ШКОЛА MATLAB. Урок 36.
Гибридный источник питания переменного тока

№ 3’2021
PDF версия
Владельцы частных домов и небольших частных предприятий постепенно переходят на создание собственных микроэнергетических сетей для производства и возможной продажи энергии, полученной при помощи альтернативных источников питания (солнечных панелей, ветрогенераторов, дизель-генераторов, аккумуляторов, суперконденсаторов и др.). Универсальным устройством, позволяющим распределять и управлять мощностью, получаемой от различных источников, является активный полупроводниковый преобразователь, описанный и исследованный в различных ипостасях в ряде предшествующих уроков по моделированию устройств силовой электроники и электромеханики. В данном уроке рассматривается гибридный источник питания переменного тока, получающий энергию от промышленной сети переменного тока, от аккумулятора (суперконденсатора) и от солнечных панелей (батарей). Описываются способы управляемого разделения мощностей от этих источников, позволяющие оптимизировать затраты на используемую электроэнергию.

Введение

Проблему минимизации затрат на потребляемую энергию частных домов или малых частных производств можно разделить на две части. Первая касается минимизации затрат на оплату активной потребляемой мощности. Вторая — сокращения расходов на оплату реактивной потребляемой мощности.

Обе минимизации осуществимы при применении активного полупроводникового преобразователя (АПП), обладающего двусторонней энергетической связью и обеспечивающего построение так называемых «умных сетей» (Smart Grid) [12, 13, 14, 15, 16, 17].

Активный полупроводниковый преобразователь позволяет минимизировать стоимость активной потребляемой энергии, используя разницу ночного и дневного тарифа, и полностью исключить потребление реактивной мощности, как это происходит в сетях с активными фильтрами.

В настоящее время реактивная энергия оплачивается за счет повышения тарифа на потребляемую активную энергию. Однако недалек тот день, когда частный потребитель будет пользоваться счетчиками, учитывающими не только активную, но и реактивную энергию. Тогда потребитель будет заинтересован в минимизации потребляемой как активной, так и реактивной мощности.

Сегодня в рамках проекта по стимуляции зеленой микрогенерации Минэнерго разработало законопроект, который позволял бы владельцам частных домов и небольших предприятий производить и продавать энергию, полученную при помощи альтернативных источников питания. Максимальная мощность таких альтернативных источников питания не должна превышать полутора-двух десятков киловатт. Автор считает, что продавать поставщикам электроэнергии энергию альтернативных источников частных домов и малых предприятий будет не выгодно, поэтому далее рассматривается задача экономии поставляемой энергии на примере гибридного источника питания переменного тока, позволяющего излишек собственной активной энергии накапливать в аккумуляторе или суперконденсаторе и полностью исключить потребление из сети реактивной мощности.

 

Схема замещения и математическое описание гибридного источника питания переменного тока

Функциональная схема гибридного источника питания переменного тока (ГИППТ) с АПП приведена на рис. 1, где обозначены:

  • АПП — трехфазный активный полупровод­никовый преобразователь;
  • ИППТ — обратимый источник питания постоянного тока (аккумулятор, суперконденсатор);
  • СБ_ИПП — солнечная батарея с повышающим импульсным полупроводниковым преобразователем постоянного напряжения (Step Up Converter);
  • РТ — гистерезисный регулятор токов в фазах АПП;
  • ПК — преобразователь координат;
  • ДТ — датчики токов в фазах АПП;
  • ФАПЧ — система фазовой автоподстройки частоты;
  • r, L — добавочные дроссели, включенные в цепь переменного тока АПП.
Гибридный источник питания переменного тока

Рис. 1. Гибридный источник питания переменного тока

Электрическая схема замещения рассматриваемого ГИППТ приведена на рис. 2.

Схема замещения ГИППТ

Рис. 2. Схема замещения ГИППТ

В основе математического описания электромагнитных процессов в АПП ГИППТ используется метод основной (гладкой) составляющей [1], метод пространственного (результирующего) вектора [6] и преобразование координат [11].

Со стороны цепи переменного тока математическое описание АПП в ГИППТ может быть представлено в виде:

Формула

где  Формула— обобщенный вектор тока в АПП;  Формула— обобщенный вектор тока в нагрузке;  Формула— обобщенный вектор тока в сети;  Формула— обобщенный вектор напряжения на стороне переменного тока АПП;  Формула— обобщенный вектор напряжения в питающей сети; r1— активное сопротивление дросселя; L1 — индуктивность дросселя; x1 = w1L1 — реактивное сопротивление дросселя; w1 = 2pf1— угловая частота питающей сети.

