Повышение эффективности систем электроснабжения с установками прямого преобразования энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Повышение эффективности систем электроснабжения с установками прямого преобразования энергии

Н.Н. Баранов, д.т.н.

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Объединенный институт высоких температур РАН, г. Москва

К.В. Крюков

Национальный исследовательский университет «МЭИ», г. Москва

Аннотация

На основе проводимых исследований с различными типами энергоустановок прямого преобразования энергии, рассмотрены вопросы построения структурных схем системы электроснабжения от нетрадиционных источников энергии при их работе в автономных режимах, а также совместно с сетью. С использованием возможностей современной элементной базы полупроводниковой техники предложены новые схемные решения преобразователей, направленные на повышение качества электроэнергии и надёжности энергоснабжения потребителей.

Введение

Разным типам нетрадиционных энергоисточников прямого преобразования энергии ? НЭИ ППЭ (таким как фотоэлектрические, электрохимические, термоэлектрические генераторы) присущи следующие характерные особенности:

• Все они вырабатывают постоянный ток и обладают повышенным внутренним сопротивлением.

• Естественные внешние вольт-амперные характеристики НЭИ ППЭ отличаются нестабильностью как из-за наличия внутренних сопротивлений, как правило, нелинейных, так и из-за нестабильности внешних условий, определяющих уровень генерируемого НЭИ напряжения.

• Перечисленные НЭИ не имеют собственных систем регулирования электрических режимов нагрузки и защиты в аварийных режимах.

• НЭИ не имеют систем управления потоком мощности и качеством вырабатываемой электроэнергии.

При работе НЭИ функции контроля потока мощности, стабилизации выходного напряжения, а также защитные функции в аварийных режимах возлагаются на полупроводниковые преобразовательные устройства (ППУ), включаемые между НЭИ и потребителем (рис. 1) [1].

Рис. 1. Схема электроснабжения с НЭИ и ППУ: ППУ1, ППУ2, ППУ3 - преобразовательные устройства; ППТ - преобразователь постоянного тока в постоянный; И - инвертор; ПЧ - преобразователь частоты; АБ - аккумуляторная батарея

При работе в автономном режиме НЭИ с ППУ на выходе воспринимается потребителем как одно целое - автономный блок электроснабжения (АБЭ).

В зависимости от рода тока, потребляемого нагрузкой, ППУ может быть выполнено в виде инвертора с заданной частотой переменного тока на выходе или в виде конвертора - преобразователя постоянного тока в постоянный (ППТ) с варьированием (повышением или понижением) уровня напряжения. Применение ППУ на выходе НЭИ призвано восполнить недостающие электротехнические звенья в составе нетрадиционной энергоустановки и обеспечивать потребителя электроэнергией требуемого качества.

Полупроводниковые преобразовательные устройства для систем с нетрадиционными источниками электроэнергии

При всем многообразии существующих ППУ, разрабатываемых, в основном, для различных технических приложений традиционной электротехники, для оптимального сочетания НЭИ с преобразователем в некоторых случаях приходится разрабатывать новые ППУ, более полно обеспечивающие требования к автономной системе электроснабжения (АСЭ).

Эти требования к новым ППУ следующие: большая кратность уровня выходного напряжения по отношению к входному; высокий КПД; широкий диапазон изменения входного напряжения; малые пульсации входного тока; малые габариты; возможность селективного отключения аварийного потребителя при многонагрузочной системе энергоснабжения.

Рис. 2. Регулятор ППУ-11

полупроводниковый преобразовательный солнечный батарея

а) б)

Рис. 3. Характеристики полупроводниковых преобразователей:

а) - зависимости КПД ППТ от Rист. при Кскв. = var. Rист., Ом: 1 (); 0,5 (); 0,3 (); 0,1 (); б) - сравнительные регулировочные характеристики 2-х ППТ ( U1; U2)

Специально для работы с НЭИ был разработан ряд запатентованных новых схем ППУ. На рис. 2 приведена одна из разработанных схем универсального преобразо-вателя ППУ-11 [2], позволяющая существенно повысить кратность выходного напряжения по отношению к входному. Дополнительный входной фильтр снижает пульсации входного тока для более широкого диапазона нагрузок, что является определяющим при питании преобразователем нескольких нагрузок от источника с большим внутренним сопротивлением.

