Инверторы солнечных электростанций с улучшенными техническими характеристиками

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кубанский государственный аграрный университет

Инверторы солнечных электростанций с улучшенными техническими характеристиками

Григораш Олег Владимирович, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой

Усков Антон Евгеньевич

Семёнов Ярослав Александрович, студент

Краснодар

Аннотация

В статье рассматриваются структурно-схемные решения систем управления и стабилизации напряжения однофазных мостовых схем инверторов солнечных электростанций с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения и улучшенными техническими характеристиками.

Ключевые слова: автономные инверторы, солнечные электростанции, солнечные фотоэлектрические установки, солнечная батарея, система управления.

Отрицательные экологические последствия от использования традиционных источников энергии, а также ограниченный их ресурс привели в настоящее время к глубокому изучению, разработке и внедрению возобновляемых источников энергии [1, 2].

Перспективным направлением является внедрение солнечных электростанций в Краснодарском крае [3, 4].

Известно, что одним из основных функциональных узлов солнечных фотоэлектрических установок (СФЭУ) являются автономные инверторы (АИ), которые согласуют электрические параметры солнечных батарей с параметрами, необходимые для нагрузки. Практически от АИ зависят показатели надёжности СФЭУ, в том числе ресурс непрерывной работы [5].

Конструктивно СФЭУ содержит:

- солнечные батареи (СБ), содержащие фотоэлементы;

- автономный инвертор (АИ), выполненный на полупроводниковых приборах, как правило, в своей конструкции, содержащий трансформатор;

- аккумуляторные батареи (АБ);

- систему управления и защиты (СУЗ).

Солнечные батареи СБ преобразуют энергию солнечного излучение в электрическую энергию постоянного тока. АИ выполняют три функции: преобразуют напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока; согласуют уровни напряжения источника с нагрузкой, за счёт трансформаторов, входящих в их конструкцию; стабилизируют напряжение при изменении величины и характера нагрузки. Аккумуляторные батареи в составе СФЭУ выполняют функции резервного источника электроэнергии. Система управления и защиты СУЗ кроме стабилизации напряжения, обеспечивает переход питания нагрузки от СБ к АБ и защиту СФЭУ от аварийных режимов работы [6].

Основными недостатками эксплуатируемых АИ в составе СФЭУ являются относительно низкие показатели надёжности и повышенный уровень электромагнитных помех, за счёт наличия силовых электронных приборов [7]. инвертор однофазный солнечный электростанция

Для улучшения эксплуатационно-технических характеристик АИ в настоящее время существуют несколько направлений:

- применение однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП);

- применение в конструкции АИ промежуточного звена повышенной частоты;

- совершенствование системы управления силовыми электронными приборами.

Перспективным является направление применения в составе АИ трансформаторов с вращающимся магнитным полем [8, 9]. Важным преимуществом конструкции ТВМП является то, что они позволяют из однофазного напряжения переменного тока получать многофазную симметричную систему напряжений. А это приведёт к исключению трёхфазных АИ и применению однофазных, а трехфазную систему напряжений получать с помощью однофазно-трёхфазных ТВМП. Уменьшение в составе автономных инверторов силовых полупроводниковых приборов позволяет упростить силовую схему и систему управления и повысить показатели надёжности и КПД автономных инверторов СФЭУ. Недостатками схем АИ на ТВМП являются повышенные массогабаритные показатели и небольшой диапазон стабилизации напряжения. Однако значительно повышается эффект от использования ТВМП для обеспечения параллельной работы АИ солнечных электростанций [6].

Применение в силовой схеме АИ промежуточного высокочастотного звена, функцию которого выполняет сам инвертор и реверсивного выпрямителя, преобразующего высокочастотный сигнал в напряжение переменного тока промышленной частоты, значительно улучшает массогабаритные показатели АИ. Основными недостатками, рассмотренной конструкции АИ, являются относительно низкие показатели КПД и небольшая расчётная мощность [7].

В статье авторами рассматриваются новые структурно-схемные решения систем управления АИ с широтно-импульной модуляцией выходного напряжения с улучшенными техническими характеристиками. Новизна технических решений схем подтверждена патентами РФ [10, 11].

Однофазный АИ с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения содержит: мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах VT1-VT4, к которым встречно-параллельно включены диоды VD1-VD4, выходной Г- образный фильтр, содержащий дроссель L и конденсатор C, и систему управления СУ.

В состав СУ входят: задающий генератор ЗГ, генератор типа кривой ГТК, измеритель отклонения напряжения ИОН, сумматор СУМ, выпрямитель В, генератор треугольного напряжения ГТН, формирователь импульсов ФИ, первый и второй логические элементы И1 и И2, первый и второй усилители импульсов УИ1 и УИ2.

Система управления АИ работает следующим образом. С задающего генератора синусоидальной формы ЗГ сигнал u_зг поступает на первый вход сумматора СУМ, на второй вход которого поступает сигнал Дu от измерителя отклонения напряжения ИОН, работа которого синхронизируется с работой задающим генератором ЗГ. В сумматоре сигналы u_зг и Дu складываются и результирующий сигнал поступает на вход выпрямителя В, где выпрямляется и поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ. На второй вход формирователя импульсов ФИ поступает сигнал u_ГТН от генератора треугольного напряжения ГТН.

В случае когда u_ГТН < u_B на выходе формирователя импульсов ФИ формируются импульсы управления, которые поступают на первые входы логических элементов И И1 и И2, на вторые входы которых поступает сигнал о полярности напряжения от генератора типа кривой ГТК. При положительной полярности напряжения задающего генератора ЗГ, срабатывает логический элемент И И1 и импульсы от формирователя импульсов ФИ, через усилитель импульсов УИ1, поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 и VT4 и на выходе инвертора формируется положительная полуволна выходного напряжения u_ВЫХ. При отрицательной полярности напряжения задающего генератора ЗГ, срабатывает логический элемент И И2 и импульсы от формирователя импульсов ФИ, через усилитель импульсов УИ2, поступают на управляющие электроды транзисторов VT2 и VT4 и на выходе инвертора формируется отрицательная полуволна выходного напряжения u_ВЫХ.

К примеру, если напряжение на выходе инвертора уменьшится, тогда сигнал рассогласования Дu суммируется с сигналом задающего генератора u_зг, увеличивается амплитуда сигнала u_B на выходе выпрямителя B. В результате увеличивается длительность импульсов управления на выходе формирователя импульсов ФИ и увеличивается напряжение на выходе инвертора u_ВЫХ.

Применение в составе системы управления АИ с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения измерителя отклонения напряжения, генератора типа кривой и сумматора, обеспечивает стабилизацию выходного напряжения инвертора при изменении величины и характера нагрузки в широком диапазоне [12].

Широтно-импульсная модуляция выходного напряжения и его стабилизация системой управления СУ осуществляется следующим образом. С выходом генератора пилообразного напряжения ГПН опорный сигнал u_ГПН поступает на второй вход формирователя импульсов ФИ, на первый вход которого поступает ведущий сигнал u_ТВБ, от трансформаторно-выпрямительного блока ТВБ.

Когда u_ГПН > u_ТВБ на выходе формирователя импульсов ФИ формируются управляющие импульсы u_у, которые поступают на первые входы логических элементов И И1 и И2. На вторые входы логических элементов через генератор типа кривой ГТК, поступает сигнал синусоидального напряжения от генератора синусоидального напряжения ГСН. Таким образом, когда u_ГСН имеет положительную полярность, то управляющие импульсы с выхода логического элемента И1 через распределительно-усилительный блок РИ1 поступают на управляющие электроды транзисторов VT1 и VT4 и на выходе автономного инвертора напряжения формируется положительная волна напряжения u_ВЫХ.

Когда напряжение генератора ГСН u_ЗСН имеет отрицательную полярность, то управляющие импульсы с выхода логического элемента И2 через блок РИ2 поступают на управляющие электроды транзисторов VT2 и VT3, и на выходе автономного инвертора формируется отрицательная волна напряжения u_ВЫХ.

К примеру, если выходное напряжение инвертора u_ВЫХ уменьшиться, то и уменьшится величина ведущего сигнала u_ТВБ. Это приведёт к увеличению времени открытого состояния транзисторов силовой схемы АИ, и повышению уровня выходного напряжения инвертора u_ВЫХ.

Таким образом, применение в составе СФЭУ предложенных структурно-схемных решений систем управления АИ позволит улучшить их эксплуатационно-технические характеристики.

Список литературы

1. Григораш О.В., Стрелков Ю.И. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии. Промышленная энергетика. 2001. № 4. С.37-40.

2. Григораш О.В., Степура Ю.П., Пономаренко А.С. и др. Современное состояние производства электроэнергии возобновляемыми источниками в мире и России. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С.159-163.

3. Григораш О.В., Коваленко В.П., Воробьев Е.В. Перспективы возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае. Труды Кубанского государственного агарного университета. 2012. № 6. С. 123- 27.

4. Григораш О.В., Тропин В.В., Оськина А.С. Об эффективности и целесообразности использования возобновляемых источников электроэнергии в Краснодарском крае. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2012. №09 (083). С.506-517.

5. Григораш О.В., Степура Ю.П., Сулейманов Р.А. и др. Возобновляемые источники электроэнергии. Краснодар. 2012. С. 272.

6. Григораш О. В., Степура Ю.П., Божко С.В. и др. Автономные инверторы модуляционного типа. Краснодар. 2008. С.187.

7. Богатьрев Н.И., Григораш О.В., Курзин Н.Н. и др. Преобразователи электрической энергии: основы теории, расчета и проектирования. Краснодар. 2002. С. 358.

8. Григораш О.В. Преобразователи электрической энергии на базе трансформаторов с вращающимся магнитным полем для систем автономного электроснабжения. Промышленная энергетика. 1997. № 7. С.21-25.

9. Григораш О.В., Кабанков Ю.А. К вопросу применения трансформаторов с вращающимся магнитным полем в составе преобразователей электроэнергии. Электротехника. 2002. № 3. С.22-26.

10. Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. и др. Патент на изобретение RUS 2421871 20.06.2011.

11. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. и др. Патент на изобретение RUS 2420854 10.06.2011.

12. Григораш О.В., Степура Ю.П., Усков А.Е. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения. Краснодар. 2011. С.188.

13. Григораш О.В., Новокрещенов О.В., Хамула А.А. и др. Статические преобразователи электроэнергии. Краснодар. 2006. С. 264.

Размещено на Allbest.ru