Устойчивая работа системы переменного тока, где параллельно сети с напряжением U1 к нагрузке подключается другой источник энергии с напряжением Uac, обеспечивается, когда второй источник обладает нагрузочной характеристикой, соответствующей источнику тока. В этом случае сеть обеспечивает стабильное напряжение (master mode), другой источник (АПП) выполняет функцию источника тока (slave mode). В рассматриваемой системе последнее достигается при токовом управлении полупроводниковым преобразователем [2], которое реализуется с помощью релейных регуляторов тока в каждой фазе трехфазного АПП (рис. 1).

Анализ электромагнитных и энергетических характеристик системы при токовом управлении осуществляется путем решения уравнений (1) в квазиустановившемся режиме, при котором ток АПП является заданным Формула, а уравнения (1) могут быть представлены в виде [3, 4, 5]:

Формула

На рис. 3 по уравнениям (2) построены векторные диаграммы ГИППТ, демонстрирующие физику работы системы.

Векторные диаграммы ГИППТ в оптимизированном режиме работы

Рис. 3. Векторные диаграммы ГИППТ в оптимизированном режиме работы

Активный полупроводниковый преобразователь (АПП) в ГИППТ может работать в двух режимах. В первом режиме (рис. 3а) он выполняет функцию сетевого инвертора, частично или полностью снабжая энергией нагрузку переменного тока. Во втором режиме (рис. 3б) АПП выполняет функцию активного выпрямителя, потребляя энергию из сети переменного тока и заряжая аккумулятор в цепи постоянного тока. В этом режиме работы системы нагрузка снабжается энергией только от сети. Очевидно, что определенную экономию расходов на электроэнергию можно достичь, если первый режим работы использовать в дневное время суток, а второй — в ночное.

В любом из рассмотренных режимов реактивная мощность нагрузки должна генерироваться преобразователем, разгружая сеть от реактивного тока. Такой режим работы ГИППТ далее назван оптимизированным.

 

Расчет электромагнитных и энергетических характеристик гибридного источника питания переменного тока

Векторные диаграммы в оптимизированном режиме работы ГИППТ строятся на основании уравнений (2) во вращающихся системах координат. При этом вращающиеся координаты x, y (рис. 3) привязываются к сети, электромагнитные переменные которой являются напряжением и током в сети Формула ,Формула .

Переменные состояния преобразователя Формула, Формула привязываются к осям, обозначенным как 1, 2 (рис. 3), которые синхронизированы с сетью при помощи блока ФАПЧ. Смещение этих осей 1, 2 (φm — фаза модуляции) относительно осей сети (x, y) зависит от тока АПП (Формула). При наличии векторной диаграммы электромагнитные и энергетические характеристики ГИППТ вычисляются по уравнениям, составленным на основании уравнений (2) и геометрических соотношений векторной диаграммы (рис. 3). Далее эти характеристики рассчитываются при условии заданной мощности в нагрузке PL = 20 кВт, QL =10 кВАr, которые определяют активную и реактивную составляющие тока нагрузки:

Формула

С учетом вышесказанного в оптимизированном режиме работы ГИППТ электромагнитные процессы в АПП описываются уравнениями:

Формула

Энергетические характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме работы рассчитываются по уравнениям:

Формула

Дальнейшие исследования электромагнитных и энергетических свойств ГИППТ осуществляются при задании токов управления АПП в соответствии с уравнениями:

Формула

Электромагнитные характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме, рассчитанные по уравнениям (4), (6), приведены на рис. 4. На рис. 4а показана зависимость напряжения на стороне переменного тока АПП от тока управления I*acy. Это напряжение приблизительно пропорционально квадрату тока I*acy, оставаясь бóльшим напряжения сети (= 310 В). На рис. 4б приведена зависимость фазы модуляции от тока I*acy. Положительная фаза модуляции соответствует режиму работы, при котором сеть отдает мощность в нагрузку и в цепь постоянного тока АПП, который в этом случае выполняет функцию активного выпрямителя. При отрицательном значении jm АПП выполняет функцию автономного инвертора, отдавая мощность в нагрузку и потребляя ее от источников постоянного тока.

Электромагнитные характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме работы при PL = 20 кВт, QL =10 кВАr

Рис. 4. Электромагнитные характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме работы при PL = 20 кВт, QL =10 кВАr

Энергетические характеристики ГИППТ при оптимизации потребления мощности из сети, рассчитанные по уравнениям (5), приведены на рис. 5.

