Повышение эффективности компонентов систем электроснабжения с источниками распределенной генерации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Алешин Дмитрий Александрович

• Алешин Дмитрий Александрович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Алешин Дмитрий Александрович

Введение

1. Анализ систем электроснабжения с разнохарактерными источниками электрической энергии

1.1 Анализ устройств регулирования параметров электрической энергии в системах электроснабжения с источниками распределенной генерацией

1.2 Анализ топологий твердотельных трансформаторов и преобразовательных модулей в составе систем электроснабжения с источниками распределенной генерации

1.2.1 Классификация твердотельных трансформаторов

1.2.2 Анализ преобразовательных модулей в составе систем электроснабжения с источниками распределенной генерации

1.3 Структура системы электроснабжения с источниками распределенной генерации на основе твердотельного трансформатора

1.4 Выводы по 1 главе

2. Разработка входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации с общей нейтралью

2.1 Схемотехнические решения входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

2.2 Математическая модель входного преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

2.3 Методика расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

2.4 Выводы по 2 главе

3 Разработка имитационной модели преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации и исследование

параметров режимов работы

3.1 Имитационная модель преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

3.2 Алгоритмы системы управления преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

3.3 Исследование параметров входного преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

3.3.1 Зависимости КПД и коэффициента искажений от ширины зоны нечувствительности

3.3.2 Влияние параметров элементов входного фильтра на КПД и коэффициент искажений преобразовательного модуля

3.4 Выводы по 3 главе

4. Разработка и экспериментальное исследование опытного образца твердотельного трансформатора низкого напряжения с интегрированным входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

4.1 Принцип работы преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, интегрированного в твердотельный трансформатор низкого напряжения

4.2 Имитационное моделирование преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, интегрированного в твердотельный трансформатор низкого напряжения

4.3 Макетирование преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, интегрированного в твердотельный трансформатор низкого напряжения

4.4 Проведение экспериментальных исследований опытного образца твердотельного трансформатора низкого напряжения с интегрированным входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

4.5 Выводы по 4 главе

Заключение

Список принятых сокращений Список литературы

159

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты интеллектуальной деятельности

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты о внедрении результатов кандидатской диссертации .. 185 ПРИЛОЖЕНИЕ В. Электрические принципиальные схемы узлов входного преобразовательного модуля, интегрированного в твердотельный трансформатор низкого напряжения

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности компонентов систем электроснабжения с источниками распределенной генерации»

Актуальность темы.

Современные системы электроснабжения модифицируются под влиянием процессов цифровизации и изменения структуры сетей в результате внедрения распределенных источников и систем накопления энергии. По оценкам экспертов, следующим этапом развития электроэнергетики станет переход к электрическим сетям нового поколения - централизованно-распределенным киберфизическим системам, в которых ключевая роль будет отведена системам электроснабжения с источниками распределенной генерации (СЭС с ИРГ). Для развития таких систем требуется разработка полностью управляемых устройств, способных выполнять функции интеграции источников распределенной генерации, преобразования и регулирования параметров электроэнергии. К таким устройствам относятся твердотельные трансформаторы низкого напряжения (ТТНН), разработки которых активно ведутся за рубежом последние 30 лет.

ТТНН представляет собой совокупность полупроводниковых преобразователей, связанных общим звеном постоянного тока. Конструкция и система управления ТТНН позволяют объединять источники, в том числе и распределенные, накопители и потребителей электрической энергии в СЭС и регулировать параметры электрической энергии в широких пределах, обеспечивая такие функции, как управление потоками мощности, компенсация реактивной мощности и высших гармоник тока.

Исследованиями в области повышения эффективности СЭС с ИРГ и совершенствования технологий твердотельных трансформаторов активно занимаются зарубежные коллективы: Massachusetts Institute of Technology (MIT); Siemens; ABB; Florida International University; Harbin Institute of Technology (HIT). А также отечественные научные школы: НИУ «МЭИ», ЧГУ им. И.Н. Ульянова, ЮРГПУ (НПИ) им. М.И. Платова, ИГЭУ им. В.И. Ленина, КГМТУ, Томский политехнический университет, Ивановский государственный политехнический университет, НГТУ им. Р.Е. Алексеева. Существенный вклад в развитие данной

теории и практики внесли российские ученые: Авдеев Б.А., Вольный В.С., Якименко И.В., Соколов А.М., Чивенков А.И., Лукутин Б.В., Мелешин В. И., Овчинников Д.А.

Несмотря на большое количество исследований, недостаточное внимание уделено задаче развития структур входных преобразовательных модулей СЭС с ИРГ, от которых зависят функции активного управления электрической энергией и эффективности работы СЭС. Существующие решения различаются способом регулирования напряжения и формированием потребляемого тока, влияющих на КПД и коэффициент нелинейных искажений системы, который является одним из ключевых параметров в оценке качества электрической энергии.

Вместе с тем в качестве недостатков существующих решений можно выделить низкую чувствительность элементов защиты при замыкании на землю и неявные контуры протекания тока в многомодульных реализациях преобразователей СЭС с ИРГ из-за наличия изолированной нейтрали.

В низковольтных системах электроснабжения входные модули должны быть объединены общей нейтралью для согласования питающей сети и нагрузки, а также обеспечения электромагнитной совместимости. Следовательно, актуальным является разработка новой структуры входного модуля системы электроснабжения я с источниками распределенной генерации, отличительной особенностью которой является сниженные потери, повышенная частота пульсаций выходного напряжения и наличие общей нейтрали питающей сети и нагрузки, позволяющей повысить чувствительность элементов защиты при замыкании на землю и исключить неявные контуры протекания тока в многомодульных системах электроснабжения.

Объект исследования: система электроснабжения с источниками распределенной генерации.

Предмет исследования: статические и динамические режимы работы системы электроснабжения с источниками распределенной генерации.

Область исследования.

В соответствии с паспортом специальности 2.4.2. «Электротехнические комплексы и системы»:

Пункт 1. Развитие общей теории электротехнических комплексов и систем, анализ системных свойств и связей, физическое, математическое, имитационное и компьютерное моделирование компонентов электротехнических комплексов и систем, включая электромеханические, электромагнитные преобразователи энергии и электрические аппараты, системы электропривода, электроснабжения и электрооборудования. (Глава 2, 3, 4).

Пункт 3. Разработка, структурный и параметрический синтез, оптимизация электротехнических комплексов, систем и их компонентов, разработка алгоритмов эффективного управления (Глава 1,2, 3);

Пункт 4. Исследование работоспособности и качества функционирования электротехнических комплексов, систем и их компонентов в различных режимах, при разнообразных внешних воздействиях, диагностика электротехнических комплексов (Глава 3, 4).

Цель работы: повышение качества потребляемой электроэнергии и снижение электрических потерь в системах электроснабжения с источниками распределенной генерации.

Задачи работы:

- разработка структуры системы электроснабжения с источниками распределенной генерации на основе твердотельного трансформатора низкого напряжения с входными преобразовательными модулями, обеспечивающими согласование разнохарактерных источников питания;

- разработка математической и имитационной моделей входных преобразовательных модулей систем электроснабжения с источниками распределенной генерации, объединенными общей нейтралью;

- разработка методики расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей систем электроснабжения с источниками распределенной генерации;

- разработка алгоритмов и программного обеспечения системы управления входных преобразовательных модулей систем электроснабжения с источниками распределенной генерации;

- исследование параметров входных преобразовательных модулей систем электроснабжения с источниками распределенной генерации в статических и динамических режимах работы с помощью имитационной модели;

- разработка опытного образца твердотельного трансформатора низкого напряжения с интегрированным входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации и проведение экспериментальных исследований разработанных научно-технических решений.

Связь работы с научными программами.

1. «Разработка опытного образца твердотельного трансформатора низкого напряжения» в рамках программы «Приоритет 2030».

2. ГЗ в сфере научной деятельности по теме "Технологии обеспечения функционирования систем высокой плотности энергии" (FSWE-2025-0002).

Методы научных исследований.

Поставленные задачи решались с применением теории расчета электрических цепей, математического аппарата вычисления дифференциальных и алгебраических уравнений, методов имитационного (компьютерного) моделирования в среде МАТЬАБ/8ти1тк, программирования на языках МАТЬАБ и ЬаЪУ1вм', физического моделирования.

Научная новизна:

- структура системы электроснабжения с источниками распределенной генерации на основе твердотельного трансформатора низкого напряжения, отличающаяся входными преобразовательными модулями с общей нейтралью питающей сети и нагрузки, обеспечивающая снижение потерь электроэнергии в системе электроснабжения;

- математическая модель входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, описывающая

статические и динамические режимы работы с учетом дополнительных потерь в полупроводниковых и реактивных элементах;

- алгоритмы управления входными преобразовательными модулями системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, обеспечивающие формирование кривой потребляемого тока и работу в режиме стабилизации выходных напряжения и мощности.

