Разработка смешанной автономной энергосистемы на базе возобновляемых источников энергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311.8

РАЗРАБОТКА СМЕШАННОЙ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Надежное электроснабжение и устойчивое энергосбережение являются приоритетными направлениями государственной политики. В этой связи возрастает роль исследований и разработок возобновляемых источников питания, в частности фотоэлектрических преобразований на основе солнечных батарей. Условие максимума отбираемой мощности от батареи в целом и описание способа его реализации в условиях непостоянства параметров освещенности и нагрузки рассмотрены в [1, 2].

Наиболее важными объектами коммерческой реализации должны стать солнечные электроустановки, включаемые в общую сеть энергоснабжения. В качестве критерия целесообразности создания солнечных электростанций используется удельная стоимость модулей различных типов. Стоимость 1 кВтч производимой или электрической энергии зависит от объема промышленного производства модулей солнечных батарей (СБ) [3, 4].

В настоящее время наиболее перспективным направлением развития солнечной энергетики является создание тонкопленочных элементов на базе аморфного кремния и его сплавов. Основные проблемы при проектировании автономных смешанных энергосистем на базе возобновляемых источников энергии сопряжены с необходимостью эффективного накопления и хранения энергии с учетом неравномерного поступления энергии солнечной радиации и изменения КПД ее преобразования в течение суток и года (КПД СБ достигает 12-15 %).

Наиболее дорогостоящим видом накопления и хранения электрической энергии являются электрохимические аккумуляторы, электрические параметры которых должны обеспечить возможность аккумулирования электроэнергии для собственных нужд на срок не менее 3 сут. [4]. Аккумуляторную батарею характеризуют следующие параметры: емкость Q, ЭДС Е и напряжение на зажимах V; зарядное и разрядное напряжение и ток (изар, ираз, 1зар, 1раз); внутреннее сопротивление г и КПД по емкости и энергии цш; время заряда и разряда ¿зар, ¿раз. Для соответствующих аккумуляторных батарей заданными являются перечисленные выше параметры. Связь между этими параметрами выражается следующими формулами:

Докт. техн. наук, проф. ЛАОШВИЛИ Д. П., докт. техн. наук КОХРЕИДЗЕ Г. К.

Научно-инженерный центр электроэнергетики Грузинского технического университета

зар раз

зар^раз ираз^зар ^зар изар ^зар ^зар

_ (^зар'^раз ^раз^зар )изар

Пе (и I - и I )и ' П >П.

зар раз раз зар раз

(2)

На рис. 1 представлена эквивалентная схема солнечного элемента [1, 5].

V

1 &

и

VD

т

Рис. 1

V

иа

Вольт-амперная характеристика солнечного элемента описывается выражением

где

i = J -1

( и ^

еАф-1

V /

(3)

I = IКЗ0 -10 {exp[g (и - Я,I)/кТ] -1};

кТ

ф=—; ер = жр, g

(4)

где J - фототок, пропорциональный освещенности; I - ток насыщения электронно-дырочного перехода; А - диодный коэффициент; ^ - совпадает с силой тока короткого замыкания панели и прямо связан с ее освещением; ^ - обратный ток фотоэлектрического преобразователя; g - заряд электрона; Я, - внутреннее сопротивление фотоэлектронной панели; к - постоянная Больцмана; Т - рабочая температура. Для идеализированного случая Я, = 0, Яр = да [1, 4].

Современная смешанная автономная энергосистема содержит комбинации новых типов источников энергии - фотогальванические решетчатые антенны и ветровые турбины с дизельным генератором и аккумуляторной батареей. Гибридные энергосистемы находят применения для электрификации в удаленных районах, где расходы на расширение энергосистемы являются невозможными и цены на горючее и топливо чрезвычайно высоки из-за транспортировки [5]. Авторами представлена структурная схема смешанной энергосистемы постоянного и переменного напряжения, одновременно использующей фотоэлектрические преобразователи и аккумуляторные батареи [2, 6, 7]. На рис. 2 показана разработанная авторами принципиальная электрическая схема смешанной автономной энергосистемы, состоящей из: импульсного преобразователя постоянного тока (ИППТ); солнечной батареи; аккумуляторной батареи (АБ); сети постоянного тока

б

а

(СПТ); преобразователя постоянного тока-прерывателя (ППТ); инвертора (И); однофазового согласующего силового трансформатора (Тр); высоковольтной сети переменного тока (ВС); выключателя постоянного тока (В1); выключателей переменного тока (В2, В3); нагрузок сетей постоянного и переменного напряжения (Н1, Н2).