Энергетические характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме работы при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

Рис. 5. Энергетические характеристики ГИППТ в оптимизированном режиме работы при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

При отрицательном токе управления АПП (I*acy< 0) активная мощность, потребляемая из сети, расходуется в нагрузке и затрачивается на заряд аккумулятора в цепи постоянного тока АПП. При токе I*acy, равном нулю, активная мощность, потребляемая из сети, расходуется только в нагрузке. Аккумулятор в этом режиме не нагружен ни положительным, ни отрицательным током от АПП. При положительном токе АПП активная мощность в нагрузке складывается из мощности, потребляемой из сети, и мощности, потребляемой от аккумулятора вкупе с солнечной батареей. Например, при токе преобразователя, приблизительно равном 21 А, мощность в нагрузке складывается поровну из мощности, потребляемой из сети, и мощности, потребляемой из цепи постоянного тока АПП, а при токе преобразователя примерно 42 А нагрузка снабжается только от цепи постоянного тока.

Реактивная мощность в сети во всем диапазоне изменения I*acy остается равной нулю, поскольку реактивная мощность нагрузки во всех режимах работы компенсируется преобразователем. При этом реактивная мощность самого преобразователя, обусловленная сдвигом по фазе между основными гармониками тока Формула и напряжения Формула, растет как при положительном, так и при отрицательном токах преобразователя, оставаясь положительной (индуктивной).

Одновременное изменение электромагнитных и энергетических характеристик ГИППТ можно проследить в трехмерной (пространственной) системе координат при изменении I*acx и I*acy. Электромагнитные характеристики рассчитываются по уравнениям (4), (6), они представлены на рис. 6. Напряжение на стороне переменного тока АПП (Uac) линейно повышается с увеличением тока I*acx (с ростом реактивной мощности нагрузки) и приблизительно пропорционально квадрату изменения тока I*acy. Фаза модуляции (рис. 6б) зависит в основном от тока I*acy (от активной мощности АПП).

Электромагнитные характеристики ГИППТ

Рис. 6. Электромагнитные характеристики ГИППТ

Положительная фаза модуляции соответствует режиму работы, при котором АПП компенсирует отрицательную (емкостную) реактивную мощность нагрузки. Отрицательная фаза модуляции соответствует режиму работы, при котором АПП компенсирует положительную (индуктивную) реактивную мощность в нагрузке.

Пространственные энергетические характеристики ГИППТ, рассчитанные по уравнениям (5), приведены на рис. 7, 8.

Активная и реактивная мощность в питающей сети ГИППТ в оптимизированном режиме работы при изменении активной и реактивной мощности нагрузки

Рис. 7. Активная и реактивная мощность в питающей сети ГИППТ в оптимизированном режиме работы при изменении активной и реактивной мощности нагрузки

Активная мощность, потребляемая из сети (рис. 7а), зависит только от I*acy, она уменьшается с ростом I*acy и при значительных токах становится отрицательной, когда АПП переходит в режим сетевого инвертора, рекуперируя активную мощность в сеть. Как было сказано выше, такого режима работы следует избегать, поскольку производитель (распределитель, дистрибьютор энергии) вряд ли будет покупать электроэнергию по той же цене, по которой ее продает. Поэтому ток I*acy следует ограничить значением, при котором активная мощность АПП компенсирует активную мощность нагрузки, не превышая ее. При этом активная мощность в питающей сети будет равна нулю. Реактивная мощность в сети при поддержании условия I1x = ILxI*acx всегда остается равной нулю (рис. 7б).

Активная мощность АПП растет с повышением тока управления (рис. 8а) от отрицательных до положительных значений.

Активная и реактивная мощность в АПП ГИППТ в оптимизированном режиме работы при изменении активной и реактивной мощности нагрузки

Рис. 8. Активная и реактивная мощность в АПП ГИППТ в оптимизированном режиме работы при изменении активной и реактивной мощности нагрузки

При отрицательных токах эта мощность отрицательна, АПП выполняет функцию активного выпрямителя, заряжая аккумулятор. При положительном токе I*acy АПП функционирует как инвертор, потребляя активную мощность от сети постоянного тока и отдавая ее в нагрузку. Реактивная мощность АПП линейно нарастает с ростом тока I*acx (с повышением реактивной мощности нагрузки), эта мощность пропорциональна квадрату изменения тока I*acy (активной мощности нагрузки).