Практическая значимость:

• методика расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, учитывающая дополнительные потери в полупроводниковых и реактивных элементах схемы и позволяющая рассчитать оптимальные параметры элементов преобразовательного модуля;

• имитационная модель входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, позволяющая исследовать соотношение параметров в статических и динамических режимах работы и определить энергетические параметры преобразовательного модуля;

• программное обеспечение системы управления входными преобразовательными модулями системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, обеспечивающее формирование потребляемого тока и стабилизацию выходного напряжения и мощности, и минимизировать негативное влияние потребителя на источник электроэнергии;

• опытный образец твердотельного трансформатора низкого напряжения мощностью 3 кВт с интегрированным входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, позволяющий согласовывать разнохарактерные источники электроэнергии.

На защиту выносятся:

1. Структура системы электроснабжения с источниками распределенной генерации на основе твердотельного трансформатора низкого напряжения, отличающаяся входными преобразовательными модулями с общей нейтралью

питающей сети и нагрузки, обеспечивающая снижение потерь электроэнергии в системе электроснабжения.

2. Методика расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, учитывающая дополнительные потери в полупроводниковых и реактивных элементах схемы.

3. Алгоритмы управления, обеспечивающие формирование потребляемого тока и работу в режиме стабилизации напряжения и мощности, и имитационная модель входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, позволяющая исследовать соотношение параметров в статических и динамических режимах работы.

4. Опытный образец твердотельного трансформатора низкого напряжения с интегрированным входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации и результаты экспериментальных исследований разработанных научно-технических решений.

Сведения о внедрении результатов. Результаты диссертационной работы внедрены: при проектировании экспериментального образца твердотельного трансформатора низкого напряжения («Приоритет 2030») на базе предприятия АО «Электро Интел»; при проектировании алгоритмов управления в ГЗ в сфере научной деятельности по теме "Технологии обеспечения функционирования систем высокой плотности энергии" (FSWE-2025-0002).

Личный вклад автора. Автором предложена структура системы электроснабжения с источниками распределенной генерации на основе твердотельного трансформатора низкого напряжения, разработаны и реализованы методика расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, математическая модель и алгоритмы управления входными преобразовательными модулями системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, разработана и исследована имитационная модель входного преобразовательного

модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, исследована физическая модель с входным преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации, интегрированного в твердотельный трансформатор низкого напряжения.

Апробация работы:

Результаты работы докладывались и обсуждались на 6 научно-технических конференциях:

1) XXXVIII - XXXIX, XLI региональная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электроэнергетики» в НГТУ им. Р.Е. Алексеева (2019 -2020, 2022 гг.);

2) 21-й Международный научно-промышленный форум «Великие реки'2019»;

3) 2023 IEEE International Smart Cities Conference (ISC2), Bucharest, Romania, 24-27 September 2023;

4) XIV международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи», (2024 г.).

Публикации. По теме опубликовано 20 научных работ, из них 3 в журналах, рекомендованных ВАК, 3 в рецензируемых зарубежных базах данных Scopus и Web of Science:

1. Алешин, Д.А. Разработка и исследование твердотельного трансформатора низкого напряжения / А. И. Чивенков, Е. Н. Соснина, И. А. Липужин [и др.] // Электротехника. - 2024. - № 10. - С. 41-48;

2. Алешин, Д.А. Способ повышения качества потребляемого тока в волнозащитном электрогенерирующем комплексе / А. Б. Дарьенков, А. В. Серебряков, И. М. Трофимов [и др.] // Морские интеллектуальные технологии. -2024. - № 3-1(65). - С. 205-214;

3. Aleshin, D. Design and Implementation of Bridgeless Power Factor Corrector with Low Static Losses / A. Chivenkov, D. Aleshin, I. Trofimov, A. Shalukho // Energies. - 2024. - Vol. 17, No. 17. - P. 4315;

4. Aleshin, D. Parallel operation of an active rectifier and a DC/DC converter / E. Sosnina, A. Chivenkov, I. Lipuzhin [et al.] // 2023 IEEE International Smart Cities Conference (ISC2), Bucharest, Romania, 24-27 сентября 2023 года. - Bucharest, Romania: IEEE, 2023;

5. Aleshin, D. Two-Channel Bridgeless Power Factor Corrector / Yu. Vagapov, A. Chivenkov, D. Aleshin // Elektrichestvo. - 2022. - No. 3. - P. 22-29;

6. Алешин, Д.А. Устройство подавления высших гармоник тока / Н. Н. Вихорев, А. И. Чивенков, Д. А. Алешин, Е. А. Чернов // Инженерный вестник Дона. - 2018. - № 4(51). - С. 28.

Патенты на полезную модель:

1. RU184273 U1 «Устройство подавления высших гармоник тока» / А. И. Чивенков, Н. Н. Вихорев, Д. А. Алешин, дата начала отсчета срока действия патента: 08.06.2018;

2. RU189902 U1 «Безмостовой корректор коэффициента мощности» / А. И. Чивенков, Н. Н. Вихорев, Д. А. Алешин, дата начала отсчета срока действия патента: 14.03.2019.

Программы для ЭВМ:

1. RU 2023687760 «Имитационная модель электрической части волнозащитного электрогенерирующего комплекса для объектов прибрежного морского шельфа» / Д. А. Алешин, И. М. Трофимов, К. А. Ширшин, дата начала отсчета срока действия свидетельства: 07.12.2023;

2. RU 2024689087 «Имитационная модель активного выпрямителя с функцией регулирования формы потребляемого тока» / Д. А. Алешин, И. М. Трофимов, А. Б. Лоскутов, дата начала отсчета срока действия свидетельства: 27.11.2024.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы, содержащего 147 наименований. Она изложена на 190 страницах печатного текста, содержит 115 рисунков и 35 таблиц.

1. АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАЗНОХАРАКТЕРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

1.1 Анализ устройств регулирования параметров электрической энергии в системах электроснабжения с источниками распределенной генерацией

Современные системы электроснабжения модифицируются под влиянием процессов цифровизации и изменения структуры сетей в результате внедрения распределенных источников и систем накопления энергии [16].

Концепция распределенной энергетики предполагает расположение источника электроэнергии вблизи от потребителя [113]. Важным направлением развития распределенной энергетики является использование возобновляемых источников энергии. Ветроэнергетика и солнечная энергетика являются наиболее зрелыми технологиями возобновляемой энергетики [66, 107, 108]. Обычно днем солнечные ресурсы эффективнее ветровых, а ночью - ветровые. Ветроэнергетика и солнечная энергетика дополняют друг друга. Таким образом, система генерации энергии из ветра и солнца позволяет в полной мере использовать природные ресурсы и значительно снизить стоимость производства электроэнергии [82]. На рисунке 1.1 приведена карта среднегодичной скорости ветра в Российской Федерации, а на рисунке 1.2 карта солнечной инсоляции.

Рисунок 1.1 - Карта среднегодичной скорости ветра

Солнечная радиация. кВт*ч/м:!

1.5 2 | 2,5 | 3 ■ 3.5 | 4 Щ 4,5 | 5 Щ 5,5

Рисунок 1.2 - Карта солнечной инсоляции

Высокая скорость ветра, как правило, наблюдается в прибрежных районах, а инсоляция - в южных. С точки зрения размещения источников распределенной генерации на базе ветровых и солнечных энергоустановок оптимальными районами являются южные районы Дальнего Востока и прибрежная зона южных регионов России.

Однако недостатком возобновляемой энергетики является стохастический характер выработки электроэнергии, что требует применения в составе электростанции дополнительных источников (централизованная электрическая сеть, источники на ископаемом топливе, накопители электроэнергии) [69, 99]. Для совместного использования источников распределенной генерации в единой энергосистеме важной задачей является согласование их электрических параметров. Решение этой задачи определяет переход к электрическим сетям нового поколения - централизованно-распределенным киберфизическим системам, в которых ключевая роль будет отведена системам электроснабжения с источниками распределенной генерации (СЭС с ИРГ) [44, 91, 96, 102].

Для развития таких систем требуется разработка полностью управляемых устройств, способных выполнять следующие функции: регулирование и преобразование уровня напряжения; компенсация реактивной мощности и высших

гармоник тока; регулирование потоков мощности; интеграция накопителей электроэнергии и источников распределенной генерации, в том числе источников постоянного тока [53, 54]. В таблице 1.1 представлены устройства, позволяющие выполнять выделенные функции и применяемые в современных электрических сетях.