Разработанные импульсные преобразователи могут повышать напряжение источника питания в 10 и более раз. При этом КПД ППТ достигает 85 - 95 % в зоне длительной работы. Пульсация входного тока возможна от 0,01 до 0,5 %.

На рис. 3, а приведены значения КПД, полученные путём моделирования электромагнитных процессов в преобразователе ППУ-11 с помощью программы MICRO-CAP 9. Графики иллюстрируют необходимость работы ППТ с повышенной скважностью (кскв.) токовых импульсов для обеспечения высоких значений КПД в случае питания от НЭИ с большими внутренними сопротивлениями (Rист.) (в данном примере 0,1-1 Ом). Здесь коэффициент скважности - кскв. = Тs / tвкл. (Тs - период работы ключа: вкл.-выкл.; tвкл. - длительность времени включенного состояния транзистора).

На рис. 3, б приведены сравнительные регулировочные характеристики 2-х преобразователей: разработанного преобразователя ППУ-11 (кривая U1) и известного в электротехнике преобразователя по схеме Чука [3] (кривая U2). Видно, что для работы на нагрузку от источника с повышенным внутренним сопротивлением и, соответственно, с большей скважностью лучшие характеристики имеет разработанный ППТ.

Схемные решения, направленные на повышение качества электроэнергии у потребителей

Для улучшения качества электроэнергии на шинах распределенных потребителей, питающихся от сети переменного тока, предлагается схема регулятора потока мощности, имеющего в своем составе НЭИ, подключаемый к нагрузке через ППТ и инвертор (рис. 4) [4].

Рис. 4. Структурная схема регулятора потока мощности

Основные элементы регулятора:

Преобразователь Пр1 соответствует преобразователю преобразователь переменного/постоянного тока с емкостным накопителем энергии на стороне постоянного тока. Он может работать как в режимах выпрямления, так и в режимах инвертирования, что позволяет осуществлять как потребление, так и выдачу электрической энергии в сеть. Используя это свойство совместно с методами ШИМ, возможно генерировать ток и напряжение практически любой формы.

Преобразователь Пр2 является преобразователем постоянного тока в постоянный, в качестве которого используется одна из новых разработанных схем ППТ [5]. Она обладает следующими преимуществами перед традиционными схемами ППТ: малые пульсации входного тока, и, как следствие, больший КПД использования источника; больший коэффициент усиления по напряжению.

Рассмотрим режимы работы регулятора.

1. Режим работы совместно с сетью.

Регулятор подключен параллельно с нелинейной нагрузкой, которая питается напряжением с общей шины электропитания, как показано на рис. 4, где Rл и Хл эквивалентные активное и реактивное сопротивления линии электропередачи, соответственно. Нелинейная нагрузка индуцирует в сети высшие гармоники тока, вследствие чего искажается форма напряжения на шинах электроснабжения, степень которого становится тем больше, чем больше нелинейность нагрузки.

В данном режиме регулятор потока мощности выполняет функции активного фильтра, осуществляя генерацию высших гармоник тока в противофазе с высшими гармониками тока сети. В результате удается подавить высшие гармоники тока на шине и увеличить коэффициент мощности.

При работе совместно с сетью может также осуществляться частичное питание нагрузки от НЭИ или аккумуляторной батареи, при низком заряде которой, производится ее подзарядка за счет энергии, получаемой от НЭИ.

2. Автономный режим работы.