ППТ

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема смешанной автономной энергосистемы постоянного и переменного напряжения на базе возобновляемых источников энергии

ИППТ предназначен для регулирования напряжения сети U1 постоянного тока в результате бесконтактного секционирования СБ и АБ. В схеме ИППТ VB1, VB2 - IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) транзисторы; T1, T2 - однооперационные быстродействующие тиристоры; V0 - нулевой высокочастотный диод; L1, L2 - дроссели, ограничивающие скорость нарастания токов в тиристорах T1, T2; L3, L4 - дроссели, способствующие равномерному распределению токов между транзисторами VB1, VB2; RB1, CB1, D1, RB2, CB2, D2, Rk, Ck, (k = 0; 1,2) демпфирующие цепочки.

При отключенных VB1, VB2 и включенных T1, T2 имеет место параллельное соединение СБ, АБ.

При включенных VB1, VB2 имеет место последовательное соединение СБ, АБ. Кроме пересоединения СБ, АБ, транзисторы VB1, VB2 осуществляют также коммутацию тиристоров T1, T2 напряжением иСБ, иАБ. Для защиты тиристоров T1, T2 от перенапряжений и исключения высокочастотных колебаний они зашунтированы демпфирующими цепочками R2C2.

При отключенных УВ1, УБ2, Т2 СПТ получает питание только от СБ. В этом случае Т1 находится во включенном состоянии. При отключенных УБ1, УВ2, Т1 и включенном Т2 СПТ получает питание только от АБ. Таким образом получается автоматическое бесконтактное секционирование СБ, АБ.

Общая оценка ИППТ [8]: минимальные прямые и коммутационные потери, отсутствие дополнительных коммутирующих элементов, как следствие - сочетание Т1, Т2 и ЮВТ, в результате чего ИППТ будет компактным и экономичным.

Силовые ЮВТ-модули заняли доминирующее положение на рынке приборов силовой электроники практически для всех видов преобразовательного оборудования мощности до единиц МВА. В последние годы интенсивно развивается технология прижимной конструкции ЮВТ-модулей, имеющих двустороннее охлаждение, низкую индуктивность выводов, высокую надежность и энерготермоциклоустойчивость [9].

Коммутируя модули СБ последовательно-параллельно, можно соответственно увеличивать или уменьшать рабочее напряжение иСБ и ток со-гласуя электрические характеристики СБ с энергопотребителями.

Преобразовательные установки ППТ, И позволяют обеспечить совместную работу СБ, АБ и ВС. ППТ состоит из транзисторов УТ1, УТ2; диодов УВ1, VD2, VD3; конденсаторов С3, С4, С5; дросселя L5. Однофазный инвертор состоит из транзисторов УТ3^Т6.

ППТ обеспечивает синусоидальный выходной ток, синхронизированный с сетью переменного тока. Однофазный инвертор управляется импульсами прямоугольной формы и синхронизирован с сетью переменного тока.

В случае, когда Еёс > ес, возможны три режима работы преобразовательной установки [10]:

• транзисторы УТ1 и УТ2 закрыты, обратный диод VD3 открыт и ток ^ф протекает в контуре L5 - первичная обмотка трансформатора Тр; соответственно iс протекает в контуре вторичная обмотка Тр - сеть переменного тока. Конденсатор С5 заряжен до напряжения Е^с;

• транзисторы УТ1 и УТ2 открыты, а диод VD3 закрыт. Конденсатор С5 отдает накопленную энергию в сеть переменного тока, разряжаясь до нуля;

• транзисторы УТ1 и УТ2 закрываются, конденсатор С5 заряжается от источника входного напряжения Е^с. Диод VD3 открывается, когда напряжение на конденсаторе достигает значения ес.

Таким образом, когда транзисторы УТ1, УТ2 закрыты, энергия накапливается в конденсаторе С5, а когда они открываются - отдается в сеть переменного тока [10].

Напряжение есСс00 в первом и третьем режимах равно нулю, а во втором режиме

е^о = Е* + ес. (5)

ЮВТ транзисторы УТ3-УТ6 и УТ4-УТ5 переключаются каждые полпериода, формируя выходное напряжение и ток синусоидальной формы из мгновенных значений е^с и il^с. При таком управлении отсутствует задержка между переключениями транзисторов и они переключаются при нулевых

напряжении и токе, потери при переключениях очень малы. КПД установки при мощностях 100-700 Вт превышает 90 %, а коэффициент мощности близок к единице [10].

В дальнейшем предусмотрено математическое и компьютерное моделирование электромагнитных переходных процессов с учетом статических и динамических параметров нагрузок сетей постоянного и переменного напряжения.

В Ы В О Д Ы

1. Разработана принципиальная электрическая схема смешанной автономной параллельной энергосистемы постоянного и переменного напряжения на базе солнечной и аккумуляторной батарей.

2. Для регулирования напряжения сети постоянного тока в схеме предусмотрен импульсный преобразователь постоянного тока, с помощью которого осуществляется бесконтактное секционирование солнечной и аккумуляторной батарей.

3. Составлена схема замещения солнечной батареей и получены выражения ЭДС, внутреннего сопротивления, КПД как по емкости, так и по энергии аккумуляторной батареи в зависимости от зарядного и разрядного тока и напряжения, а также от времени заряда и разряда.