Таблица 1.1 Устройства управления параметрами электрической энергии

Устройство Выполняемая функция УКРМ ФКУ Л о ОЫ-ОКЮ МРПМ Т ТТРН н и н н

Преобразование уровня напряжения + + + +

Регулирование параметров напряжения линии электропередачи + + + +

Компенсация реактивной мощности + + + + + +

Компенсация высших гармоник тока + + + + +

Регулирование потоков мощности + + + +

Интеграция источников распределенной генерации + + +

В таблице 1.1:

УКРМ - устройство компенсации реактивной мощности [17, 34]; ФКУ - фильтрокомпенсирующее устройство [20, 88]; ОРПМ - объединенный регулятор потоков мощности [116]; ОИ-ОЯЮ - ведомый сетью преобразователь [32, 79]; МРПМ - межсетевой регулятор потока мощности [51, 78]; НЧТ - низкочастотный трансформатор;

ТТРН - трансформаторно-тиристорные регуляторы напряжения [60, 81]; ГТ - гибридный трансформатор [37, 112]; ТТ - твердотельный трансформатор [5, 46].

Гибридные (ГТ) и твердотельные (ТТ) трансформаторы реализуют все функции, необходимые в современных электрических сетях, и являются перспективным направлением развития СЭС с ИРГ.

ГТ образуется низкочастотным трансформатором с двумя вторичными обмотками и полупроводниковым ЛС/ОС/ЛС преобразователем, рассчитанным на мощность в пределах 5-20% от мощности трансформатора (рисунок 1.3) [142].

В ГТ ЛС/ОС/ЛС преобразователь может быть установлен как со стороны среднего, так и со стороны низкого напряжения. Регулирование напряжения одной из обмоток трансформатора позволяет реализовать распределение потоков мощности, а также формирование кривой потребляемого тока для осуществления компенсации реактивной мощности и высших гармонических составляющих тока (возможности компенсации ограничены мощностью ЛС/ОС/ЛС преобразователя). Наличие промежуточного звена постоянного тока (ЗПТ) в составе ЛС/ОС/ЛС преобразователя упрощает интеграцию источников распределенной генерации и накопителей электрической энергии [41].

В таблице 1.2 представлено сравнение параметров различных типов трансформаторов по таким критериям как управляемость, дополнительный возможности регулирования электрических параметров, КПД, прогнозируемый срок эксплуатации, надежность, простота реализации защиты, стоимость и сложность изготовления [146].

Таблица 1.2 Сравнение параметров структур трансформаторов в электрических сетях

НЧТ ГТ ТТ

Регулирование напряжения Отсутствует 5-20% от напряжения обмотки трансформатора 100% от напряжения обмотки трансформатора

Дополнительный возможности Отсутствует Компенсация реактивн гармоник тока, уп] мощности, интег ой мощности, высших давление потоками ация источников

КПД 99% 98,6-98,8% 97%

Срок эксплуатации 30-40 лет 20 лет ЛС/ВС/ЛС 30-40 лет трансформатор 20 лет

Надежность Высокая Средняя Зависит от количества модулей

Реализация защиты Простая Средняя Сложная

Стоимость Низкая Низкая Высокая

Сложность изготовления Низкая Средняя Высокая

Недостатками ГТ являются низкие КПД и надежность по сравнению с традиционными НЧТ [144]. Также к недостаткам ГТ относятся большие массогабаритные показатели из-за применения НЧТ. Данный недостаток отсутствует у ТТ.

ТТ представляет собой новую технологию, направленную на усовершенствование традиционных НЧТ с помощью их замены на среднечастотный или высокочастотный трансформатор (10-100 кГц) уменьшенного размера и применения модульных структур полупроводниковых преобразователей в качестве входных и выходных каскадов (рисунок 1.4) [4, 68].

ту

Кроме уменьшения габаритов магнитопровода, ТТ обеспечивает гибкость управления параметрами входного/выходного напряжения/тока, а также компенсацию реактивной мощности и высших гармоник тока. В ТТ возможно изменение выходной частоты и количества фаз без изменения электромагнитной системы, а с помощью использования многомодульной структуры ТТ упрощается интеграция источников распределенной генерации (рисунок 1.5) [45, 47].

Питающая сеть

К нагрузке переменного тока

К нагрузке постоянного тока

Рисунок 1.5 - Концепция СЭС с ИРГ с твердотельным трансформатором

Сдерживающим фактором внедрения ТТ являются ограничения в электронной компонентной базе, а в частности, в полупроводниковых приборах. Наличие большого числа полупроводниковых приборов в составе ТТ приводит к пониженному КПД и надежности, а также большой стоимости конечного устройства [114]. В настоящий момент в технико-экономическом вопросе ТТ проигрывают традиционным низкочастотным трансформаторам, однако обеспечивают возможность регулирования параметров электрической сети в широком диапазоне [1, 118]. Кроме того, тенденции развития полупроводниковой техники в итоге должна привести к увеличению надежности и снижению стоимости ТТ, что делает эту технологию перспективной для согласования источников распределенной генерации в составе СЭС с ИРГ.

а)

б)

в)

г)

1.2 Анализ топологий твердотельных трансформаторов и преобразовательных модулей в составе систем электроснабжения с источниками распределенной генерации

1.2.1 Классификация твердотельных трансформаторов

ТТ можно классифицировать по двум основным группам [134]:

1) количество ступеней преобразования электрической энергии;

2) количество входных/выходных модулей.

Классификация по ступеням преобразования приведена на рисунке 1.6.

НУ АС

НУ АС

НУ АС

НУ АС

ЬУ АС

ЬУ АС

Рисунок 1.6 - Топологии твердотельных трансформаторов в зависимости от используемого количества ступеней преобразований электрической энергии

Простейшая топология ТТ состоит из двух изолированных ЛС/ЛС преобразователей и высокочастотного трансформатора, как показано на рисунке 1.6 (а). Такая топология ТТ называется одноступенчатой или тип Л [140]. Преимуществами этой конфигурации являются высокий КПД из-за минимального количества полупроводниковых элементов и высокая плотность энергии из-за отсутствия ЗПТ. Однако отсутствие ЗПТ приводит и к отрицательным

проявлениям, таким как повышенные пульсации на выходе инверторов, что требует установки пассивных фильтров больших габаритов, снижение эффективного диапазона регулирования напряжения, низкую динамическую устойчивость при резкопеременных нагрузках. В одноступенчатых топологиях невозможно произвести интеграцию источников распределенной генерации и реализовать компенсацию реактивной мощности и высших гармонических составляющих тока.

Вторая возможная топология ТТ называется двухступенчатой и имеет две вариации: с низковольтным ЗПТ (тип В) (рисунок 1.6 (б)) и высоковольтным ЗПТ (тип С) (рисунок 1.6 (в)) [131, 133]. В двухступенчатой топологии в цепи низкого напряжения или в цепи среднего напряжения вместо AC/AC преобразователя используется AC/DC/AC. Применение вставки постоянного тока позволяет решить большинство проблем одноступенчатых ТТ.

Если вставка постоянного тока находится во входной части ТТ, то с помощью ее применения реализуется компенсация реактивной мощности и высших гармонических составляющих тока. При использовании ЗПТ в выходной части ТТ упрощаются алгоритмы управления инвертором и улучшается качество выходного напряжения.

Применение AC/DC/AC преобразователя делает возможным управление потоками мощности в электрических сетях и интеграцию источников распределенной генерации как постоянного, так и переменного токов. Однако в двухступенчатой топологии остаются проблемы с качеством потребляемого тока и пульсациями выходного напряжения в той части ТТ, где отсутствует ЗПТ. Эта особенность приводит к тому, что двухступенчатая топология редко применяется в двунаправленных ТТ. К недостаткам относятся повышенные массогабаритные показатели и пониженная надежность по сравнению с одноступенчатыми структурами.

Третья топология называется трехступенчатой или тип D и характеризуется тем, что применяется два AC/DC/AC преобразователя, расположенные и на стороне среднего, и на стороне низкого напряжения (рисунок 1.6 (г)) [129, 141].

Трехступенчатые ТТ позволяют упростить реализацию алгоритмов при двунаправленной передаче энергии, обеспечить высокий коэффициент мощности, интегрировать источники распределенной интеграции среднего и низкого напряжения, а также обеспечивают регулирование потоков мощности даже при резкопеременных нагрузках. Недостатками являются большие массогабаритные показатели и низкая надежность. Эти недостатки связаны с большим количеством последовательно соединенных преобразователей и, следовательно, полупроводниковых ключей, а также наличия двух ЗПТ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Алешин Дмитрий Александрович, 2026 год

Рг - -

3 • в*2 (2.40)

п Ьо о

Ъ: •Ргр^ ("Г)2(1 + в:) ^ Т3 'н ^

1+—^-г, (2.41)

3 •в:2

где:

- относительная мощность дросселя. Приняв за базовый параметр р: = 1, составлено выражение (2.42).

Р,:о = 4,2 • вгр • (т0)2, (2.42)

'н

где:

Р1:0 - базовая относительная мощность дросселя.

В режиме прерывистого тока дросселя (в: < 1) выражение (2.41) будет видоизменено и перезаписано в формуле (2.43) [17].

Р,: = 4,2 • вгр • (т°) ' 1

)2 н

N

в:

(2.43)

в: - Тв: +1

Формулы (2.18 - 2.43) могут использоваться для расчета любых типов преобразователей постоянного напряжения, далее данные выражения преобразованы для инвертирующего преобразователя постоянного напряжения в режиме непрерывного тока дросселя [10].

Из-за потребления инвертирующим преобразователем прерывистого тока требуется включение в его входной цепи ЬС- фильтра.

В формуле (2.44) приведено отношение среднего тока дросселя к току нагрузки (/¿о У = /п).

^0 1

/н У 1 - У

Граничный коэффициент нагрузки определяется по формуле (2.45)

(2.44)

1 (1 -у)2

_= и ___

т . р и!рас Г . о 1Ю Лн 'н Лн

вгр = ^рас (1 - у) 7-77Т = ^¿раЛ ' = (1 - У)" (245)

Базисная относительная мощность дросселя рассчитывается по формуле (2.46).

I /1 \2

Рь*0 = 4,2 • ргр • = 4,2 • (1 - у)2 • (—) = 4,2. (2.46) *н У'

Относительный максимальный ток коллектора транзистора высчитывается по формуле (2.47), при худшем варианте (в* = 1).

!ю • Уптт • (1 + 75") ¡•П • 2 и ■ • 2 /о лп\

Т _ \ в*/ _ 1н иптт ^ _ иптт ^ (2.47)

'и

1ктах*

¡„•Ua (1 -Y) ин• (1 -у)"

Чем меньше напряжение питания, тем больше коэффициент заполнения импульса управления транзистора. При минимальном напряжении питания, коэффициент заполнения будет максимальный. В формуле (2.48) приведен максимальный коэффициент передачи преобразователя по напряжению.

китах 1 __ , (2.48)

uumin 1 Утах

где:

Утах - максимальная относительная длительность открытого состояния ключа.

Аналогично при максимальном напряжении питания будет наблюдаться минимальный коэффициент заполнения и минимальный коэффициент передачи преобразователя по напряжению (2.49).

к ■ = Uн = Ymin (249) "-umin ц 1 _Y ,

U птах 1 Ут1п

где:

kUmin - минимальный коэффициент передачи преобразователя по напряжению;

Ymin - минимальная относительная длительность открытого состояния ключа.

^ _ • 2 _ (1 Ушах) • 2 ^ ^ч

1,т°: " Ц,- (1 -У) " Уша,- (1 -У). )

Используя выражение (2.50), определяется максимальный ток коллектора транзистора (2.51).

^ _ (1 Ушах) - 2 - ^Ю ^ г л ч

'кшах Г" _ а _ ) . (2 51)

Ушах - (1 У)

Напряжение коллектор-эмиттер транзистора определяется по формуле (2.52).

^КЭ = ^п + ^ (2.52)

Относительное напряжение коллектор-эмиттер транзистора определяется по формуле (2.53).

V = ^кэ = ^п + ^н = № + Ц,) • Уш¿n = -

^пшах ^пшах ^н - (1 Уш£п) (1 Уш£п)

Среднее значение тока диода равняется току нагрузки. Напряжение выходного конденсатора равняется напряжению на нагрузке. Относительное напряжение на выходном конденсаторе определяется по формуле (2.54).

^С: = Тт = Тт = = 1-" . (254)

^пшах ^пшах 1 Уш£п

Параметры входного ЬС-фильтра рассчитываются относительно коэффициента передачи по напряжения при частоте переключения силового ключа и частоте сети (2.55 - 2.56).

1 > 2 • n • f JL1 • C1,

1 1, (2.56)

где:

Кт - коэффициент передачи по напряжения; п - порядковой номер гармоники кратной сетевой частоте; /вх - частота питающей сети.

Емкость конденсатора выходного фильтра рассчитывается по следующему выражению:

и* • 1н

С2 >---—Лгг тт . (2.57)

2 4 • п • { • Аин^ ин ^^ }

•> вх н н

Предельно допустимые токи и напряжения полупроводниковых приборов приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 Предельно допустимые токи и напряжения полупроводниковых приборов

Полупроводниковый прибор Максимальное напряжение Максимальный ток

VT1 иС1 ho '(1 Ymax) Ymax

VT2 иС1 + и1оас1 ho '(1 Ymax) Ymax

VT3 и1оай ho '(1 Ymax) Ymax

VD1 ис1 ho '(1 Ymax) Ymax

VD2 и1оай ho '(1 Ymax) Ymax

VD3 иС1 + и1оас1 ho '(1 Ymax) Ymax

Стоит отметить, что напряжения, приложенные к различным полупроводниковым элементам, отличаются, а токи одинаковы. Следующим этапом разработки является создание имитационной модели, позволяющей верифицировать методику расчета параметров элементов схемы и исследовать соотношение параметров в статических и динамических режимах работы

2.4 Выводы по 2 главе

1. Разработаны схемотехнические решения входных преобразовательных модулей СЭС с ИРГ, которые:

- обеспечивают переход от топологии AC/DC к топологии DC/DC путем минимальных изменений (изменение направления электропроводности полупроводниковых элементов);

- отличаются наличием общей нейтрали питающей сети и нагрузки, необходимой для обеспечения электромагнитной совместимости между модулями и повышения чувствительности защиты от замыканий на землю;

- снизить негативное влияние нелинейных нагрузок на СЭС;

- обеспечивают работу в режиме повышения и понижения напряжения.

2. Разработана математическая модель входных преобразовательных модулей СЭС с ИРГ на основе дифференциальных уравнений, описывающих изменения токов и напряжений элементов преобразовательного модуля в статических и динамических режимах работы, с учетом дополнительных потерь в полупроводниковых и реактивных элементах.

3. Разработана методика расчета параметров элементов входных преобразовательных модулей СЭС с ИРГ, основанная на анализе базовой топологии инвертирующего преобразователя постоянного напряжения. Методика расчета учитывает наличие на входе преобразовательного модуля СЭС с ИРГ источника переменного напряжения.

4. Предельные напряжения полупроводниковых элементов разработанного преобразовательного модуля СЭС с ИРГ зависят только от двух параметров -

3. РАЗРАБОТКА ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИСТОЧНИКАМИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМОВ РАБОТЫ

Глава посвящена разработке имитационной модели преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации согласно структуре, приведенной на рисунке 3.1. В качестве входного источника рассматриваются источники переменного напряжения, такие как дизель-генераторы или ветроэлектростанции. Нагрузкой является активное сопротивление.

Рисунок 3.1 Структура преобразовательного модуля СЭС с ИРГ в режиме AC/DC

На рисунке 3.1:

1 - источник питания;

2 - ЬС - фильтр;

3 -инвертирующий преобразователь постоянного напряжения, работающий в положительный полупериод питающей сети;

4 - инвертирующий преобразователь постоянного напряжения, работающий отрицательный полупериод питающей сети;

5 - емкостной накопитель;

6 - нагрузка.

Имитационная модель необходима для апробации алгоритмов управления ПрМ СЭС с ИРГ, определения коэффициента нелинейных искажений, вносимых

3.1 Имитационная модель преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

Для создания физической модели устройства, а в дальнейшем целого ряда устройств с установленной шкалой мощностей, напряжений, токов нагрузки необходимо выполнить имитационное моделирование. Для исследования режимов работы ПрМ СЭС с ИРГ разработана имитационная модель в среде Matlab/Simulink, включающая в себя основные элементы силовой части и систему управления [50, 103].

Для разработки имитационной модели требуется выбрать метод решения неявно составленных систем уравнений. В математических пакетах в качестве решателя часто используется классический метод Рунге - Кутта 4 порядка с фиксированным шагом, являющийся одним из способов решения задачи Коши для систем дифференциальных уравнений. К главным преимуществам классического метода Рунге - Кутта относят большую точность решения уравнений при относительно малых трудозатратах.

При выборе величины постоянного шага интегрирования используется эмпирическая зависимость, связывающая шаг моделирования с максимальной частотой коммутации полупроводниковых ключей, согласно которой шаг модели должен быть минимум в сто раз больше, чем максимальная частота коммутации. Также тактовая частота работы используемых в модели генераторов должна быть меньше, чем шаг модели [90].

В качестве решателя разрабатываемой имитационной модели используется классический метод Рунге - Кутта 4 порядка (Solver: ode4(Runge-Kutta) с фиксированным шагом (Type: Fixed-step) в 100 нс (Fixed-step size), представленные в окне конфигурации модели (Model Configuration Parameters) на рисунке 3.2 [22].

Simulation time

Start time 00 Stop tiite 1

Solver selection

Type Fixed-step 8et»W ode4 (Runge-Kutta) _

* Sofver details

Fixed-step size (fundamental sample lime) |1»7_

Рисунок 3.2 Окно конфигурации модели

Состав имитационной модели должен включать все элементы, содержащиеся в предложенной схемотехнической реализации ПрМ СЭС с ИРГ. Для разработки имитационных моделей полупроводниковых преобразователей чаще всего используется библиотека $>тРамег$>у81ет, в которой приведены основные примитивы в области силовой электроники. 57ти/ш£-модель силовой части ПрМ СЭС с ИРГ представлена на рисунке 3.3

Рисунок 3.3 Simulink-моделъ силовой части преобразовательного модуля СЭС с ИРГ

На рисунке 3.3:

1 - источник электропитания;

2 - входной LC-фильтр;

3 - инвертирующий DC/DC преобразователь, работающий в положительный полупериод питающей сети;

4 - инвертирующий DC/DC преобразователь, работающий в отрицательный полупериод питающей сети;

5 - входной емкостной фильтр;

6 - электрическая нагрузка.

Основными узлами Simulink-модели силовой части ПрМ СЭС с ИРГ являются два инвертирующих преобразователя постоянного напряжения, работающие в различные полупериоды питающей сети (3 и 4). Модели преобразователей реализованы с использованием полупроводниковых приборов, находящихся в стандартной библиотеке Matlab/Simulink, в которых учитываются напряжение насыщения и их активное сопротивление [41].

На вход обоих преобразователей подается переменное напряжение со следующими номинальными параметрами: амплитудное значение напряжения -312 В; частота напряжения - 50 Гц (1). Для имитации паразитных параметров источника питания используется постоянный резистор с величиной сопротивления 20 мОм. При прямом подключении источника питания ко входу ПрМ СЭС с ИРГ будет наблюдаться режим прерывистого сетевого тока. Для исключения прерывистого тока используется входной пассивный фильтр (2).

В выходном напряжении ПрМ СЭС с ИРГ присутствуют пульсации с удвоенной частотой питающей сети, для снижения их амплитуды установлен выходной емкостной фильтр (5). Для исключения ошибок, связанных с применением дискретного шага решения дифференциальных уравнений, параллельно каждому реактивному элементу подключены высокоомные резисторы (10 кОм), что позволяет исключить возможные разрывы контура протекания тока дросселей и конденсаторов.

Согласно предварительным расчетам на базе зависимостей, представленных во 2 главе, были определены параметры реактивных элементов имитационной модели ПрМ СЭС с ИРГ. Также в модели учтены типовые напряжение насыщения и активное сопротивление полупроводниковых приборов. Параметры элементов имитационной модели ПрМ СЭС с ИРГ представлены в таблице 3.1.

Имитационное моделирование было проведено при следующих параметрах:

- мощность нагрузки 0,5 - 10 кВт;

- напряжение нагрузки 100- 300 В;

- частота работы полупроводниковых ключей 33 кГц.

Таблица 3.1. Параметры элементов имитационной модели преобразовательного модуля СЭС с ИРГ

Дроссели

Индуктивность, мГн Активное сопротивление, Ом

Ы 1 0,1

Ь2 1 0,1

Ь3 1 0,1

Конденсаторы

Емкость, мкФ Активное сопротивление, Ом

С1 1 0,1

С2 12000 0,01

Полупроводниковые элементы

Падение напряжения, В Активное сопротивление, мОм

Ут-УБЪ 0,8 2

УТ1-УТ3 1 2

3.2 Алгоритмы системы управления преобразовательным модулем системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

Для реализации функции задания формы потребляемого тока требуется интеграция в силовую часть датчиков напряжения и тока, измеряющих мгновенные электрические параметры питающей сети. Также следует обеспечить работу ПрМ СЭС с ИРГ в режиме стабилизации выходного напряжения, следовательно, необходима установка датчика напряжения в его выходной цепи [29].

При формировании синусоидального потребляемого тока с нулевым фазовым углом сдвига требуется цифровая обработка входного напряжения с последующим определением первой гармонической составляющей и точки

перехода напряжения через ноль, что позволит сформировать опорное синусоидальное напряжение необходимое для реализации алгоритмов управления ПрМ СЭС с ИРГ [85]. Также требуется цифровая обработка измеренного выходного напряжения и расчет его среднего значения, что позволит реализовать алгоритм стабилизации выходного напряжения [36].

В ходе разработки алгоритмов системы управления (СУ), формирующих синусоидальный потребляемый ток, в первую очередь стоит определить способ управления полупроводниковыми ключами [58, 93]. Следует выделить три базовых реализации системы управления формирования кривой потребляемого тока: СУ по среднему току; СУ по пиковому току; релейная СУ [24].

Система управления по среднему току является достаточно сложной в реализации и имеет низкие динамические характеристики, что делает ее применение ограниченным, несмотря на постоянную частоту коммутации [23].

Система управления по пиковому току проще в реализации, однако имеет большие пульсации входного тока, переменную частоту коммутации и аналогичные низкие динамические характеристики, как и СУ по среднему току [38].

Наилучшие динамические свойства показывает релейная система управления. При ее использовании наблюдаются низкие пульсации потребляемого тока, а реализация СУ относительно проста [104]. Незначительным недостатком является переменная частота коммутации полупроводниковых ключей, что негативно сказывается на режиме работы реактивных элементов, поэтому требуется программное ограничение диапазона изменения частоты, позволяющее обеспечить стабильную работу накопительных дросселей.

Релейный способ управления реализуется путем задания двух границ, между которыми должен находится потребляемый ток. Заданные границы отличаются по амплитуде и формируют ширину допустимой зоны, чем зона меньше, тем меньше будет и величина пульсации потребляемого тока. Однако поддержание формы потребляемого тока при слишком узкой допустимой зоне потребует большую частоту коммутации полупроводниковых ключей.

Поскольку при нахождении мгновенных значений тока в допустимой зоне проводимость полупроводниковых ключей не должна меняться требуется использовать триггер Шмитта, простейшей реализацией которого является схема на базе компараторов и Л^-триггеров.

При объединении двух функциональных узлов, а именно задания границ допустимой зоны изменения потребляемого тока и триггера Шмитта, возможна реализация релейного способа управления полупроводниковыми ключами, исполнение которого в среде Ма^аЬ/БтыИпк представлена на рисунке 3.4 [11].

Рисунок 3.4 Блок релейной системы управления

Работа релейной системы управления осуществляется по следующему алгоритму. Сначала определяется первая гармоническая составляющая сетевого напряжения (Ш), которая в последующем умножается на коэффициент ширины допустимой зоны (Кдз), рассчитываемый по формуле (3.1).

Кдз = 1± Shir, (3.1)

где:

/Сдз - коэффициент ширины допустимой зоны;

Shir - относительная величина допустимой зоны.

Знак «плюс» используется для формирования верхней границы допустимой зоны, знак «минус» для нижней. Для вычисления тока задания (4а д) используется первая гармоническая составляющая напряжения (Ш), коэффициент ширины

/зад = U1 • Кдз • К1атр = 1 • (1 ± Shir) • KIamp, (3.2)

где:

К1атр - коэффициент величины потребляемого тока; 1зад - ток задания.

Для визуализации границ допустимой зоны тока применяются следующие входные данные: напряжения питания изменяется по закону U1 = 312sin(314t); коэффициент ширины допустимой зоны - 10%; коэффициент величины потребляемого тока - 0,2. На рисунке 3.5 представлены кривые, полученные в среде Matlab/Simulink.

1зад+ у \ / - - ^ Si

/ у ✓ N V Ч X \

/ * ' х J ✓ ч ч ч \

/ / / / / / Г / ч \ ч \ ч \

/✓ / г // ✓ ч\ \\

Л \

t, с

Рисунок 3.5 Границы допустимой зоны потребляемого тока

На рисунке 3.5 представлена верхняя граница, обозначенная сплошной линией, с амплитудой 68,59 А. Нижняя граница допустимой зоны представлена пунктирной линией и составляет 56,21 А.

Для определения формы потребляемого тока границы допустимой зоны сравниваются на компараторах с мгновенным значением тока, потребляемого из сети. Для каждого полупериода применяется отдельная система формирования импульсов.

Импульсы управления полупроводниковыми ключами формируются в положительный полупериод питающей сети согласно следующему принципу. Если ток сети находится ниже нижней границы допустимого диапазона, на выходе компаратора устанавливается высокий логический уровень, который поступает на вход сброса триггера. В случае, если потребляемый ток остается в пределах допустимого диапазона, выходные сигналы триггера не изменяются. Если же ток сети превышает верхнюю границу, на выходе второго компаратора устанавливается высокий логический уровень, подающийся на £-вход триггера. Это приводит к появлению логического нуля на инвертирующем выходе триггера и запиранию транзистора [10].

На рисунке 3.6 представлена блок схема алгоритма формирования импульсов управления в положительный полупериод питающей сети.

Рисунок 3.6 Блок схема алгоритма формирования импульсов управления в положительный полупериод питающей сети

Процесс формирования управляющих импульсов в отрицательный полупериод будет несущественно отличаться от алгоритма, показанного на рисунке 3.6. Различия заключаются изменением конфигурации подключения входов компаратора и ДО-триггера.

Для разделения управляющих импульсов в зависимости от полупериодов питающей сети на выходе каждого ДО-триггера установлен элемент логики «2И», разрешающий подачу импульсов только при определенной полярности приложенного напряжения. Блок схема алгоритма формирования импульсов управления в зависимости от полупериода питающей сети представлена на рисунке 3.7.

Измерение входного напряжения (Ш)

I

Нет

Ш>0 -

Блок формирования импульсов управления ключами в положительный полупериод

Сигнал на силовые ключи Рисунок 3.7 Блок схема алгоритма формирования импульсов управления

В зависимости от раздельного или синхронного способа управления полупроводниковыми ключами есть две вариации исполнения системы управления. В случае раздельного способа управления с выхода элемента «2И», разрешающего работу транзисторов в положительный полупериод питающей сети, импульсы управления подаются на преобразователь, работающий в положительный полупериод питающей сети. Соответственно импульсы со второго элемента «2И» подаются на преобразователь, работающий в отрицательный полупериод питающей сети. При реализации синхронного способа управления

Да

I

Блок формирования импульсов управления ключами в положительный полупериод

выходы элементов «2И» заводятся на входы элемента «2ИЛИ», импульсы управления с которого подаются на все полупроводниковые ключи преобразователя.

Следует отметить, что при применении совместного способа управления полупроводниковыми ключами ток будет протекать только через один из инвертирующих преобразователей. Для полупроводниковых приборов второго инвертирующего преобразователя будет отсутствовать условие изменения проводимости и, следовательно, незапланированные контура протекания тока будут отсутствовать [10].

Временные диаграммы формируемого тока и напряжения питающей сети представлены на рисунке 3.8 (напряжение питающей сети приведено в масштабе 1:2,5).

ил)

иа/ 2,5(Б)

V" .... | 1 ; | ! 1 !

9№ .....\............................

............... .............. .......... А тт^/ "

V-. \Ч»А ■

\ Ч?),

1 1 \ 1 1

/(с)

Рисунок 3.8 Временные диаграммы формируемого тока и напряжения питающей сети

Анализируя закон изменения кривых, представленных на рисунке 3.8, можно отметить, что потребляемый ток формируется согласно первой гармонической составляющей напряжения питающей сети. Фазовый угол сдвига между потребляемым током и питающим напряжением менее 1 эл. град., а cosф равняется 0,999. При квазисинусоидальном активном потребляемом токе улучшается электромагнитная совместимость источника питания и электрической

нагрузки и, следовательно, уменьшается негативное влияние потребителей электрической энергии на питающую сеть. Однако наличие относительно высоких пульсаций формируемого тока приводит к генерации высокочастотных гармонических составляющих. Наблюдаются высокочастотные колебания, амплитуда которых изменяется в зависимости от заданной ширины зоны нечувствительности. С уменьшением ширина зоны нечувствительности амплитуда пульсаций тока и суммарный коэффициент гармонических искажений снижаются. Однако это приводит к увеличению максимальная частота коммутации ключей, что вызывает рост динамических потерь в преобразовательном модуле [10].

Для оценки гармонического состава тока или напряжения существует целый ряд инструментов. В среде Matlab/Simulink существует подпрограмма, реализующая быстрое преобразование Фурье (Fast Fourier Transform, FFT), позволяющее разложить негармоническую периодическую функцию в ряд гармонических функций. Результаты гармонического анализа при ширине допустимой зоны в 10% представлены в виде гистограммы на рисунке 3.9.

Fundamental (50Hz) = 59.56 , THD= 13.23%

I I I I I I I I

10 -9 -8 -

3

2

О 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000

Frequency(Hz)

Рисунок 3.9 Гистограмма гармонического состава потребляемого тока

Анализируя данные, представленные на рисунке 3.9, можно сделать следующие выводы:

1) в гармоническом составе наблюдаются высокочастотные гармоники, особо выраженные в диапазоне от 9 до 12 кГц, что связано с переменной частотой коммутации при реализации релейного способа управления полупроводниковыми ключами

2) амплитуда наибольшей гармоники не превышает 3% от первой;

3) постоянная составляющая тока составляет 0,7%, в реальных условиях эта составляющая может быть еще больше из-за неучтенных параметров электронных компонентов;

4) суммарный коэффициент нелинейных искажений равняется 13,23%.

Качество электрической энергии на территории Российской Федерации

регламентируется ГОСТ 32144-2013, в котором прописано требование к суммарному коэффициенту нелинейных искажений напряжения (не более 8% в сетях 0,4 кВ). Однако отсутствуют требования к гармоническому составу потребляемого тока. Нормативным документом, который можно взять за основу для оценки высших гармоник тока, может служить стандарт IEEE 519-2022. Согласно стандарту IEEE 519-2022 определены предельные значения гармоник потребляемого из питающей сети тока начиная от 2-ой и заканчивая 49-ой. В таблице 3.2 приведены значения высших гармоник тока согласно стандарту IEEE 519-2022 и в результате имитационного моделирования при ширине допустимой зоны равной 10%.

Таблица 3.2 Предельное значение высших гармоник согласно стандарту IEEE519-2022 и

результате имитационного моделирования при ширине допустимой зоны равной 10%

Предельное значение гармоник тока, %

2 < h < 11 11 < h < 17 17 < h < 23 23 < h < 35 35 < h < 50

IEEE519-2022 4 2 1.5 0.6 0.3

Модель 10% 1.17 0.44 0.45 0.36 0.21

Согласно данным, представленным на гистограмме потребляемого тока (рисунок 3.9) некоторые из гармоник свыше 49 имеют большее относительное

значение, чем гармоники, регламентируемые стандартом. Чем выше номер гармоники тока, тем больше вероятность ее замыкания через паразитные контуры протекания тока, следовательно, их циркуляция в линии электропередачи практически отсутствует.

Значения высших гармоник тока в результате моделирования соответствуют требуемым параметрам (таблица 3.2). Но в случаях, где требуется повышенная электромагнитная совместимость устройств, следует добиваться максимального уменьшения искажения потребляемого тока. Для уменьшения амплитуды высших гармоник тока следует уменьшить пульсации потребляемого тока, которые в большей степени зависят от индуктивности входного фильтра и частоты коммутации полупроводниковых элементов. В релейном способе управления в явном виде не используется частота коммутации, однако от нее зависит ширина допустимой зоны потребляемого тока, следовательно, сужение ширины допустимой зоны приведет к повышению частоты работы полупроводниковых ключей и уменьшению величины пульсаций потребляемого тока. Однако при уменьшении ширины допустимой зоны будут увеличиваться динамические потери в преобразователе, поэтому следует находить оптимальную величину между КПД и суммарным коэффициентом нелинейных искажений потребляемого тока.

Для анализа изменения суммарного коэффициента нелинейных искажений потребляемого тока при изменении ширины допустимой зоны был выполнен гармонический анализ при ширине допустимой зоны в 1%. Результаты анализа представлены на рисунке 3.10 (Напряжение сети находится в масштабе 1:2,5).

При задании ширины зоны нечувствительности равной 1% пульсации потребляемого тока практически отсутствуют, а форма тока приближена к синусоидальной. На участках с максимальной скоростью изменения функции тока наблюдается значительная несинусоидальность. Это явление вызвано ограниченной скорость нарастания тока, обусловленным наличием дросселей (накопительного и входного фильтров). При задании входного тока согласно заданной функции в моменты смены полярности напряжения наблюдается максимальная длительность открытого состояния силового ключа. Время

UА) VJ2MB)

1 1 1 1 1 1 1 "" --- 1

7л 1 1 \ i _ 1..................i ! I ЖГ1 s7 У/

i \ 4 "" /

lili 1 1 1

_i_i_i_i_i_i_i_i_i_

о о<ю? им ооок нии «oí (из оси ПСП6 юпп осе

г (с)

Рисунок 3.10 Временная диаграмма формируемого тока и напряжения питающей сети при

ширине зоны нечувствительности в 1%

На рисунке 3.11 представлены результаты гармонического анализа потребляемого тока при ширине зоны нечувствительности 1%.

Анализ данных, представленных на рисунке 3.11, позволяет сделать следующие выводы:

1) суммарный коэффициент гармонических искажений уменьшился в четыре раза, достигнув значения 2,48%

2) амплитуда наибольшей высшей гармоники составляет менее 0,8% от амплитуды первой гармоники;

3) при ширине зоны нечувствительности 1% частота работы ключей увеличивается до 33 кГц. Ключи на базе IGBT без дополнительных цепей мягкой коммутации могут работать на такой частоте при пониженных нагрузках. Частота

Fundamental (50Hz) = 61.75 , THD- 3.89%

1

ЕЕ E

ЕЕ lilllll............................................................................—.......... ..................1.................................. ........................ .............................. ................ШШШМШДАь................................................................... .lilllllllllllllllllllllllllllllllill...... Ill ......II III

Frequency (Hz) Лю4

Рисунок 3.11 Гистограмма потребляемого тока при ширине зоны нечувствительности 1%

Уровень выходного напряжения связан с величиной потребляемого тока. Для выполнения функции стабилизации выходного напряжения требуется стабилизировать потребляемый ток. На рисунке 3.12 изображена блок-схема алгоритма, который обеспечивает стабилизацию потребляемого тока [12].

Алгоритм стабилизации тока работает следующим образом. Вначале устанавливается номинальное значение (Unom) и допустимое отклонение напряжения на нагрузке (Ustab) [109]. На основе этих данных формируется зона допустимых значений напряжения. Аналогично определяются границы зоны нечувствительности в блоке формирования импульсов управления.

Далее измеряется среднее значение напряжения на нагрузке и сравнивается с допустимым отклонением. Если напряжение на нагрузке превышает верхнюю границу, значение счета интегратора уменьшается. Если напряжение ниже нижней границы, значение счета интегратора увеличивается. Если напряжение на нагрузке находится в допустимом диапазоне, счет интегратора не изменяется [10].

Рисунок 3.12 Блок схема алгоритма стабилизации потребляемого тока

Значение, подаваемое на интегратор (Т51аЬ), устанавливается в системе управления и оказывает влияние на скорость выхода параметров преобразователя в установившийся режим. Увеличение этой величины приводит к более быстрому достижению заданного режима, но также приводит к росту пульсаций выходного напряжения.

Результатом предыдущих операций является относительная величина стабилизированного тока (18гаъ), пропорциональная величине потребляемого тока. Для исключения токовой перегрузки в момент предзаряда конденсатора выходного фильтра требуется ограничить относительное значение стабилизированного тока. В случае если 151аЬ равняется величине максимального потребляемого тока (1тах), то на вход интегратора подается нулевое значение.

В момент приключения между номинальным режимом и предзарядом наблюдается просадка напряжения на нагрузке из-за резкого спада тока задания. Решением данной проблемы является использование константы (1пот), являющейся начальным значением тока задания.

Резкое изменение тока задания вызывает искажение формы потребляемого тока и колебания выходного напряжения. Для замедления скорости интегрирования применяется дополнительный таймер. Скорость изменения регулируется с помощью уставки (Nstab), которая задает максимальное количество счетных операций.

Относительное значение стабилизированного тока передается в блок формирования импульсов управления силовыми ключами. При переполнении таймера происходит его сброс, и измерения повторяются. Для обеспечения обратной связи используется библиотечный блок delay, предотвращающий ошибки, связанные с неопределенностью входных величин.

Алгоритм стабилизации потребляемого тока, реализованный в Matlab/Simulink, представлен на рисунке 3.13.

Рисунок 3.13 Блок стабилизации потребляемого тока в среде Matlab/Simulink

Рисунок 3.14 Временная диаграмма пульсаций напряжения на нагрузке в режиме

стабилизации выходного напряжения

Допустимое отклонение выходного напряжения составляет ±1,5%, относительного номинального напряжения в 100 В. При данных параметрах схемы среднее напряжение на нагрузке равняется 101 В, а величина коэффициента пульсаций не превышает 2,5%. Частота пульсаций выходного напряжения равняется удвоенной частоте питающей сети, что свидетельствует о том, что низкочастотные гармонические составляющие преобладают в спектральном составе напряжения по сравнению с высокочастотными гармониками, сгенерированными вследствие работы полупроводниковых ключей. На рисунке 3.15 представлена временная диаграмма формируемого тока и напряжения сети в режиме стабилизации выходного напряжения.

Следует отметить, что форма потребляемого тока, представленного на рисунке 3.15, сильно искажена, а амплитуда отличается каждые полпериода, что свидетельствует о возросшей величине коэффициента нелинейных искажений.

'п(А)

ип/ВДВ)

15й 100

яз о

■50 ■1Ш

'150и ми от ш а» чк ш анг псе (кч <п

Г (с)

Рисунок 3.15 Временная диаграмма формируемого тока и напряжения питающей сети в

режиме стабилизации выходного напряжения

Результат гармонического анализа потребляемого тока сети в режиме стабилизации выходного напряжения представлен на рисунке 3.16.

В 8 10 12 14 1Б 18 Harmonic order

Рисунок 3.16 Гистограмма потребляемого тока сети в режиме стабилизации выходного

напряжения

Анализ гармонического состава, представленный на рисунке 3.16, позволяет сделать следующие выводы [10]:

1) суммарный коэффициент гармонических искажений составляет 26,62%, что указывает на значительные искажения формы тока;

2) в спектре присутствуют низшие гармоники. Амплитуда наибольшей из них (25 Гц) достигает 26% от амплитуды первой;

3) также в спектре присутствуют интергармоники. Амплитуда 75-герцовой гармоники составляет 24% от амплитуды первой.

При реализации алгоритма, представленного на рисунке 3.12, система управления не отрабатывает режим стабилизации потребляемого тока и, следовательно, коррекция коэффициента мощности невозможна. Причиной этому является то, что ток задания меняется чаще, чем раз в полпериода. Для решения данной проблемы применяется дополнительный таймер, с выхода которого подается сигнал разрешения изменения относительной величины стабилизации тока. На рисунке 3.17 представлена временная диаграмма напряжения на нагрузке в режиме стабилизации выходного напряжения при реализации изменения тока задания раз в полупериод.

Рисунок. 3.17 Временная диаграмма напряжения на нагрузке в режиме стабилизации выходного напряжения при реализации изменения тока задания раз в полупериод

В случае применения модифицированного алгоритма управления наблюдается колебательный переходный процесс в начале работы модели из-за наличия незначительного перерегулирования. На данном этапе работы коэффициент пульсации выходного напряжения равняется 4,4%. После 200 мс наблюдается переход в установившийся режим работы, в котором коэффициент пульсации выходного напряжения составляет 1%, что является лучшим показателем по сравнению с данными на рисунке 3.14. На всем интервале работы схемы частота пульсаций равняется удвоенной частоте питающей сети.

На рисунке 3.18 показана временная диаграмма потребляемого тока и напряжения сети при стабилизации выходного напряжения в режиме, когда изменение тока задания происходит один раз за полупериод.

UA) ип/2,5(В)

Ь"и (1.05 0.1 (115 D2 0Í5 05

f(c)

Рисунок 3.18 Временная диаграмма потребляемого тока и напряжения сети в режиме стабилизации выходного напряжения при реализации изменения тока задания раз в

полупериод

При изменении тока задания раз в полупериод на рисунке 3.18 видно улучшение формы потребляемого тока. Однако в случае частых резкопеременных изменений мощности нагрузки будет наблюдаться несимметрия средних значений

тока в положительный и отрицательный полупериоды питающего напряжения. Несимметрия негативно влияет на условия эксплуатации магнитных элементов из-за их подмагничивания.

Гармонический анализ потребляемого тока сети при стабилизации выходного напряжения и изменении тока задания раз в полупериод представлен на рисунке 3.19.

Анализ гармонического состава показал следующие результаты [10]:

1) суммарный коэффициент гармонических искажений составляет 12,95%, что превышает требования ГОСТ, но в два раза ниже, чем при использовании исходного алгоритма стабилизации тока;

2) в спектре присутствуют низшие гармоники, из которых наибольшая (47 Гц) имеет амплитуду 9% от первой;

3) также в спектре обнаружены интергармоники, амплитуда наибольшей составляет 8% от первой.

10 12 Harmonic order

Рисунок 3.19 Гармонический анализ потребляемого тока сети в режиме стабилизации выходного напряжения при реализации изменения тока задания раз в полупериод

Анализируя результаты гармонических анализов (рисунки 3.16 и 3.19), можно отметить улучшение показателей качества электроэнергии в СЭС, хотя они все еще не соответствуют требованиям суммарного коэффициента нелинейных искажений. На рисунке 3.18, после достижения установившегося режима (200 мс), суммарный коэффициент гармонических искажений составляет не более 4,5%.

Для улучшения гармонического состава при неустановившемся режиме необходимо периодически перенастраивать и корректировать функцию потребляемого тока. Важно отметить, что повышения инерционности передаточной функции потребляемого тока приведет к увеличению коэффициента пульсаций выходного напряжения.

При включении ПрМ СЭС с ИРГ требуется выполнить предзаряд выходного емкостного фильтра. Большим преимуществом предложенной топологии преобразователя является реализация ограничения зарядного тока без использования дополнительных средств коммутации, таких как контакторно-резисторные схемы. Блок схема алгоритма предзаряда представлена на рисунке 3.20.