При исчезновении напряжения сети регулятор переходит в режим генерации синусоидального тока. При этом мощность поступает в нагрузку от НЭИ (или аккумуляторной батареи) через преобразователи Пр1 и Пр2.

Примеры практических разработок.

Система комбинированного электроснабжения с использованием фотоэлектрических генераторов (солнечных батарей)

Для согласования выходных параметров фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) и входных параметров потребителей электроэнергии, предлагается схема электроснабжения, представленная на рис. 5.

Рис. 5. Схема электроснабжения с ФЭП (солнечными батареями)

В качестве основных, в данной системе электроснабжения можно выделить следующие преобразователи:

- ППТ, регулирующие параметры отдельных модулей СБ и позволяют добиться максимального повышения эффективности использования ФЭП за счет непрерывного отбора его мощности.

- инвертор или четырех квадрантный преобразователь (И), выполненный по трехфазной мостовой схеме на полностью управляемых полупроводниковых приборах, и выполняющий следующие функции: генерирование активной мощности в сеть и в нагрузку, компенсацию реактивной мощности и фильтрацию высших гармоник тока.

Режимы работы системы комбинированного электроснабжения приведены на рис. 6.

Автономный режим работы (рис. 6, а). В этом режиме мощность, генерируемая ФЭП, используется для питания нагрузки (Рнагр.) и для подзарядки (Рзар.) АБ. В ночное время или когда мощность, генерируемая ФЭП, мала, питание нагрузки осуществляется от АБ.

Режим работы от сети (рис.6, б). При подключении нагрузки к сети, инвертор переходит в режим компенсации реактивной мощности Q, повышая сети и обеспечивая синусоидальность потребляемого нагрузкой тока. Одновременно от сети производится подзарядка АБ.

а) б)

Рис. 6. Режимы работы системы комбинированного электроснабжения: а) автономный режим работы; б) режим работы от сети

Разработанная схема комбинированного электроснабжения позволяет интегрировать НЭИ в действующую сеть, и обеспечивать качественное и бесперебойное питание потребителей при использовании нетрадиционных источников энергии - солнечных батарей.

Резервный источник электроэнергии на основе электрохимического генератора

Одним из решений задачи обеспечения надежной работы систем управления и защиты различных объектов специального назначения может быть использование электрохимических генераторов (ЭХГ) с улучшенными энергетическими характеристиками, работающих совместно с традиционной сетью электроснабжения. Надежное функционирование этих систем позволит минимизировать последствия различных аварийных режимов при кратковременном исчезновении сетевого напряжения или существенном ухудшении его качества.

Предлагаемая разработка системы бесперебойного (аварийного) электроснабжения содержит резервный источник ЭХГ, резервный накопитель (аккумуляторную батарею) и силовые электронные устройства (рис. 7).

Рис. 7. Структурная схема системы электроснабжения с ЭХГ

Параметры резервного источника: ориентировочная мощность ЭХГ Р 30 кВт; напряжение (при использовании преобразователя постоянного тока) Uвых. = 600В; ток Iном. = 50 А; время выхода ЭХГ на номинальный режим t = 10 мин.

В течение времени выхода ЭХГ на номинальный режим (10 мин.) электропитание обеспечивается резервным накопителем на базе АБ. Время непрерывной работы ЭХГ определяется запасом топлива и окислителя.

Работа данной системы электроснабжения (СЭС) происходит следующим образом. В режиме питания потребителей от сети, автономный инвертор (преобразователь постоянного/переменного тока) переходит в режим компенсации реактивной мощности основной гармоники и мощности искажения. Это позволяет повысить коэффициент мощности (cos) потребителей практически до единицы и снизить потери мощности в устройствах, связывающих СЭС и потребители (рис. 8).