4. Для устойчивой параллельной работы сетей постоянного и переменного тока между этими сетями предусмотрено последовательное соединение преобразователя постоянного тока, инвертора и однофазного силового трансформатора.

5. Рассмотрены три основных режима работы преобразователя постоянного тока, при которых происходит накапливание или отдача энергии конденсатора в сеть переменного напряжения.

6. В результате выбора ИППТ и ППТ предложенной схемы смешанной энергосистемы КПД установки превышает 90 %, а коэффициент мощности близок к единице.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. А р т е м е н к о, М. Е. Оптимизация отбора мощности, генерируемой солнечной батареей / М. Е. Артеменко // Техническая электродинамика. Проблемы современной электротехники. - Киев, 2000. - Ч. 6. - С. 78-79.

2. К о х р е и д з е, Г. К. Система управления и контроля отбора оптимальной мощности в гибридных автономных энергосистемах с нетрадиционными источниками энергии / Г. К. Кохреидзе, Д. П. Лаошвили, В. Ш. Метревели // Техническая электродинамика. Проблемы современной электротехники. - Киев, 2001. - С. 115-119.

3. К о х р е и д з е, Г. К. Энергосбережение средствами смешанной энергосистемы постоянного и переменного напряжения. Проблемы автоматизированного привода / Г. К. Кохреидзе, Д. П. Лаошвили, В. Ш. Метревели // Вестник Харьковского гос. политехн. ун-та. -

2001. - Вып. 10. - С. 231-322.

4. Я к и м е н к о, Ю. И. Фотоэнергетические системы / Ю. И. Якименко, А. Н. Шмыре-ва, А. В. Богдан // Техническая электродинамика. Проблемы современной электротехники. - Киев, 2000. - Ч. 1. - С. 85-92.

5. К в о п р о с у устойчивости режимов в гибридной энергии. Проблемы автоматизированного привода / Г. К. Кохреидзе [и др.] // Вестник Харьковского гос. политехн. ун-та. -

2002. - Вып. 12, т. 1. - С. 264-266.

6. К о м п ь ю т е р н о е моделирование и управление электромагнитными переходными режимами в автономных гибридных энергосистемах на базе возобновляемых источников питания / Г. К. Кохреидзе [и др.] // Техническая электродинамика. - Киев, 2002. -С. 185-191.

7. М о д е л и р о в а н и е динамических процессов в автономной энергосистеме с возобновляемыми источниками энергии / Г. К. Кохреидзе [и др.] // Техническая электродинамика. Силовая электроника и энергоэффективность. - Киев, 2002. - С. 109-113.

8. Д в у х ф а з н ы й импульсный преобразователь постоянного тока для рудничных аккумуляторных электровозов / О. Н. Синчук [и др.] // Техническая электродинамика. Силовая электроника и энергоэффективность. - Киев, 2002. - С. 11-13.

9. Ф л о р е н ц о в, С. Н. Состояние и тенденции развития силовых модулей / С. Н. Фло-ренцов // Техническая электродинамика. Проблемы современной электротехники. - Киев, 2000. - Ч. 1. - С. 50-57.

10. П р е о б р а з о в а т е л ь н а я установка, работающая на сеть переменного тока / В. И. Сенько [и др.] // Техническая электродинамика. Силовая электроника и энергоэффективность. - Киев, 2002. - Ч. 1. - С. 62-65.

Поступила 11.11.2009

УДК 621.83.52

ПРИМЕНЕНИЕ МЯГКОГО ПУСКА, ТОРМОЖЕНИЯ И РАБОТЫ НА ПОНИЖЕННОЙ СКОРОСТИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ ДЛЯ МЕХАНИЗМОВ ПЕРЕДВИЖЕНИЯ КРАНОВ

Докт. техн. наук, проф. ФИРАГО Б. И., асп. ВАСИЛЬЕВ Д. С.

Белорусский национальный технический университет

В электроприводах (ЭП) механизмов передвижения кранов и тележек до настоящего времени применяются асинхронные двигатели (АД) с ко-роткозамкнутым ротором как наиболее простые, дешевые и надежные [1]. Недостатками их является наличие больших пусковых токов и ударных электромагнитных моментов, отрицательно влияющих на долговечность и надежность работы механических передач. В ЭП, где по технологическим причинам не требуется длительная работа на промежуточных скоростях, требования по обеспечению экономичности работы ЭП, плавности пускотормозных процессов, ограничению ударных моментов и пусковых токов, получению пониженных устойчивых скоростей для точной остановки могут быть удовлетворены с помощью устройств плавного пуска (УПП) и торможения [2]. На выходе УПП с помощью системы управления изменяется величина первой гармоники питающего АД напряжения при его постоянной частоте. При определенном алгоритме управления на выходе УПП можно получить также напряжение пониженной частоты, которое