Рисунок 3.20 Блок схема алгоритма предзаряда

Принцип работы блока предзаряда реализован на базе компараторной схемы, на вход которой подаются напряжение задания емкостного накопителя (Unom) и мгновенное значение напряжения на нагрузке (Un). При этом заряд происходит максимально возможным током (Izar). Однако ток не должен превышать максимально допустимые эксплуатационные параметры элементов ПрМ СЭС с ИРГ. Когда напряжение на нагрузке становится больше напряжения задания, на выходе подается сигнал разрешения на переход в режим стабилизации напряжения с последующим определением величины рабочего стабилизированного тока (Istab). Данное состояние запоминается и может быть сброшено только по сигналу на выключение преобразователя (Res).

На рисунке 3.21 показана реализация алгоритма предзаряда в Matlab/Simulink. В состав блока предзаряда входят компаратор, RS-триггер и аналоговый мультиплексор.

Рисунок 3.21 Блок предзаряда в среде Мм1аЬ/81ти1тк

Временная диаграмма напряжения на нагрузке при напряжении задания 100 В представлена на рисунке 3.22.

Функция изменения напряжения конденсатора в момент его заряда имеет линейную зависимость, что свидетельствует о постоянной величине потребляемого тока. На рисунке 3.23 представлена временная диаграмма потребляемого тока в режиме предзаряда.

Цн (В)

Рисунок 3.22 Временная диаграмма напряжения на нагрузке при напряжении

задания 100 В

Л (А)

Рисунок 3.23 Временная диаграмма потребляемого тока в режиме предзаряда

Как видно из данных на рисунке 3.23 форма потребляемого тока синусоидальна. Также наблюдается, что амплитуды тока в режиме предзаряда и в номинальном режиме работы отличаются. Однако при переходе с одного режима на другой существует разрыв функции, и заметно резкое изменение величины

потребляемого тока. Переход в области амплитудного значения тока приводит к генерации неосновных гармонических составляющих. Хотя вводимые искажения тока настолько малы, что обычно не учитываются, модификация алгоритма не является трудоемкой задачей. Модификация алгоритма заключается в синхронизации момента переключения режима работы ПрМ СЭС с ИРГ с переходом сетевого напряжения через нулевое значение [97]. Блок предзаряда с переключением режима работы ПрМ СЭС с ИРГ при изменении напряжения сети через нулевое значение представлен на рисунке 3.24.

Рисунок 3.24 Блок предзаряда с переключением режима работы преобразовательного модуля СЭС с ИРГ при переходе напряжения сети через нулевое значение

Для формирования зоны чувствительности при переходе напряжения через ноль применяются два компаратора и логический элемент «И». Если сетевое напряжение находится в околонулевом диапазоне, на логический вход аналогового мультиплексора поступает сигнал «1», что активирует использование сигнала с выхода ДО-триггера. Это решение предотвращает генерацию множественных синхроимпульсов. Блок-схема алгоритма предзаряда с переключением режима работы ПрМ при изменении сетевого напряжения через нулевое значение представлена на рисунке 3.25.

Рисунок 3.25 Блок схема алгоритма предзаряда с переключением режима работы преобразователя при переходе напряжения сети через нулевое значение

На рисунке 3.25 показана временная диаграмма потребляемого тока в режиме предзаряда, при котором ПрМ СЭС с ИРГ переключает режим работы при переходе сетевого напряжения через ноль. Ток на рисунке 3.25 непрерывный при переключении режима работы, что положительно влияет на качество электроэнергии в СЭС. Однако есть и отрицательный момент: при малых значениях емкости фильтра возможны значительные перерегулирования выходного напряжения.

Рисунок 3.26 Временная диаграмма потребляемого тока в режиме предзаряда с переключением режима работы ПрМ СЭС с ИРГ при переходе напряжения сети через

нулевое значение

На рисунке 3.27 представлен алгоритм, который объединяет блоки системы управления.

Рисунок 3.27 Алгоритм работы системы управления преобразовательным

модулем СЭС с ИРГ

Алгоритм, изображенный на рисунке 3.27, предназначен для реализации системы управления на основе микроконтроллеров в сочетании с программируемыми логическими интегральными схемами (ПЛИС). ПЛИС обеспечивают быстрое измеренин тока [21] и напряжения входного источника, а также выходного напряжения [16]. Микроконтроллер эффективно управляет режимами работы и взаимодействует с верхнеуровневой системой управления.

3.3 Исследование параметров входного преобразовательного модуля системы электроснабжения с источниками распределенной генерации

3.3.1 Зависимости кпд и коэффициента искажений от ширины зоны

нечувствительности

Исследовалась зависимость изменения гармонического состава потребляемого тока и КПД от мощности нагрузки. При этом использовались следующие параметры элементов имитационной модели ПрМ СЭС с ИРГ: входной фильтр включает дроссель с индуктивностью 1 мГн и конденсатор с емкостью 1 мкФ; накопительные дроссели имеют индуктивность 1 мГн; выходной емкостной фильтр - 120 мФ. Остальные параметры, такие как характеристика силовых диодов и транзисторов, соответствуют описанным в пункте 2.2 [10].

Суммарный коэффициент гармонических искажений определяется с помощью библиотечного блока PowerGUI и его функции FFT Analysis, аналогично тому, как это делалось ранее.

Суммарный коэффициент гармонических искажений и КПД измеряются при различных уровнях выходной мощности ПрМ СЭС с ИРГ. В результате формируется массив данных, который строится для построения зависимостей.

Для расчета КПД ПрМ СЭС с ИРГ применяется формулаЗ.З.

КПД = (3.3)

Для расчета КПД ПрМ СЭС с ИРГ

В Matlab/Simulink разработана схема для определения КПД. Ее визуализация представлена на рисунке 3.28.

Рисунок 3.28 Блок вычисления КПД

Библиотечные блоки RMS рассчитывают действующее значения входящих параметров, но для отображения данных им необходимо время равное как минимум одному полному периоду питающей сети.

На основе полученных значений КПД и THD, формируются таблицы, которые позволяют оценить эффективность работы ПрМ СЭС с ИРГ при разных уровнях нагрузки. Также определяются интервалы мощности, в которых измеренные параметры соответствуют заданным требованиям:

- коэффициент суммарных гармонических искажений менее 8%;

- КПД превышает 75%.

Эти данные загружаются в программу Mathcad, где строятся графики зависимости КПД и THD от мощности нагрузки. Затем построенные графики сравниваются с предварительно установленными граничными значениями, и делается вывод об эффективности работы ПрМ СЭС с ИРГ, а также определяются зоны оптимальной работы.

Были проанализированы зависимости КПД и THD ПрМ СЭС с ИРГ от ширины зоны нечувствительности, заданной в системе управления, при различных напряжениях на нагрузке (100 В, 200 В, 300 В).

В таблице 3.2 представлены значения относительного входного тока, THD и КПД от мощности нагрузки при выходном напряжении 100 В и ширине зоны нечувствительности 1%.

Рн (кВт) 0,5 2,5 3,5 5 7,5 10

4саЬ (у. е.) 0,005 0,055 0,0875 0,13 0,225 0,355

ТИБ (%) 104,91 13,76 6,8 4,07 3,81 7,32

КПД (%) 44,3 86,4 83 78,3 68,4 57,1

На рисунке 3.29 продемонстрированы зависимости КПД и ТИБ при выходном напряжении 100 В и ширине зоны нечувствительности 1%.

КЦД(%) ТИО(%) 100

90

зс

70 60 50 4и 30 20 10

г

1 кпд /

1 4 \ Г /

\ / 1 У \ *

\ * * ч

1 \ / \ 1 \ 1

$ \ 4 \ * \

* \ * \ * \

тип

10, ..

Рн(кВт)

108 4.М 6.04 3.01

Рисунок 3.29 КПД и ТИБ при напряжении 100 В и ширине зоны нечувствительности 1%

На рисунке 3.29 кривая, отображающая КПД обозначена пунктиром, а кривая ТИБ - сплошной линией. Параметры КПД и ТИБ соответствуют установленным требованиям в диапазоне мощностей от 3,5 до 5,5 кВт. Наименьшее значение ТИБ 3,3% при мощности 6 кВт. Наибольший КПД достигает 86,4% при мощности 2,5 кВт.

Таблица 3.3. Значения измеренных параметров схемы при напряжении 200 В и ширине зоны _____ нечувствительности 1%

Рн (кВт) 0,5 2,5 3,5 5 7,5 10

Jstab (у. е.) 0,005 0,055 0,0825 0,1175 0,1925 0,28

THD (%) 181,15 27,99 15,95 9,65 4,95 3,96

КПД (%) 36 80 82,5 84,3 78,8 72,8

На рисунке 3.30 продемонстрированы зависимости КПД и THD при выходном напряжении 200 В и ширине зоны нечувствительности 1%.

ЩД{%) THD(%) 100

90

SO

70

60

50

40

30

20

10