Наклон характеристики в режиме заряда АКБ должен быть незначительным, чтобы наиболее полно исполь-
зовать мощность источников электроэнергии. После достижения током значения, близкого к максимально допустимому току заряда, крутизна характеристики должна резко возрастать. Это позволит ограничить ток заряда в случае, когда мощность источников электроэнергии значительно больше мощности, потребляемой АКБ при заряде. На рис. 2 приведен вид внешней характеристики устройства, способного генерировать и потреблять электроэнергию. Параметрами настройки устройства являются: и0 - напряжение холостого хода; ирн, /рн, /ртах - номинальные напряжение и ток, предельный отдаваемый устройством ток в режиме разряда; изн, 1Ш, ^ах, Лтах - номинальные и предельные напряжение и ток в режиме заряда. Крутизна участков характеристики в режиме заряда определяется из условий устойчивости системы и, по предварительным оценкам, целесообразно принимать 1зн = 0,9 - 0,95 /зтах, а (изн - и) = 0,05 - 0,10 (Цт* - изн).
Рис. 2. Внешняя характеристика генерирующего и потребляющего электроэнергию устройства системы электроснабжения
В качестве примера работы предлагаемого принципа регулирования устройств системы электроснабжения рассмотрен случай совместной работы от одной
линии постоянного напряжения ФЭП и АКБ. Параметры внешних характеристик устройств определяются из следующих условий. Заряд АКБ должен происходить в случае, когда потребляемая нагрузкой мощность меньше мощности ФЭП. Если нагрузка потребляет мощность, превышающую возможности ФЭП, то недостаток мощности покрывается за счет АКБ. Для обеспечения такой логики работы устройств необходимо, чтобы напряжение холостого хода АКБ было меньше или равно номинальному напряжению ФЭП. Тогда АКБ начнет отдавать энергию только в том случае, когда ФЭП перейдет в режим ограничения мощности. Максимальное напряжение в режиме заряда АКБ целесообразно принять равным напряжению холостого хода ФЭП. Тогда, при выполнении рекомендаций по выбору номинальных напряжения и тока АКБ, приведенных выше, будет обеспечиваться практически полное использование мощности ФЭП, не потребляемой нагрузкой. Когда заряд АКБ завершен, потребление энергии этим устройством прекращается.
На рис. 3 показан случай, когда мощность, потребляемая нагрузкой, меньше мощности ФЭП. Напряжение холостого хода АКБ принято равным номинальному напряжению ФЭП. В этом режиме часть мощности ФЭП расходуется на заряд АКБ.
По мере увеличения нагрузки мощность, расходуемая на заряд АКБ, снижается. На рис. 4 показан случай, когда потребляемая нагрузкой мощность равна мощности, отдаваемой ФЭП. Ток через АКБ равен нулю.
При дальнейшем росте нагрузки мощность ФЭП оказывается недостаточной, и АКБ переходит в режим отдачи энергии. Этот случай показан на рис. 5.
Рис. 3. Внешние характеристики АКБ и ФЭП при работе на общую линию постоянного тока. Мощность нагрузки меньше мощности ФЭП, АКБ работает в режиме заряда
Рис. 4. Внешние характеристики АКБ и ФЭП при работе на общую линию постоянного тока. Мощность нагрузки равна мощности ФЭП, ток через АКБ равен нулю
I3max 1зн
1АКБ 1рн Ipmax I
1н I«
ФЭП Imax I
Рис. 5. Внешние характеристики АКБ и ФЭП при работе на общую линию постоянного тока. Мощность нагрузки больше мощности ФЭП, АКБ работает в режиме разряда
Если вспомогательная линия постоянного напряжения имеет значительную протяженность, то при настройке внешних характеристик устройств системы электроснабжения необходимо учитывать падение напряжения в проводах. Для этого напряжение холостого хода АКБ необходимо принимать ниже напряжения холостого хода ФЭП на величину больше или равной величине падения напряжения в соединяющих их проводах.
В случае, когда потребляемая нагрузкой мощность превышает мощность ФЭП и АКБ, недостающая мощность отбирается от дизель-генератора. Для этого его внешняя характеристика настраивается таким образом, чтобы напряжение его холостого хода было ниже номинального напряжения АКБ в режиме разряда. Тогда он будет включаться после того, как ФЭП и АКБ перейдут в режим ограничения мощности, и будет соблюдаться очередность подключения источников электроэнергии.
При использовании описанного принципа децентрализованного управления системой электроснабжения величина напряжения в звене постоянного тока является основным информационным признаком, позволяющим определить баланс мощностей в системе и режим работы устройств. Если напряжение выше номинального напряжения ФЭП, то в системе имеется избыток мощности, генерируемой ФЭП, который используется для заряда АКБ. В случае, когда напряжение находится в диапазоне между номинальным напряжением АКБ и номинальным напряжением ФЭП, мощности, вырабатываемой ФЭП, оказывается недостаточно для питания нагрузки, и ее недостаток покрывается АКБ. Когда напряжение находится в
диапазоне между номинальными напряжениями АКБ и дизель-генератора, он подключается и восполняет недостаток мощности, вырабатываемой ФЭП и АКБ.
Если напряжение в линии понижается ниже номинального напряжения дизель-генератора, то это означает, что все генерирующие устройства работают на полной мощности, и есть риск развала энергосистемы - неконтролируемого снижения напряжения, разрушения целостности системы и нарушения электроснабжения потребителей. Для избегания такого развития событий необходимо ограничивать мощность нагрузки за счет снижения потребляемой мощности или отключения некритичных потребителей.
Литература
1. Колпахчьян П.Г., Лобов Б.Н., Аль Джурни Рагхад А.М., Гуммель А.А. Анализ структуры фотоэлектрической системы // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2014. № 6. С. 44 - 47.
2. Чичёв С.И., Калинин В.Ф., Глинкин Е.И. Информационно-измерительная система электросетевой компании. М.: Спектр, 2011. 156 с.
3. Дорошин А.Н., Виссарионов В.И., Малинин Н.К. Многофакторный анализ эффективности энергокомплексов на основе возобновляемых источников энергии для энергообеспечения автономного потребителя // Вестн. МЭИ. 2011. № 2. С. 45 - 53.
4. Твайделл Дж., Уэйр А. Возобновляемые источники энергии: пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.
5. Осадчий Г.Б. Технология солнечного электроснабжения и энергосбережения // Энергетик. 2014. № 3.
6. Чичёв С.И., Калинин В.Ф., Глинкин Е.И. Система контроля и управления электротехническим оборудованием подстанций. М.: Спектр, 2011. 140 с.
References
1. Kolpakhch'yan P.G., Lobov B.N.,Al' DzhurniRagkhad A. M., Gummel' A.A. Analiz struktury fotoelektricheskoi sistemy [Analysis of the structure of a photovoltaic system]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2014, no. 6, pp. 44-47. [In Russ.]
2. Chichev S.I., Kalinin V.F., Glinkin E.I. Informatsionno-izmeritel'naya sistema elektrosetevoi kompanii [Information-measuring system of the electric grid company]. Moscow, Izdatel'skii dom «Spektr», 2011, 156 p.
3. Doroshin A. N., Vissarionov V. I., Malinin N. K. Mnogofaktornyi analiz effektivnosti energokompleksov na osnove vozobnov-lyaemykh istochnikov energii dlya energoobespecheniya avtonomnogo potrebitelya [Multivariate analysis of the efficiency of power stations based on renewable energy sources to supply power to Autonomous consumer]. Vestnik MEI, 2011, no. 2, pp. 45-53. [In Russ.]
4. Tvaidell Dzh., Ueir A. Vozobnovlyaemye istochniki energii [Renewable energy sources]. Moscow, Energoatomizdat, 1990, 392 p.
5. Osadchii G.B. Tekhnologiya solnechnogo elektrosnabzheniya i energosberezheniya [Solar energy supply and energy EFing]. Energetik, 2014, no. 3. [In Russ.]
6. Chichev S.I., Kalinin V.F., Glinkin E.I. Sistema kontrolya i upravleniya elektrotekhnicheskim oborudovaniem podstantsii [System for monitoring and controlling electrical equipment of substations]. Moscow, Izdatel'skii dom «Spektr», 2011, 140 p.
Поступила в редакцию 19 августа 2015 г.
