CC BY
6
УДК 621.314
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-12-162-167
РАЗРАБОТКА ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМУ ИССЛЕДОВАНИЮ РАБОТЫ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Б.А. Авдеев, А.В. Вынгра
Рассмотрен вопрос применения современных силовых преобразователей в системах электроснабжения России. Произведены экспериментальные исследования лабораторного образца твердотельного трансформатора в составе ветрогенераторной установки. Произведена оценка качества работы трансформатора. Найдены критические неисправности и определены пути совершенствования установки. Стенд показал сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Заключено, что полученный твердотельный трансформатор обладает возможностью подключения к источникам малой генерации и накопителям электроэнергии.
Ключевые слова: твердотельный трансформатор, лабораторный стенд, силовая преобразовательная техника.
Одной из характеристик современных электроэнергетических систем является значительная доля нетрадиционных и возобновляемых источников электроэнергии и распределённой генерации. Одновременно с этим растёт сложность электрической сети, что требует двунаправленного потока мощности в системе распределения, возможностей контроля и управления, мониторинга и самовосстановления. Также проблемой в реализации энергоснабжения является неустойчивый характер многих возобновляемых источников электроэнергии как с точки зрения выдаваемой мощности, которая зависит от внешних факторов (силы ветра, времени суток, облачности), так и качества электроэнергии [1]. Для того чтобы обеспечить всё возрастающее потребление электроэнергии необходимо разрабатывать новые устройства и технологии распределенных децентрализованных систем электроснабжения.
В качестве направления развития децентрализованных интеллектуальных систем электроснабжения можно отдельно выделить твердотельный трансформатор (ТТТ), представленный на рис. 1. ТТТ позволяет интегрировать любые нестабильно работающие источники электроэнергии, а также системы хранения энергии в единую энергосистему [2]. Помимо прочего, ТТТ в режиме реального времени позволяет повышать качество электроэнергии и работать компенсаторами реактивной мощности, что приведет к ещё большей эффективности распределительных сетей электроснабжения.
s-
UBx
Выпрямитель
J
¡Е^ JE^
J
Igjj Jj+ps
Изолированный двунаправленный преобразователь постоянногонаПРЯЖения
Инвертор
J
J
Выпрямитель
Elf JE^
Инвертор
Рис. 1. Твердотельный трансформатор
-s
UВы х
Постановка задачи. Вопросами развития ТТТ в зарубежной научной литературе посвящено много исследований [3, 4], в том числе и экспериментального характера [5, 6]. В Российской Федерации данным вопросам занимается ограниченное количество лиц [7-11] и среди исследований практических исследований найти не удалось. Целью статьи является разработка стенда по исследованию работы ТТТ в различных режимах, необходимый для апробации теоретического выводов и имитационных моделей.
Выбор элементной базы:
1. Выбор транзисторов. В качестве силовых полупроводниковых ключей имеется возможность использовать следующие типы транзисторов: ЮВТ, MOSFET и SiC MOSFET (карбид-кремневые). Несмотря на то, что лучшие показатели работы у SiC MOSFET, для экспериментального исследования они не подходят из-за высокой стоимости. ЮВТ лучше работают при высоких напряжениях с небольшой частотой коммутации, поэтому в качестве элементной базы был выбран классический MOSFET. Для усилителей сигналов управления, подаваемых на затворы транзисторов с микроконтроллера, были использованы изолирующие драйверы IGBT/MOSFET HCPL-3120б, обеспечивающий защиту от короткого замыкания и гальваническую развязку, а также быстродействующую коммутацию и высокую стойкость к электромагнитным шумам. В качестве транзисторов выступают IRF730PBF, рассчитанных на 400В и 5.5А.
2. Разработка печатной платы однофазного моста. В программе DipTrace разработана печатная плата однофазного моста с гальванической развязкой и усилением (рис. 2). Отличительной особенностью полученных печатных плат являлось разнесение как можно дальше силовых цепей и цепей управления во избежание дополнительных электромагнитных помех. Таких плат было изготовлено 4 штуки.
Рис. 2. Печатная плата однофазного силового моста
3. Выбор микроконтроллера. Для управления большим количеством силовых ключей в режиме реального времени необходим мощный микроконтроллер. Было выбран STM32F407G-DISC1. Решения на базе STM32 активно используются в преобразовательной технике благодаря производительности микроконтроллера, его удачной архитектуре, малом энергопотреблении и небольшой цене.
4. Создание высокочастотного трансформатора и дополнительных индуктивностей. Высокочастотные трансформаторы наиболее часто применяются для систем управления, поэтому их мощность весьма ограничена. Не найдя приемлемого трансформатора, было принято решение изготовить его самостоятельно. Основой трансформатора послужил, кольцевой ферритовый сердечник М1000НМ, 28х16х9 с намотанными обмотками в 100 и 50 витков соответственно. Намотка производилась обмоточным проводом с сечением 2 мм2. Таким же проводом были намотаны несколько вариантов дополнительных катушек индуктивности.
5. Выбор типа модуляции. Все схемы модуляции в твердотельных трансформаторах направлены на создание переменного напряжения для передачи его через ВЧ-трансформатор. Существуют две основные схемы модуляции: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и блочная модуляция (рис. 3). ШИМ обеспечивает высокочастотную последовательность импульсов переключения, чтобы получить низкочастотную среднюю форму сигнала переменного тока на выходе. Блочная модуляция основана на модуляции каждой ветви моста в виде прямоугольного импульса неизменной продолжительности, в результате чего на выходе получается меандр в случае двухуровневой модуляции или трехступенчатой усеченной пирамиды при использовании трехуровневой модуляции. Благодаря более простой реализации управления, возможности использования более высокие частоты передачи переменного напряжения и более быстрый динамический отклик предпочтение было отдано блочной модуляции. Для выходного инвертора применяется классическая ШИМ.
1 1 1 1 1 1 г Г -Вы ВДЯ*« ннрпдмч шИГ:±Е
1 1 1 1 г 1 | 1
оог оои поз* о о2а оо2в ао! она: они наш о ом от
Рис. 3. Широтно-импульсная модуляция и блочная модуляция
Описание лабораторного стенда. На основании имитационной модели системы управления твердотельного трансформатора замкнутого типа, представленной в [12], был разработан алгоритм и написан код для отладочной платы STM32F407G-DISC1 с использованием программы STM32CubeIDE. Система управления ТТТ имеет два независимых контура. Первый контур отвечает за работу двойного
активного моста, в то время как второй контур предназначен для формирования выходного синусоидального напряжения с выхода ТТТ. Принцип работы первого контура состоит в изменении фазового угла между открытиями транзисторов на инверторном и выпрямительном мостах. В качестве регулятора использовался дискретный ПИ-регулятор с частотой дискретизации 0,2 мс. Второй контур регулирования позволяет модулировать синусоиду с заданной амплитудой, частотой, и фазовым углом. Формирование модулируемого сигнала синусоиды складывается из двух составляющих: принуждённой и свободной. Синусоида формируется на основании заданной фазы и частоты, которая умножается на сумму фиксированной и свободной составляющих модулируемого сигнала. Работа контроллера проверялась на осциллографе и только после детальной проверки, контроллер был подключён к силовой части.
Твердотельный трансформатор представлен на рис. 4.
Рис. 4. Общий вид лабораторного образца ТТТ
Последним шагом в создании имитационной модели была отладка работы всего устройства, применимо к работе ветрогенератора небольшой мощности, у которого не значительно изменяется входное напряжение при значительном диапазоне изменения частоты вращения и, соответственно, выдаваемой частоты переменного напряжения.
