Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Электротехнический комплекс с фотоэлектрическими модулями и ступенчато-модулированным инвертором с улучшенными техническими характеристиками Белов Антон Алексеевич

Данная диссертационная работа должна поступить в библиотеки в ближайшее время
Уведомить о поступлении

Диссертация, - 480 руб., доставка 1-3 часа, с 10-19 (Московское время), кроме воскресенья

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Белов Антон Алексеевич. Электротехнический комплекс с фотоэлектрическими модулями и ступенчато-модулированным инвертором с улучшенными техническими характеристиками: автореферат дис. ... кандидата Технических наук: 05.09.03 / Белов Антон Алексеевич;[Место защиты: Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова], 2016

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности избранной темы.

В настоящее время применение автономных объектов (т.е. объектов, не подключенных к стационарным системам электроснабжения), с питанием от возобновляемых источников энергии находит все большее распространение в России и мире. К автономным объектам относятся, в том числе, локальные промышленные и сельскохозяйственные объекты. Локальные промышленные объекты в поселках и малых городах России представляют собой, как правило, небольшие предприятия, использующие электроэнергию для освещения, привода производственных механизмов, электротехнологии, водоснабжения, кондиционирования воздуха и т.д. При этом они могут быть расположены ближе к источникам сырья и удалены от центральных электросетей. Локальные сельскохозяйственные объекты используют электроэнергию для освещения, для привода электронасосов, для полива сельскохозяйственных культур, для привода различных машин, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию и т.д. Небольшие сельскохозяйственные предприятия также могут находиться вдали от центральных сетей. В этой связи особый интерес представляет собой использование солнечной энергии для электропитания автономных объектов.

Солнечная энергетика и ее часть – солнечная электроэнергетика являются перспективными и экологически чистыми направлениями электроэнергетической отрасли промышленности. Так, количество солнечной энергии, поступающей на территорию России за неделю, превышает энергию всех российских запасов нефти, газа, угля и урана.

В электротехнических комплексах (ЭТК) преобразование солнечной энергии в электрическую осуществляется при помощи модулей фотоэлектрических элементов (преобразователей) и преобразователей постоянного напряжения (тока) в переменное напряжение (ток) – инверторов. В настоящее время преобразование электроэнергии от фотоэлектрических модулей осуществляется при помощи инверторов, работающих, главным образом, по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Основные достоинства ШИМ-инверторов следующие: гибкое управление значением выходного напряжения и его частотой; применение высокочастотных трансформаторов, что уменьшает массогабаритные показатели по сравнению с блоками питания с низкочастотными трансформаторами; высокая проработанность схем и систем управления ШИМ. Однако, наряду с указанными достоинствами, у ШИМ-инверторов имеются недостатки, такие, как: ухудшение массогабаритных характеристик и КПД из-за необходимости применения фильтров на входе и выходе; снижение КПД из-за двойного или тройного преобразования электроэнергии; с ростом частоты переключения транзисторов растут в них потери, а при уменьшении частоты происходит рост амплитуд ближайших к основной гармоник на выходе и увеличение массогабаритов высокочастотного трансформатора; для управления гармониками более высокой частоты необходимо повышать частоту ШИМ, что ведет к увеличению потерь в транзисторах; увеличение высокочастотных помех при повышении мощности инвертора.

С момента появления преобразователей постоянного тока в переменный и до настоящего времени включительно, существует необходимость снижения потерь, повышения КПД, снижения массы и объема инверторов, в том числе, преобразующих электроэнергию от модулей фотоэлектрический элементов (МФЭП). Особенно это актуально при электропитании автономных объектов.

Альтернативой ШИМ-инверторам, лишенной указанных выше недостатков ШИМ, являются ступенчато-модулированные инверторы (СМ-инверторы). Однако у СМ-инверторов также имеются недостатки: зависимость качества выходного напряжения от количества и уровней напряжений первичных источников питания инвертора; малый процент увеличения выходного напряжения при допустимом согласно ГОСТ 32144-2013 суммарном коэффициенте гармонических составляющих.

Современные методы построения СМ-инверторов ЭТК, в т.ч. формирования и стабилизации их выходного напряжения, не позволяют разработать СМ-инвертор ЭТК с высоким процентом увеличения выходного напряжения в процессе его стабилизации при суммарном коэффициенте гармонических составляющих, входящем в допустимые пределы ГОСТ 32144-2013, а также с повышением КПД, уменьшением массы и объема инвертора.

Существенный вклад в развитие теории построения ступенчато-модулированных (многоуровневых) инверторов внесли: Гречко Э.Н., Донской Н., Заславец С.А., Иванов А., Кулешов Ю.Е., Кумаков Ю.А., Лазарев Г., Матисон В., Репьев Ю.Г., Соболев С.А., Тонкаль В.Е., Ушаков И., Шавелкин А.А. и др.

Рассмотренные в работах вышеприведенных авторов способы фазного и широтного регулирования позволяют при коэффициенте гармоник не более 10 % получить увеличение действующего значения напряжения для его стабилизации не более 12%, что недостаточно; использование метода изменения амплитуды на входе инвертора или его выходе ведет к ухудшению его массо-энергетических характеристик.

Анализ данных работ показал, что совершенствование ЭТК с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором путем улучшения его технических характеристик является актуальным.

Таким образом, диссертационное исследование, направленное на улучшение технических характеристик электротехнического комплекса с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором, является актуальным.

Тема диссертации связана с планом научной работы Кубанского государственного технологического университета «Электромагнитные преобразователи энергии».

Объект исследования: электротехнический комплекс с фотоэлектрическими модулями и ступенчато-модулированным инвертором со стабилизацией выходного напряжения.

Предмет исследования: параметры качества ступенчатой кривой выходного напряжения, энергетические и массогабаритные характеристики ступенчато-модулированного инвертора электротехнического комплекса.

Цель диссертационной работы.

Улучшение технических характеристик электротехнического комплекса с фотоэлектрическим модулями и ступенчато-модулированным инвертором.

Задачи исследования. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи.

1. Разработана методика исследования параметров ступенчатых кривых
(СК) при расширении центральной ступени (ЦС).

  1. Определены промежутки стабилизации напряжения для СК с лучшими характеристиками.

  2. Разработана модель ЭТК в программной среде имитационного моделирования (СИМ), включающая в себя МФЭП, СМ-инвертор и подключенные к выходу инвертора блоки нагрузки.

  3. Разработан алгоритм управления СМ-инвертором ЭТК.

5. Разработана методика исследования энергетических характеристик
СМ-инвертора ЭТК.

  1. Проведено исследование переходных процессов разработанного СМ-инвертора ЭТК.

  2. Разработаны методики исследования массогабаритных характеристик СМ-инвертора.

  3. Определены способы защиты инвертора от сверхтоков и перенапряжений.

  4. Проведено исследование разработанной имитационной модели ЭТК.

10. Предложены рекомендации по дальнейшему применению и совер
шенствованию ЭТК на основе СМ-инверторов.

Степень достоверности. Достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретических исследований и экспериментов имитационного моделирования. Разработанные программы расчета для ЭВМ проверены на тестовых задачах.

Научная новизна.

1. Разработана методика исследования параметров СК напряжения, отли
чающаяся тем, что в ней учитываются зависимости количества и ширины ана
литических промежутков от количества ступеней в полупериоде СК, учитыва
ется вид симметрии СК, математическим описанием приращения ширины цен
тральной ступени.

2. Разработана методика моделирования моделей МФЭП с заданными
вольт-амперными характеристиками (ВАХ) в СИМ Proteus ISIS, отличающаяся
тем, что в нее введены новые зависимости параметров ВАХ МФЭП от их но
минальной мощности и номинального выходного напряжения, применены но
вые зависимости параметров примитивов модели МФЭП в СИМ от параметров
ВАХ МФЭП, схема модели МФЭП в СИМ Proteus соединена таким образом,
что выходное напряжение МФЭП соответствует рассчитанной ВАХ.

3. Разработана модель ЭТК, включающая в себя МФЭП и СМ-инвертор в
СИМ Proteus ISIS, отличающаяся введением в нее новых моделей МФЭП, уче
том изменения ширины ступенчатой кривой вида СК7у, а также введением
комбинированного режима стабилизации выходного напряжения ЭТК.

  1. Разработан алгоритм управления СМ-инвертором, отличающийся учетом заданной формы ступенчатой кривой выходного напряжения инвертора вида СК7у, включением четвертого источника МФЭП при использовании комбинированного режима стабилизации выходного напряжения ЭТК.

  2. Разработана методика исследования КПД СМ-инвертора, отличающаяся тем, что в ней учтен процесс расширения ЦС ступенчатой кривой, выраженном в коэффициенте заполнения графика работы силовых элементов.

  3. Обоснованы преимущества использования трех первичных источников МФЭП и четвертого дополнительного источника МФЭП для электропитания автономного объекта при построении ЭТК на основе СМ-инверторов со стабилизацией выходного напряжения перед ШИМ-инверторами.

Теоретическая и практическая значимость работы.

  1. Разработанная методика исследования ступенчатых кривых позволяет исследовать кривые различной сложности.

  2. Результаты исследования ступенчатых кривых, найденные три промежутка стабилизации СК7, могут быть использованы при разработке СМ-инверторов ЭТК со стабилизацией выходного напряжения различной конфигурации и различных видов первичных источников электропитания.

  3. Разработанные шесть программ расчета, имеющих удобный, интуитивно-понятный интерфейс, позволяют, соответственно для каждой из них, рассчитывать параметры МФЭП, количество аналитических промежутков, коэффициент заполнения графика работы силовых элементов инвертора, его КПД, параметры блоков ветвей нагрузки.

4. Разработанные алгоритм управления, принципиальная электрическая
схема и модель в СИМ Proteus ISIS блоков нагрузки различных видов (актив
ной, активно-индуктивной и активно-емкостной), способной работать в стати
ческом и динамическом режимах, позволяют исследовать характеристики рабо
ты различных моделей устройств на нагрузку различного вида, как в среде
имитационного моделирования, так и в виде физического блока нагрузок.

  1. Разработанная методика моделирования моделей МФЭП в СИМ Proteus ISIS позволяет получить ВАХ, параметры примитивов, схему и модель МФЭП в СИМ Proteus ISIS при двух начальных задаваемых параметрах - номинальной выходной мощности и номинальном выходном напряжении МФЭП.

  2. Модель СМ-инвертора ЭТК, его принципиальная электрическая схема, разработанный алгоритм управления, а также программы управления для микроконтроллеров, могут быть использованы для: разработки и промышленного изготовления СМ-инверторов и ЭТК на их основе; дальнейшего исследования возможностей СМ-инверторов различных схем и форм выходного напряжения, близких к СМ-инвертору, разработанному в данного работе; разработки и исследования СМ-инверторов ЭТК другой мощности и напряжений (при количестве первичных источников от двух до четырех включительно).

7. Разработанные методики исследования энергетических и массогаба-
ритных характеристик, а также последовательность и результаты расчета пере
ходных процессов работы СМ-инвертора ЭТК, позволяют исследовать анало
гичные характеристики инверторов различных мощностей и напряжений.

8. Предложенные рекомендации применения, совершенствования структуры и принципов построения ЭТК на основе СМ-инверторов, в т.ч. для автономных объектов, могут быть использованы при разработке ЭТК на основе СМ-инверторов различных назначений, напряжений и мощностей.

Практическая значимость исследований подтверждается тем, что результаты диссертационной работы использованы: в Краснодарском филиале ПАО «Ростелеком» при создании систем электроснабжения на основе модулей фотоэлектрических элементов двух объектов электросвязи; в учебном процессе кафедры «Электротехники и электрических машин» института «Нефти, газа и энергетики» ФГБОУ ВПО «Кубанский государственный технологический университет».

Положения, выносимые на защиту.

  1. Методика исследования параметров ступенчатых кривых напряжения.

  2. Методика моделирования моделей МФЭП в СИМ Proteus ISIS.

3. Модель ЭТК, включающая в себя МФЭП и СМ-инвертор в СИМ
Proteus ISIS.

  1. Алгоритм управления СМ-инвертором.

  2. Методика исследования КПД СМ-инвертора ЭТК.

  3. Обоснование преимуществ использования трех первичных источников МФЭП и четвертого дополнительного источника МФЭП для электропитания автономного объекта при построении ЭТК на основе СМ-инверторов со стабилизацией выходного напряжения перед ШИМ-инверторами.

Апробация результатов работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на: «II Международной научной конференции ТТС-10» (г. Краснодар, 2010 г.), V Международной научно-практической конференции «Наука в современном мире» (г. Таганрог, 2011 г.), XI Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы современной науки» (г. Таганрог, 2011 г.), IV-V всероссийской НТК «Информационная безопасность – актуальная проблема современности. Совершенствование образовательных технологий подготовки специалистов в области информационной безопасности» (г. Краснодар, 2012 г.), III Международной научно-практической конференции «Научные чтения имени профессора Н.Е. Жуковского» (г. Краснодар, 2012 г.), «VI Международной научной конференции ТТС-14» (г. Краснодар, 2014 г.), VII Международном зимнем симпозиуме «Инновации в современной науке» (г. Таганрог, 2015 г.), XV Международной научно-практической конференции «В мире научных открытий» (г. Таганрог, 2015 г.), «VII Международной научной конференции ТТС-15» (г. Краснодар, 2015 г.), на расширенном заседании кафедры «Электротехники и электрических машин» ФГБОУ ВПО «КубГТУ» (г. Краснодар, 2015 г.), на расширенном заседании кафедры «Электроснабжения и электропривода» ФГБОУ ВПО «ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова» (г. Новочеркасск, 2015 г.). На VI Международном конкурсе работников образовательной сферы «Инновационные технологии XXI века» и V Международном конкурсе «На вершине научного Олимпа» результаты работы отмечены дипломами I степени и медалями (г. Таганрог, 2015 г.).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 27 научных работах, в том числе 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 9-ти свидетельствах о государственной регистрации программ для ЭВМ, 15 - в материалах Международных и Всероссийских научных и научно-практических конференций.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 270 наименований и 25 Приложений. Общий объем работы составляет 266 страниц машинописного текста, включая 51 рисунок, 3 таблицы и 103 страницы Приложений.