 

Модельное исследование гибридного источника питания переменного тока

Модель исследуемой системы в среде Matlab-Simulink представлена на рис. 9 и содержит следующие основные части:

  • АПП, содержащий полупроводниковый преобразователь (блок Active Convertor), измеритель напряжения на стороне переменного тока преобразователя (блок U_AC_abc), дополнительный дроссель и измеритель переменного тока преобразователя (блок I_AC_abc).
  • Нагрузку (блок Three-Phase Parallel RLC Load).
  • Сеть переменного тока (блок Three-Phase Source) с измерителем тока сети (блок I1_abc).
  • Систему управления АПП (блок Control System).
  • Аккумулятор и дополнительный источник постоянного тока с солнечными батареями (блок Solar Panal Step_Up Convertor).
  • Измерительную часть.
Модель ГИППТ

Рис. 9. Модель ГИППТ

Система управления преобразователем (рис. 10) содержит преобразователь координат (блок dq0/abc) и релейный регулятор тока (блок Hist_Control), модель которого приведена на рис. 11.

Преобразователь координат и релейный регулятор тока АПП

Рис. 10. Преобразователь координат и релейный регулятор тока АПП

Модель релейного регулятора тока (блок Hist_Control)

Рис. 11. Модель релейного регулятора тока (блок Hist_Control)

Устойчивая работа системы постоянного тока, где параллельно аккумулятору с напряжением Udc подключены другие регулируемые источники энергии (сеть с АПП, солнечная батарея с импульсным полупроводниковым преобразователем постоянного напряжения — СБ_ИПП, рис. 12), как и для цепей переменного тока, обеспечивается в том случае, когда один (основной — master mode) источник обладает характеристикой источника напряжения. В данном рассматриваемом случае — это аккумулятор, он обеспечивает стабильное напряжение в цепи постоянного тока АПП. Все остальные источники мощности (slave mode) должны обладать нагрузочными характеристиками, соответствующими характеристикам источников тока, обеспечивающим регулируемый отбор мощности от сети и от солнечной батареи. В рассматриваемой системе данное условие достигается при токовом управлении активным преобразователем и импульсным повышающим преобразователем напряжения.

Модель СБ_ИПП

Рис. 12. Модель СБ_ИПП

На всех осциллограммах, полученных на модели и приведенных далее, независимой переменной на оси абсцисс является время в секундах.

Электромагнитные и энергетические процессы в модели изображены на рис. 13. На верхней осциллограмме показаны токи, задаваемые на входах активного полупровод­никового преобразователя (I*acy, I*acx), и ток на выходе солнечных панелей (Isp). Ток I*acx АПП задан в соответствии с уравнениями (4) таким, чтобы за все время модуляции соблюдался режим компенсации реактивной мощности нагрузки (оптимизированный).

Энергетические процессы в ГИППТ при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

Рис. 13. Энергетические процессы в ГИППТ при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

На первом временном интервале при t = 0–0,05 с ток I*acy положительный задан такой величины, при которой нагрузка полностью снабжается от аккумулятора через АПП. Активная мощность, потребляемая из сети на этом интервале времени, равна нулю. Активная и реактивная мощности АПП приблизительно одинаковы и положительны. В цепи постоянного тока аккумулятор разряжается (ток I_BAT положительный).

В момент t = 0,05 с ток I*acy уменьшается до значения 21 А. На этом временном интервале (t = 0,05–0,1 с) нагрузка снабжается поровну от сети и от АПП (мощности P1 и Pac положительные и равные). При этом реактивная мощность АПП (Qac) уменьшается, но остается большей, чем активная мощность АПП (Pac). В цепи постоянного тока ток разряда аккумулятора уменьшается в два раза.

На третьем временном интервале (t = 0,1–0,15 с) ток управления АПП (I*acy) задается отрицательным (–20 А), при этом существенно возрастает мощность, потребляемая из сети, так как АПП переходит в режим активного выпрямителя и «лишняя мощность» сети передается в аккумулятор, который заряжается током, соответствующим разности мощностей сети и нагрузки. На четвертом временном интервале (t = 0,15–0,2 с) увеличивается заданный ток I*acy в два раза по сравнению с предыдущим этапом, что приводит к изменению соответствующих мощностей и токов в системе. На последнем интервале (t = 0,2–0,25 с) подается управляющий сигнал на вход системы управления повышающего ИПП (I_SUC), что приводит к увеличению заряда аккумулятора и не влияет на электромагнитные и энергетические процессы в сети, в АПП и в нагрузке.

Результаты модельного анализа электромагнитных и энергетических характеристик, представленных на рис. 13, достаточно точно совпадают с результатами теоретического анализа, показанными на рис. 4–8.