Следующим этапом являлось создание лабораторного стенда, имитирующего работу ветроге-нератора на нагрузку с использованием твердотельного трансформатора. Стенд состоит из источника переменного напряжения, твердотельного трансформатора и нагрузки. В качестве источника переменного напряжения выступила однофазный синхронный генератор S15W-45 мощностью 1,2 кВА. Приводом к синхронному генератору выступил асинхронный двигатель АИР80А2 380В 1,5 кВт 3000об/мин. Питание к асинхронному электродвигателя подаётся с помощью трёхфазного частотного преобразователя ПЧВ102-2К2-В мощностью 2,2 кВт. Регулируя напряжение на частотном преобразователе, меняется момент и частота вращения двигателя, что в свою очередь приводит к изменению величины напряжения и частоты синхронного генератора. Сложность данной схемы продемонстрирована необходимостью сохранить инерционность процессов, происходящих с ветрогенераторами. Ещё один аргумент использования данной схемы перед частотным преобразователе заключается в качестве выходного напряжения генератора, чего бы нельзя было бы добиться у частотного преобразователя с помощью пассивных трёхфазных синус-фильтров. В качестве нагрузки выступали два последователь подключённых реостата сопротивления ТЕТРОН РСК-1-11 15 Ом 2,6 А. ТТТ был собран согласно элементам, выбранным для имитационного моделирования. В качестве контрольно-измерительных приборов выступали ваттметр цифровой 600 В, 20 А, 12 кВт ТЕТРОН-МТ92, датчик тока ACS758-100, измеритель иммитанса 10 кГц ТЕТРОН-RLC10, мультиметр цифровой иТ105, осциллограф цифровой, 2 канала АКИП-4115/3.
Функциональная схема стенда приведена на рис. 5. Переменное напряжение, поступающее с синхронного генератора, подаётся на ТТТ, в котором происходит преобразование уровня и частоты напряжения. В ТТТ происходит прямое преобразование электроэнергии: сначала переменное напряжение выпрямляется, затем с помощью двойного активного моста преобразуется в постоянное напряжение необходимого уровня. После двойного активного моста стоит инвертор, который на выходе выдаёт переменное напряжение заданного уровня и частоты.
Результаты работы с экспериментальным стендом. Некоторые результаты работы стенда продемонстрированы на рис. 6. Более подробно результаты работы собранной установки будут приведены в последующих публикациях.
Среди проблемных мест было обнаружено резкое увеличения тока на входе ВЧ-трансформатора, вызванная недостаточной добавочной индуктивности при недостаточной нагрузке. Это может привести к выходу из строя ТТТ, поэтому требуется введения ограничения по току. Также в качестве проблемных мест было выявлено большие входные токи на входном выпрямителе из-за высокой
ёмкости сглаживающего конденсатора, поэтому желательно поставить после выпрямителя корректор напряжения. К выявленным проблемам можно отнести и высокий уровень электромагнитных помех, возникающих из-за работы нелинейных полупроводниковых устройств на высокой частоте.
STM32F407G-DISC1
■3Ф380В Задание
напряжения
„и частоты
Нагрузка
дёы
Твердотельный транс формат ор
Рис. 5. Функциональная схема стенда по исследованию работы ТТТ
£ ££> I с"
А
у п и Г м
г 1* А н
А2 я
Время, лике
■0,2 о о,г 0,4
Время, мне
Рис. 6. Осциллограммы работы ТТТ
Выявленные недостатки будут учтены и по возможности скорректированы на следующем этапе работы. По результатам предварительных испытаний была произведена корректировка рабоче-конструкторской документации.
Заключение. Для экспериментального исследования ТТТ был разработан стенд, позволяющий оценить работу ТТТ, применимого в качестве преобразователя электроэнергии переменной частоты и уровня напряжения. Найдены критические неисправности и определены пути совершенствования установки. Стенд показал сходимость теоретических и экспериментальных результатов. Полученный ТТТ обладает возможностью подключение к источникам малой генерации и накопителям электроэнергии.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-20094, https://rscf.ru/proiect/22-29-20094/
Список литературы
1. Соболев В.С. Совершенствования зарядных устройств постоянного тока с использованием твердотельных трансформаторов // Образование, наука и молодежь - 2022. Керчь, 2022. С. 31-33.
2. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Суслов К.В. Изолированная система электроснабжения с энергетическими роутерами и возобновляемыми источниками энергии // Вестник ИжГТУ имени М.Т. Калашникова. 2021. Т. 24. № 2. С. 124-134.
3. Hannan M.A., Ker P.J., Hossain Lipu M.S. and others. State of the Art of Solid-State Transformers: Advanced Topologies, Implementation Issues, Recent Progress and Improvements. IEEE Access, 2020. P. 1-1. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2967345.
4. Vaca-Urbano F., Alvarez-Alvarado M.S. Power quality with solid state transformer integrated smart-grids. IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Conference - Latin America, ISGT Latin America 2017, 2017. Vol. 2017-Janua. P. 1-6. DOI: 10.1109/ISGT-LA.2017.8126684.
5. Zixin L., Ping W., Zunfang C., Haibin Z., Zhandong S., Yaohua L. A three-phase 10 kVAC-750 VDC power electronic transformer for smart distribution grid. 15th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE), 2013. P. 1-9. DOI: 10.1109/EPE.2013.6631810.
6. Zhang X, Xu Y., Long Y., Xu S., Siddique A. Hybrid Frequency Cascaded Full-Bridge Solid-State Transformer. IEEE Access, 2019. Vol. 7. P. 22118-22132. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2898985.
7. 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.
8. Царева П.Е., Авдеев Б.А., Марковкина Н.Н., Епифанцев И.Р., Жиленков А.А. Моделирование работы трехфазного твердотельного трансформатора при изменении нагрузки // Электротехника. 2022. №6. С. 61-64. DOI: 10.53891/00135860_2022_6_61.
9. Смоленцев Н.И., Игнатов А.Н., Иргибаева Д.С. Энернет. Состояние и перспективы // Современные проблемы телекоммуникаций. Материалы Международной научно-технической конференции. Новосибирск, 2021. С. 409-413.
10. Соснина Е.Н., Шалухо А.В., Эрдили Н.И., Власов А.С. Мультиагентный подход к управлению разнородными источниками энергии в системах автономного электроснабжения // Состояние и перспективы развития электро- и теплотехнологии (XXI Бенардосовские чтения). Иваново, 2021. С. 252254.
11. Арсентьев Г.О., Булатов Ю.Н., Крюков А.В. Применение энергороутеров в системах электроснабжения с распределенной генерацией // Электроэнергетика глазами молодежи - 2017. Материалы VIII Международной научно-технической конференции. 2017. С. 143-146.
12. Авдеев Б.А., Вынгра А.В. Совершенствование системы регулирования напряжения твердотельного трансформатора в интеллектуальных сетях электроснабжения / Б.А. Авдеев, А.В. Вынгра // Изв. вузов. Электромеханика. 2022. Т. 65. № 3. С. 64-69. DOI: 10.17213/0136-3360-2022-3-64-69.
Авдеев Борис Александрович, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет,
Вынгра Алексей Викторович, преподаватель, [email protected], Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
CONVERTERS BASED ON SOLID STA TE TRANSFORMERS FOR INTEGRA TION OF RENEWABLE ELECTRICITY SOURCES IN THE POWER INDUSTRY OF RUSSIA
B.A. Avdeev, A. V. Vyngra
The question of application of modern power converters in power supply systems of Russia is considered. Experimental studies of a laboratory sample of a solid-state transformer as part of a wind turbine were carried out. The evaluation of the quality of the transformer. Critical faults were found and ways to improve the installation were determined. The stand showed the convergence of theoretical and experimental results. The resulting solid-state transformer has the ability to connect to low-generation sources and energy storage devices.
Key words: solid-state transformer, laboratory stand, power converter technology.
Avdeev Boris Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, dirigeant@mail. ru, Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university,
Vyngra Aleksei Viktorovich, lecturer, [email protected], Russia, Kerch, Kerch state maritime technological university