При отсутствии сетевого напряжения, преобразователь постоянного/переменного тока переходит в режим инвертирования, осуществляя согласование напряжения на нагрузке с напряжением на шине постоянного тока. Питание в этом случае первоначально осуществляется от накопителя, например, АБ, а затем от ЭХГ (после его запуска). Для согласования напряжения ЭХГ с напряжением на шине постоянного тока используется статический ППТ. Фильтр на выходе инвертора поддерживает выходной фазный ток инвертора по форме, близкой к синусоидальной, что обеспечивает высокое качество выходного напряжения.

Переход на питание от ЭХГ происходит без изменения напряжения нагрузки за счет передачи накопленной в АБ электроэнергии. Кратковременные провалы в напряжении сети также не влияют на нагрузку благодаря наличию АБ. Подзарядка АБ осуществляется от сети через преобразователь постоянного/переменного тока.

Наибольший интерес для систем резервного (аварийного) электрообеспечения представляют твердополимерные топливные элементы (ТПТЭ) с рабочей температурой до 1000 С, обладающие высоким КПД, экологической чистотой, бесшумностью в работе и др.

Рис. 8. Диаграммы работы инвертора в режиме активного фильтра

На основе полученных результатов, появляется возможность разработки нового поколения отечественных агрегатов бесперебойного питания (АБП), с экологически чистыми источниками энергии и высокими техническими характеристиками (таблица), позволяющих обеспечивать бесперебойное электроснабжение особо ответственных объектов управления в атомной и других важнейших отраслях техники.

Таблица. Сравнение основных показателей существующих и проектируемых АБП

Заключение

Разработанные новые модели ППУ, предназначенные для совместной работы с нетрадиционными источниками энергии, имеют лучшие показатели по энергетической эффективности и по качеству электропитания (в том числе, по пульсационной составляющей тока), в сравнении с известными аналогами ППУ.

Применение ППУ, включаемых между НЭИ и потребителем, значительно расширяет области использования нетрадиционных источников энергии, позволяя: обеспечивать потребителей стабильной электроэнергией требуемого напряжения и качества; осуществлять селективную защиту распределенных потребителей в аварийных режимах; в случае аварийного отключения одного из потребителей, обеспечивать штатную работу остальных.

В комбинированных системах электроснабжения (НЭИ - сеть), с использованием НЭИ возможны схемотехнические решения для существенного улучшения качества электроэнергии у распределенных потребителей, питающихся от сети переменного тока. При этом эффективность применения инвертора может быть существенно повышена за счет использования его в качестве активного фильтра или регулятора реактивной мощности. Становится возможным повысить коэффициент мощности (cos) потребителей до значений близких к единице, что обеспечивает экономию электроэнергии за счет снижения потерь мощности в сети. Например, при увеличении cos с 0,7 до 1 потери могут быть снижены примерно в два раза при той же активной мощности нагрузки.

При обеспечении дополнительного режима активной фильтрации высших гармоник тока, возникающих при работе на нелинейную нагрузку, могут быть также снижены потери мощности от их протекания в системе электроснабжения, и исключено их негативное влияние на работу оборудования СЭС.

Литература

1. Баранов Н.Н. Системы электроснабжения с нетрадиционными источниками энергии. М.: Изд. дом МЭИ, 2013, 32 с.

2. Антонов Б.М., Баранов Н.Н. Преобразователь постоянного тока в постоянный ток. Патент РФ на полезную модель № 102439 от 27. 02. 2011.

3. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А. Силовая электроника. Учебник для ВУЗов. М.: Изд. дом МЭИ, 2007.

4. Розанов Ю.К., Баранов Н.Н., Антонов Б.М., Ефимов Е.Н., Соломатин А.В. Силовая электроника в системах с нетрадиционными источниками электроэнергии // Электричество. № 3. 2002. С. 20 - 28.

5. Антонов Б.М., Баранов Н.Н., Розанов Ю.К., Крюков К.В. Двухкаскадный преобразователь постоянного тока в постоянный. Патент РФ на полезную модель № 64449 от 27. 06. 2007.

Размещено на Allbest.ru