В переходных и установившихся режимах работы системы при рассмотренном токовом управлении АПП и ИПП реактивная мощность в сети остается постоянной и равной нулю (рис. 13). Изменение реактивной мощности не наблюдается даже во время переходного процесса при переходе АПП из режима активного выпрямителя в режим сетевого инвертора.

Электромагнитные процессы в системе представлены на рис. 14.

Электромагнитные процессы в ГИППТ при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

Рис. 14. Электромагнитные процессы в ГИППТ при PL = 20 кВт, QL = 10 кВАr

Спектральный состав напряжения на стороне переменного тока АПП показан на рис. 15, что подтверждает справедливость представления этого напряжения основной гармоникой (его «гладкой» составляющей).

Спектральный состав напряжения на стороне переменного тока АПП

Рис. 15. Спектральный состав напряжения на стороне переменного тока АПП

Электромагнитные и энергетические переходные процессы в ГИППТ свидетельствуют об отсутствии обменных колебаний мощности, которые наблюдаются в энергосистемах при подключении двух и более источников к общей нагрузке [8].

 

Заключение

Создание собственных микроэнергетических сетей для производства электрической энергии, полученной при помощи альтернативных источников питания, требует увязки самых различных технических, экономических, социальных и других вопросов, о чем много написано в отечественной и зарубежной литературе. Однако ключевыми вопросами при построении и использовании таких сетей являются вопросы технические, в частности вопросы обеспечения управляемого разделения мощности между отдельными источниками и исключения обменных колебательных энергетических процессов при их подключениях и отключениях. Возможность решения отмеченных вопросов, представленная в данном уроке, реализуется с использованием токового управления преобразователями переменного (АПП) и постоянного (ИПП) тока. Это позволяет предварительно заданным способом разделить расходуемую нагрузкой мощность между различными источниками энергии так, чтобы оптимизировать общие затраты на потребляемую энергию.

Литература
  1. Булгаков А. А. Новая теория управляемых выпрямителей. М.: Наука, 1970.
  2. Бродовский В. Н., Иванов Е. С. Приводы с частотно-токовым управлением. М.: Энергия, 1974.
  3. Герман-Галкин С. Г. ШКОЛА MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники и электромеханики в среде Matlab+Simulink. Урок 24. Мехатронная система с магнитоэлектрическим генератором и активным полупроводниковым выпрямителем // Силовая электроника. 2018. № 1.
  4. Герман-Галкин С. Г. ШКОЛА MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники и электромеханики в среде Matlab+Simulink. Урок 26. Оптимизация энергетических свойств мехатронной системы с вентильной электрической машиной // Силовая электроника. 2018. № 3.
  5. Герман-Галкин С. Г. ШКОЛА MATLAB. Виртуальные лаборатории устройств силовой электроники и электромеханики в среде Matlab+Simulink. Урок 28. Синтез оптимального управления генераторной установкой с вентильной электрической машиной // Силовая электроника. 2019. № 1.
  6. Ковач К. П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока. Пер. с нем. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963.
  7. Кобец Б. Б., Волкова И. О. Инновационное развитие электроэнергетики на базе концепции Smart Grid. М.: Энергия, 2010.
  8. Cавенко А. Е., Голубев А. Н. Обменные колебания мощности в судовых электротехнических комплексах. Иваново, 2016.
  9. Четошникова Л. М., Смоленцев Н. И., Четошников С. А. Управление электро­энергией и сервис-ориентированные сети // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». 2012. № 1.
  10. German-Galkin S., Tarnapowicz D. ENERGY OPTIMIZATION OF MECHATRONIC SYSTEMS WITH PMSG. 3rd International Conference on Energy and Environmental Protection. Krakow, Poland, September 13–14, 2018.
  11. Park R. H. Two-reaction theory of synchronous machines: Generalized method of analysis — part 1. Trans. of AIEE. July, 1929.
  12. Strzelecki R., Benysek G. Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks
  13. Smart Grids SRA 2035 Strategic Research Agenda Update of the SmartGrids SRA 2007 for the needs by the year 2035. March 2012. google.ru/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=&ved=2ahUKEwiz4YOYqfbwAhWxl4sKHTuTA0IQFjAAegQIAxAD&url=https%3A%2F%2Fwww.etip-snet.eu%2Fwp-content%2Fuploads%2F2017%2F04%2Fsra2035.pdf&usg=AOvVaw13L7sOe350zzt_G36QoTqw /ссылка утрачена/
  14. Sioshansi F. P. Smart Grid: Integrating Renewable, Distributed & Efficient Energy. Academic Press, 2012.
  15. rsci.ru
  16. newsdesk.pcmag.ru
  17. fsk-ees.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *