Стабилизация напряжения автономных инверторов солнечных электростанций

Размещено на http://www.allbest.ru/

стабилизация напряжения автономных инверторов солнечных электростанций

В сельскохозяйственном производстве актуальным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) для электроснабжения потребителей отдаленных от внешней электрической сети. Как известно, выбор того или иного ВИЭ зависит от климатических условий и рельефа местности региона. Краснодарский край имеет высокий уровень валового (теоретического) потенциала солнечной энергетики, где за год наибольшая доля суммарной солнечной радиации в России, составляющая до 80 %. Поэтому перспективным является направление внедрения в сельском хозяйстве Краснодарского края солнечных фотоэлектрических станций (СФЭС) [1-3].

Одним из основных функциональных элементов СФЭС являются автономные инверторы напряжения (АИН), преобразующие напряжение постоянного тока солнечных батарей в напряжение однофазного или трехфазного переменного тока. Вторая важная функция АИН - это осуществление стабилизации напряжения. Необходимость стабилизации выходного напряжения АИН обусловлена следующими причинами: изменением величины и характера нагрузки, а также величины входного напряжения [4, 5].

В зависимости от силовой схемы инвертора и места размещения исполнительного органа различают три основных способа стабилизации напряжения АИН (рисунок 1):

- по входному напряжению;

- по выходному напряжению;

- непосредственно силовой схемой инвертора.

Силовые схемы АИН могут быть выполнены как на транзисторах, так и на тиристорах. На рисунке 2 приведены принципиальные электрические силовые схемы однофазных инверторов (на рисунке 2 показаны только первичные обмотки трансформаторов Т).

инвертор солнечный станция напряжение

Способ стабилизация по входному напряжению (рисунок 1 а) основан на зависимости выходного напряжения АИН от его входного напряжения. В качестве исполнительного органа применяется управляемый выпрямитель или импульсные регуляторы напряжения постоянного тока [6, 7].

Способ стабилизация по выходному напряжению (рисунок 1 б) основан на использовании стабилизаторов напряжения переменного тока, выполненных с использованием дополнительных силовых электронных приборов и реактивных элементов, которые выполняют функцию компенсирующих устройств [8]. Компенсирующее устройство осуществляют стабилизацию выходного напряжения инвертора при изменении параметров нагрузки. На рисунке 3 пунктирными кривыми показаны внешние (нагрузочные) характеристики АИН при различных значениях коэффициента мощности cos. Графики позволяют сделать вывод, что при изменениях тока нагрузки в диапазоне от I_min до I_max можно изменением величины коэффициента мощности cos поддерживать выходное напряжение АИН на одном уровне.

Функциональная схема АИН с компенсирующим устройством приведена на рисунке 4. Величина угла сдвига фаз между током и напряжением на выходе инвертора зависит от характера нагрузки Z_Н, емкости конденсатора С_к и от индуктивности дросселя L_ку. Изменить индуктивность, рассмотренной цепи можно за счет изменения угла управления тиристорами VS1 и VS2 (чем больше время силовые электронные приборы, тем больше значение индуктивности компенсирующего устройства). Следовательно, изменяя угол управления тиристорами можно изменять угол сдвига фаз между током и напряжением на выходе инвертора и обеспечивая тем самым стабилизацию напряжения.

Основным достоинством компенсирующего устройства является малое искажение формы выходного напряжения АИН благодаря наличию конденсатора С_к.

Стабилизировать выходное напряжение АИН можно за счет применения обратных выпрямителей (рисунок 5). Вход выпрямителя подключается к выходу АИН, а выход выпрямителя к его входу. Такое подключение выпрямителя с управляемыми силовыми электронными приборами позволяет создать путь обратному потоку электроэнергии относительно прямого потока электроэнергии АИН. Тем самым обеспечивается изменение соотношения активной и реактивной мощности автономного инвертора и, следовательно, изменяется и величина его выходного напряжения.

Рассмотренные способы стабилизации напряжения значительно ухудшают массогабаритные показатели, КПД и показатели надежности АИН [8, 9]. Поэтому сегодня широко используются и развиваются способы стабилизации напряжения АИН основанные на изменение угла управления электронными (полупроводниковыми) приборами силовой схемы (рисунок 1 в). Такой способ основан на использовании широтно-импульсной модуляции выходного напряжения АИН, где стабилизация напряжения осуществляется за счет изменения длительности силовых импульсов, из которых формируется синусоидальное выходное напряжение или паузы между ними [6].

Рисунок 5 - Функциональная схема автономного инвертора с обратным выпрямителем

Рисунок 6 - Структурная схема (а), временные (б) и векторные диаграммы (в) стабилизации выходного напряжения инверторов

В некоторых случаях рациональным является способ стабилизации напряжения, основанный на геометрическом суммировании выходных напряжений двух АИН, сдвинутых между собой по фазе, изменять которую можно за счет изменения частоты следования управляющих импульсов одного из инверторов [8]. Этот способ применяется также, когда необходимо увеличить установленную мощность автономной системы электроснабжения (АСЭ). На рисунке 6 а показаны автономные инверторы И1 и И2, выходные трансформаторы Т1 и Т2 вторичные обмотки которых соединены последовательно. На рисунке 6 а не показаны выходные фильтры инверторов. В этом случае выходное напряжение каждого из АИН имеет прямоугольную форму (рисунок 6 б). При последовательном включении обмоток АИН напряжение на нагрузке U_н будет равно сумме напряжений инверторов U_И1 и U_И2. Особенностью метода геометрического сложения состоит в том, что напряжения инверторов должны быть синхронизированы по частоте. Если осуществлять сдвиг одного из напряжений, к примеру, инвертора И2 относительно напряжения инвертора И1 на угол , то можно изменять напряжение на нагрузке в диапазоне от 0 до 2U_d (рисунок 6 б, в).

При этом, при уменьшении напряжения на нагрузке U_н, для его стабилизации, система управления инверторами уменьшает угол управления , а при его повышении - увеличивает угол .

Перспективным является направление применения в составе АИН трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП). Однофазно-трехфазная конструкция ТВМП позволяет использовать однофазные АИН, уменьшить количество силовых электронных приборов и повысить тем самым КПД и показатели надежности автономного инвертора [10, 11].

Один из вариантов функциональной схемы АИН, выполненного на однофазно-трехфазном ТВМП, приведен на рисунке 7 [12].

Рисунок 7 - Функциональная электрическая схема трёхфазного АИН на однофазно-трехфазном ТВМП: СУ - система управления; ТВБ - трансформаторно-выпрямительный блок; ФИ1 и ФИ2 - формирователи импульсов; ГПН - генератор пилообразного напряжения; ФСУ - фазосдвигающее устройство; РИ1 и РИ2 - распределители импульсов

Конструктивно однофазно-трехфазный ТВМП, выполняется на базе асинхронного двигателя с фазным ротором, две первичные обмотки W₁₁ и W₁₂, размещаются на тороидальной части магнитопровода, которые сдвинуты между собой в пространстве друг относительно друга под углом 90^о. Три вторичные обмотки W₂₁, W₂₂, W₂₃ размещаются на сердечнике (роторе) ТВМП под углом 120^о друг относительно друга и соединяются по схеме «звезда» [10].

Инвертор (рисунок 7) работает следующим образом. Напряжение источника постоянного тока U_ВХ прикладывается к входным выводам, которые являются входами первого и второго АИ. При переменной работе транзисторов VT1 и VT2, а также VT3 и VT4, в первичных обмотках ТВМП протекают переменные токи, вызывающие действие переменных магнитных потоков Ф₁ и Ф₂. В магнитопроводе эти потоки суммируются создавая суммарный поток Ф_У, который образует круговое вращающее магнитное поле и вызывает действие ЭДС во вторичных обмотках W₂₁, W₂₂, W₂₃ [12].

При дестабилизирующих факторах на выходных выводах инвертора А, В, С система управления СУ обеспечивает стабилизацию выходного напряжения U_ВЫХ за счет изменения времени открытого состояния транзисторов VT1 - VT4.

Для улучшения массогабаритных показателей АИН необходимо чтобы силовая схема АИН, преобразовывала напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока повышенной частоты, а реверсивный выпрямителей повышенную частоты тока понижал до уровня промышленной. На рисунке 8 приведена функциональная схема АИН, выполненного на высокочастотной силовой схеме и реверсивном выпрямителе [13, 14].

АИН содержит: входной фильтр, выполненный на конденсаторе С однофазный инверторный мост ИМ выполненный на транзисторах VT1 - VT4 и диодах VD1 - VD4, однофазный трансформатор T, вторичная обмотка которого содержит среднюю точку, реверсивный выпрямитель РВ выполненный на тиристорах VS1 - VS4, выходной фильтр Ф, систему управления инверторным мостом СУ_ИМ и реверсивным выпрямителем СУ_РВ. Система управления инверторного моста СУ_ИМ содержит генератор пилообразного напряжения ГПН, формирователь импульсов ФИ, трансфоматорно-выпрямительный блок ТВБ, распределитель импульсов РИ, первый и второй усилители импульсов УИ1 и УИ2. Система управления реверсивного выпрямителя СУ_РВ содержит блок синхронизации БС, задающий генератор ЗГ, генератор типа кривой ГТК, Логические элементы И И1 и И2, распределители импульсов РИ1 и РИ2, а так же усилители импульсов УИ1 и УИ2 [13].

Рисунок 8 - Функциональная схема АИН на реверсивном выпрямителе

АИН на реверсивном выпрямителе работает следующим образом. Напряжение постоянного тока от источника прикладывается к входу инверторного моста ИМ, на выходе которого формируется переменное высокочастотное напряжение u₁, которое прикладывается к первичной обмотке и преобразуется до требуемого уровня необходимое для нагрузки. Реверсивный выпрямитель РВ понижает частоту напряжения до необходимого уровня для потребителей электроэнергии, а выходной фильтр Ф обеспечивает требуемое качество выходного напряжения.

К примеру, при уменьшении напряжения на выходе АИН сигнал u_ТВБ на выходе ТВБ уменьшается и, как следствие, уменьшается угол управления транзисторами, тем самым увеличивая время открытого состояния транзисторов схемы инвертирования, что увеличивает длительность импульсов и величину напряжения u₁ и соответственно увеличивается и величина выходного напряжения АИН (см. рисунок 8).

Повысить надежность работы АИН на реверсивном выпрямителе можно за счет применения в конструкции его трансформатора среднюю точку в первичной обмотке. Это позволит применить двухтранзисторную схему, преобразующую напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, упростить систему управления АИН и уменьшить уровень электромагнитьных помех, создаваемых силовыми электронными приборами [6, 15].

Применение вместо тиристоров в реверсивном выпрямителе транзисторов также способствует улучшению показателей надежности АИН.

Рассмотренные в статье структурно-схемные решения стабилизаторов напряжения АИН, а также особенности их работы, позволит повысить эффективность предпроектных работ по разработке АИН с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками для СФЭС.

Список литературы

1. Атрощенко В. А. Современное состояние и перспективы развития систем автономного электроснабжения [Текст] В. А. Атрощенко, О. В. Григораш, В. В. Ланчу // Промышленная энергетика. - 1994. - № 5. - С.33-36.

2. Григораш О. В. Нетрадиционные автономные источники электроэнергии / О. В. Григораш, Ю. П. Стрелков [Текст] // Промышленная энергетика. - 2001. - № 4. - С. 37-40.

3. Григораш О. В. Ресурсы солнечной энергии, особенности конструкции и работы солнечных фотоэлектрических установок / О. В. Григораш, А. Е. Усков, А. Г. Власов [Текст] // Труды Кубанского государственного аграрного университета. - 2013. - № 43. - С. 263-266.

4. Григораш О. В. Статические преобразователи электроэнергии [Текст] / О. В. Григораш, О. В. Новокрещенов, А. А. Хамула и др. - Краснодар. - 2006. - 264 с.

5. Григораш О. В. Статические преобразователи и стабилизаторы автономных систем электроснабжения [Текст] / О. В. Григораш, Ю. П. Степура, А. Е. Усков. - Краснодар. - 2011. - 188 с.

6. Григораш О. В. К вопросу электромагнитной совместимости основных узлов систем автономного электроснабжения [Текст] / О. В. Григораш, А. В. Дацко, С. В. Мелехов // Промышленная энергетика. - 2001. - № 2. - С.44- 47.

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

Размещено на Allbest.ru