Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Кубанский государственный аграрный университет»

На правах рукописи

УСКОВ АНТОН ЕВГЕНЬЕВИЧ

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР, ПОВЫШАЮЩИЙ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ

ХАРАКТЕРИСТИКИ СОЛНЕЧНЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ АПК

Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Григораш О. В.

Краснодар –

СОДЕРЖАНИЕ

Введение ……………………………………………………………

АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ …………………………...

Влияние качества электроснабжения на сельскохозяйственные 1. потребители и перспективы применения возобновляемых источников энергии ………………………………………………….. Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических 1. солнечных электростанций в краснодарском крае …………….. Основные недостатки автономных инверторов солнечных электростанций и задачи исследований ……………………………… Выводы и задачи исследования …………………………………... 1.

СТРУКТУРНО-СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЁТУ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ ………………………………………………... Конструкция и особенности работы трансформаторов с вращающимся магнитным полем ………………………………………... Автономные инверторы на однофазно-трхфазных трансформаторах с вращающимся магнитным полем ………………………. Разработка функциональной схемы автономного инвертора с 2. улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками ………………………………………………………………… Особенности расчта автономного инвертора ………………….

2.4 Особенности расчта фильтров автономных инверторов ………. 2. Разработка устройств, обеспечивающих параллельную работу 2. автономных инверторов …………………………………………... Выводы по второй главе …………………………………………... 2.

РАСЧЁТ ОСНОВНЫХ КРИТЕРИЕВ ЭФФЕКТИВНОСТИ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ …………………...

Расчт КПД и массогабаритных показателей …………………..

3.1 Математическое описание и основные задачи моделирования... 3. Разработка принципиальной электрической схемы замещения 3. автономного инвертора для компьютерного моделирования ….. Результаты компьютерного моделирования ……………………. 3. Рекомендации по проектированию системы управления и защиты автономных инверторов на трансформаторах с вращающимся магнитным полем ………………………………………………. Выводы по третьей главе …………………………………………. 3.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА И РАСЧЁТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЛЯ ВНЕДРЕНИЯ ЕГО В ПРОИЗВОДСТВО ……

Экспериментальные исследования ……………………………… 4. Расчт экономической эффективности …………………………... 4. Выводы по четвртой главе ……………………………………….. 4. Общие выводы ……………………………………………………... Список использованной литературы ……………………………. Приложения …………………………………………………………

ОСНОВНЫЕ ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ – аккумуляторные батареи;

АВР – автоматическое включение резерва;

АПК – агропромышленный комплекс;

АСЭ – автономная система электроснабжения;

ВИЭ – возобновляемые источники энергии;

ВЭС – ветроэнергетическая станция;

ДЭС – дизель–электрическая станция;

КПД – коэффициент полезного действия;

МГП – массогабаритные показатели;

НИЭ – нетрадиционные источники электроэнергии;

НПЧ – непосредственный преобразователь частоты;

ПЭ – преобразователь электроэнергии;

САЭ – система автономного электроснабжения;

СБ – солнечные батареи;

СГЭ – система гарантированного электроснабжения;

СУ – система управления;

СЭ – солнечная электростанция;

СЭС – система электроснабжения;

СФСЭ – солнечные фотоэлектрические станции;

СФЭУ – солнечные фотоэлектрические установки;

ТВМП – трансформатор с вращающимся магнитным полем;

ФЭП – фотоэлектрический преобразователь;

ЭТХ – эксплуатационно-технические характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

Развитие мирового топливно-энергетического комплекса характеризуется ограниченными ресурсами традиционных видов топлива. Это, в свою очередь, влечт за собой постоянное увеличение их стоимости, а также ежегодно возрастающие экологические проблемы, связанные с добычей и переработкой энергетических ресурсов традиционной энергетики [76]. Ввиду этого перспективным является направление внедрения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в сельскохозяйственное производство, чему способствуют, кроме того, следующие факторы: неограниченность ресурсов возобновляемой энергетики, повсеместная распространнность большинства видов на Земле, отсутствие вредных выбросов, доступность для использования.

Перспективным направлением для Краснодарского края является внедрение солнечных фотоэлектрических станций, одним из основных узлов которых являются автономные инверторы (АИ). Эксплуатируемые в настоящее время АИ имеют следующие недостатки: низкие показатели качества выходного напряжения и КПД [83].

Ведущими учеными в области статических преобразователей электроэнергии Атрощенко В. А., Безруких П. П., Гречко Э. Н., Григораш О. В. разработаны предложения и устройства, позволяющие улучшить эксплуатационно-технические характеристики (ЭТХ) АИ. Однако для существенного улучшения критериев эффективности АИ необходимы новые принципы и методы их конструирования.

В диссертационной работе предлагается одно из направлений, улучшающих ЭТХ АИ – это применение в их конструкции однофазнотрхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем (ТВМП).

Диссертационная работа выполнена в соответствии с госбюджетными темами ФГБОУ ВПО КубГАУ «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и источников электроснабжения для снижения эксплуатационных затрат на производство и переработку сельскохозяйственной продукции» 2006– (ГР № 01.2.00606851), «Теоретическое обоснование и практическая реализация энергосберегающего оборудования, электротехнологий и систем автономного электро- и теплоснабжения с.-х. потребителей с использованием возобновляемых источников энергии» 2011–2015гг. (ГР № 01.2.01153641).

Целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических станций за счет использования в их конструкции однофазнотрхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

Для достижения поставленной цели работы сформулированы следующие задачи исследований:

1. Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.

2. Разработать конструкцию обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем;

4. Провести компьютерное моделирование физических процессов протекающих в силовой схеме автономного инвертора.

5. Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Провести расчт экономической эффективности автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным.

Объектом исследования являются функциональные схемы автономных инверторов и их системы управления, физические модели автономных инверторов.

Предметом исследования являются эксплуатационно-технические характеристики автономных инверторов (электрические параметры, КПД, массогабаритные и экономические показатели).

Методы исследования. Базируются на использовании теории электрических цепей, основ теории статических преобразователей электроэнергии с использованием стандартного программного продукта LTSpase, позволяющего моделировать физические процессы в силовых электрических цепях.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается правильностью выбора и корректного использования математического аппарата, а также совпадение результатов теоретических расчетов и экспериментальных исследований.

Научную новизну работы составляют:

1. Функциональные схемы автономных инверторов, выполненных на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, в них преобразуется напряжение, поступающее от источника постоянного тока на первичную обмотку со средней точкой, в трхфазную симметричную систему напряжений посредством ШИМ-модуляции и конструкции обмоток трансформатора.

2. Формулы и методы расчта, адаптированные для предложенных функциональных схем однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы протекающие во вторичной цепи силовой схемы автономного инвертора.

Практическую значимость работы составляют:

1. Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем для автономного инвертора солнечных фотоэлектрических установок.

2. Принципиальная электрическая схема замещения для компьютерного моделирования физических процессов автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

5. Техническая новизна предложенных схемных решений АИ подтверждена 8 патентами РФ.

6. Рекомендации по проектированию автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

На защиту выносятся:

1. Функциональная схема автономного инвертора на базе однофазнотрхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2. Компьютерная модель, разработанная на основании математического описания, позволяющая исследовать физические процессы протекающие в силовой схеме автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Конструкция обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Результаты исследования экспериментальной установки автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

5. Результаты исследования компьютерной модели автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Результаты расчта экономической эффективности.

Реализация результатов работы.

Материалы по исследованию математической и физической модели переданы в ООО «Солнечный центр» (приложение А). Результаты научных исследований применяются в учебном процессе на кафедре ЭТиВИЭ в КубГАУ, при изучении дисциплины «Электроника» (Приложение В).

Личный вклад автора заключается в предложении новой конструкции магнитной системы однофазно-трхфазного ТВМП и функциональной схемы АИ на ТВМП и компьютерной модели АИ на ТВМП. Результаты исследований докладывались на 9 НПК.

Апробация работы. IV Всероссийская НПК молодых учных, «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2010 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2007 г.); I Международная НПК «Наука и технологии: шаг в будущее»

(Белгород, 2006 г.); II открытая Всероссийская НПК молодых учных «Молоджь и наука XXI века» (Ульяновск, 2007 г.); международная НПК «Энергосберегающие технологии. Проблемы их использования» (Волгоград, г.); Международная конференция «Технические и технологические системы»

(Краснодар, 2009 г.); V Всероссийская научная конференция «Энерго- и ресурсосберегающие технологии и установки» (Краснодар, 2010 г.); Международная АПК «Состояние и перспективы энерго- и ресурсосберегающих технологий в АПК» (Орл, 2009 г.); VIII региональная НПК молодых учных «Научное обеспечение АПК» (Краснодар, 2006 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано: 33 научные работы, в том числе 10 патентов РФ, 2 монографии, 7 статей в изданиях, рекомендованных ВАК.

Общий объм публикаций – 28,05 п. л., из которых 13,7 п. л. принадлежит лично автору.

Структура и объм работы: Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников, включающего наименований и приложений. Общий объем диссертации: 116 страниц машинописного текста, включая 57 рисунков, 11 таблиц.

1 АНАЛИЗ ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЛНЕЧНЫХ СТАНЦИЙ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Влияние качества электроснабжения на сельскохозяйственные потребители и перспективы применения возобновляемых источников энергии В настоящее время значительно возросла актуальность задачи обеспечения надежного электроснабжения в связи с активным внедрением в сельскохозяйственное производство автоматических систем управления механизированными процессами и производственными комплексами [52].

Как известно, системы электроснабжения сельскохозяйственных потребителей имеют большую протяженность линий электропередач по сравнению с промышленными системами электроснабжения. При этом в АПК отсутствуют потребитель напряжением 6 кВ и применяются напряжения 0,4; и 35 кВ.

Широкое распространение в агропомышленном комплексе получили магистральные и радиальные схемы электроснабжения [52].

Магистральные схемы являются более экономичными, поскольку в них применяется меньшее количество коммутационных электрических аппаратов. Но в общем случае наджность радиальных и магистральных схем практически одинаковы.

Опыт эксплуатации систем электроснабжения показал, что радиальные схемы более эффективны в том случае если источник электроэнергии находится в центре относительно потребителей. Когда все потребители находятся на одной линии относительно источника, то – эффективными являются магистральные.

Этот факт необходимо учитывать при проектировании систем электроснабжения с использованием ВИЭ.

Аварийные режимы работы, связанные с внезапными перерывами в электроснабжении, а также отклонение показателей качества электроэнергии приводят к значительным ущербам в сельскохозяйственном производстве, в том числе болезни и гибель животных, к нарушению сложных технологических процессов и к массовой порче сельскохозяйственной продукции [44].

Ежегодно значительно увеличивается мощность технологического электрооборудования сельскохозяйственного производства, что приводит к большим ущербам при аварийных и ненормальных режимах работы систем электроснабжения. В частности, это проявляется при электроснабжении крупных комплексов по производству молока (400 голов КРС и более); по выращиванию и откорму КРС (5 тыс. гол. и более) и свиней (12 тыс. гол. и более); птицефабрик по производству яиц и мясного направления (более тыс. и более 1 млн соответственно) [44].

В таблице 1.1 приведены размеры ущербов в крупных производственных сельскохозяйственных комплексах от перерывов в электроснабжении на 1 час.

Таблица 1.1 – Размеры ущерба вследствии перерывов в электроснабжении на 1 в крупных производственных сельскохозяйственных комплексах.

Комплексы по выращиванию крупного рогатого скота Птицефабрики мясного направления (от 1 млн. гол.) > 330 000 руб.

Птицефабрики по производству яиц (от 100 тыс. гол.) > 700 000 руб.

Статистический анализ ущербов при снижении качества напряжения показал, что в комплексах по производству молока в течение 1 ч при отклонениях напряжения на 7,5 % от номинального значения размер ущерба превышает 100 000 руб, при отклонениях 10 % – 150 000 руб.

С экономической точки зрения важным является вопрос передачи электроэнергии от источника к потребителям, Поскольку сами линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства имеют высокую стоимость и, кроме того, передача и преобразование электроэнергии сопровождается потерями. Так, по информации, приведнной в [44], капиталовложения в 1 км воздушной линии 35 кВ свыше 160 тыс. руб. Стоимость трансформаторных подстанций 35/0,38 кВ мощностью 1000 кВА превышает тыс. руб., 110/35 кВ мощностью 6300 кВА – более 2,6 млн руб., а стоимость распределительных устройств на 35 и 110 кВ более 1,5 млн. руб. С учтом инфляции можно предположить, что капиталовложения в перечисленное ранее оборудование выросло в несколько раз.

Таким образом, ущербы в сельскохозяйственном производстве в основном зависят от вида предприятия и объма обрабатываемой продукции.

На рисунке 1.1 показаны зависимости потребляемой электрической мощности (кВт) от производственной мощности (количества голов) [49].

Перерывы в электроснабжении на фермах молочного производства, кроме недополучения молока, приводят к заболеванию коров и последующему уменьшению их продуктивности. Значительные ущербы наносят перерывы в электроснабжении во время первичной обработки молока (охлаждение, сепарирование).

Перерывы в электроснабжении приводят к изменению параметров микроклимата на предприятиях по откорму крупного рогатого скота (КРС) и свиней (снижаются среднесуточные привесы, накапливаются вредные газы, способствующие развитию заболеваний и гибели животных).

Изменение микроклимата на птицефабриках из-за перерывов в электроснабжении может привести к гибели птицы от удушья уже через несколько часов. Кроме того, ухудшение качества электроэнергии (повышение отклонения напряжения, частоты, несимметричные режимы) также приводит к нарушению нормальной работы сельскохозяйственных потребителей.

а также ежегодным увеличением стоимости электроэнергии, вырабатываемой традиционными источниками, из-за ограниченности ресурсов органического топлива.

Объёмы сельскохозяйственного производства производства с.-х. продукции сельскохозяйственного производства.

следующие основные достоинства [101]:

– энергия, получаемая от источников, бесплатная;

– отсутствие потребности в воде (солнечные и ветроэлектростанции);

– отсутствие вредных выбросов (экологическая чистота);

– при их использовании сохраняется тепловой баланс на Земле;

– возможность использования земель, не приспособленных для хозяйственных целей.

Однако в настоящее время основными недостатками ВИЭ являются следующие [17]:

– низкая плотность энергии (удельная мощность);

– непостоянный характер поступления, в особенности солнечной и ветровой;

– необходимость аккумулирования и резервирования;

– стоимость вырабатываемой энергии превышает стоимость энергии получаемой от традиционных источников.

Первый недостаток ВИЭ требует создавать большие площади примных поверхностей солнечных электростанций и площади для размещения ветроэнергетических станций. Однако анализ территориального размещения сельскохозяйственных потребителей Краснодарского края показал, что объмы АПК в восточных районах края обладают такими свободными площадями, в том числе земли, не непригодные для хозяйственных целей.

Для устранения второго и третьего недостатка ВИЭ необходимо создавать комбинированные источники электроэнергии для наджного электроснабжения потребителей, это могут быть ветро-солнечные электростанции, ветро-газопоршневые электростанции и т. п. [104].

Четвртый недостаток ВИЭ является следствием первых трх, он так же обусловлен неразвитой промышленностью и отсутствием в России инфраструктуры возобновляемой энергетики.

Однако анализ научно-технической литературы показал, что с 2000 по 2012 г. стоимость 1 кВтч электроэнергии, вырабатываемой от традиционных источников возросла, более чем в 10 раз. При этом стоимость основных функциональных узлов ВИЭ уменьшилась в 2,5–4 раз и, как следствие, уменьшилась стоимость 1 кВтч вырабатываемого ВИЭ [3]. Рисунок 1. наглядно демонстрирует перспективы использования солнечных фотоэлектрических станций в сравнении с традиционной энергетикой.

= / kWh Рисунок 1.2 – Стоимость электроэнергии от традиционных источников и солнечных электростанций 1.2 Обоснование целесообразности применения фотоэлектрических солнечных электростанций в Краснодарском крае По данным Европейской ассоциации фотовольтаической индустрии сегодня конечная стоимость «под ключ» 1 Вт в крупной солнечной станции составляет 2,6–2,8 €/Вт, а в 2020 г. она составит 0,9–1,5 €/Вт, в 2030 г. – около 0,7 €/Вт. Стоимость выработанной этой станцией электроэнергии составляет 0,29–0,15 €/кВт·ч, к 2020 г. – составит 0,07–0,17 к€/Вт·ч, а к 2030–0, €/кВт·ч. 2011 г. принес революционные изменения в стоимости солнечной энергетики. Установившиеся в 2011 г. цены на 1 Вт в модуле в диапазоне 1,00–1,10$ означают почти 40%-е понижение цен по сравнению с уровнями в 1,80 $ в первом квартале 2011 г. А это значит, что реальная динамика снижения стоимости солнечной энергии превзойдет приведенные прогнозы. Равенство стоимости «солнечного» киловатта и «традиционного» в некоторых районах мира будет достигнуто уже в течение 2012 г. В целом же разными сценариями предполагается, что к 2020 г. в мире будет установлено 350– 600 ГВт «солнечных» мощностей, которые будут вырабатывать 100– 400 кВт ч электрической энергии, а к 2030 г. – 1080–1800 ГВт, которые будут вырабатывать 200-1400 кВт·ч электрической энергии. Это означает, что доля «солнечного» электричества в общемировой выработке электроэнергии уже к 2020 г. составит 4–7%, а в Европе – 12% [76].

Согласно прогнозам, сетевой паритет будет сначала (в течение ближайших нескольких лет) достигнут в южных регионах, а затем к 2020 г. распространится и в северные регионы.

Прогноз спроса на электроэнергию в перспективе до 2020 г. по России и регионам оценивается на 62 % выше уровня 2005 г. На рисунке 1.3 приведн прогноз потребления природных ресурсов в России.

Однако, несмотря на положительные тенденции мирового рынка, высокая стоимость электроэнергии от фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) сдерживает их более широкое применение. Такая цена обусловлена как дороговизной основного материала (как правило, кремния высокой чистоты), так и дороговизной технологического процесса. Поэтому ведутся интенсивные исследования и разработки, направленные на удешевление ФЭП.

Одним из перспективных направлений является создание высокоэффективных ФЭП с концентраторами солнечного излучения.

млрд кВтч Рисунок 1.3 – Потребление природных ресурсов России КПД солнечных элементов на основе монокристаллического кремния достигает 20–25% при концентрации в 10–100 солнца и рабочей температуре 250 оС. При большей концентрации эти СЭ требуют принудительного охлаждения, так как их КПД существенно снижается с ростом температуры (на 1/3 при повышении температуры на 100 оС). Значения КПД каскадных СЭ на основе GaAs составляют около 30 % при концентрации в 500–1000 солнц и при реальных рабочих температурах 60–80 оС. Солнечные батареи, обеспечивающие двустороннюю чувствительность солнечного модуля, по своим характеристикам являются одними из лучших солнечных батарей из монокристаллического кремния. Использование модулей с двухсторонней чувствительностью при освещении тыльной стороны отраженным светом можно получить примерно на 15–20% больше энергии с заданной площади модуля, а также их эксплуатация возможна и без дополнительного охлаждения [55].

Как видно из рисунка 1.4, около 40 % от стоимости солнечной фотоэлектрической установки (СФЭУ) составляет стоимость аккумуляторных батарей. Поэтому использование СФЭУ как резервного источника питания часто не целесообразно. Одним из основных функциональных узлов является АИ, осуществляющий согласование параметров электроэнергии между СФЭУ и сетью. Как видно из диаграммы, инверторы имеют не высокую стоимость, однако их эксплуатационно-технические характеристики существенно влияют на характеристики солнечных электростанций в целом.

стоимость, тыс.руб Рисунок 1.4 – Зависимость стоимости солнечных электростанций и отдельных элементов от мощности На сегодняшний день стоимость элементов солнечных электростанций изменяется в зависимости от мощности и производителя оборудования.

Быстрое развитие альтернативной энергетики в Краснодарском крае, в частности гелиоэнергетики поддерживается рядом причин [43]:

– Краснодарский край – один из немногих регионов России, обладающий значительными ресурсами солнечной энергии (см. рисунки 1.5, 1.6).

Технический потенциал производства тепла – 81,8 млн т.у.т., электроэнергии 5,8 млн т.у.т.;

– растет дефицит собственных традиционных топливно-энергетических ресурсов;

– динамика роста стоимости электроэнергии и тепла значительно повышает инвестиционную привлекательность проектов по ВИЭ;

Рисунок 1.5 – Суммарное солнечное излучение на горизонтальную поверхность на территории Краснодарского края, (Вт ч)/м Среднемесячная облачность Рисунок 1.6 – Среднемесячная облачность по Краснодарскому краю – строительство гелиоустановок горячего водоснабжения для жилых зданий и курортных объектов позволяет ежегодно замещать 1,5 млн т.у.т. органического топлива, что составляет около 10 % от суммарного годового краевого потребления теплоэнергоресурсов.

Для Краснодарского края имеющего повышенный уровень среднегодового солнечного излучения (1250–1450 Вт ч/м2) и среднемесячную облачность в пределах 50–60%, перспективным направлением является применения СФЭС в качестве основных источников электроэнергии. На сегодняшний день подключение СФЭС к системам электроснабжения объектов АПК и выполнение ими функции источника электроэнергии при наличии солнечной радиации – выполнимое техническое действие.

На рисунке 1.7 приведены различные варианты схем бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергии, выполненные с использованием ВИЭ, в том числе с СФЭС.

ДЭС ВЭУ

ВЭУ СФЭС

АВР АВР

ВЭУ СФЭС

Рисунок 1.7 – Системы бесперебойного электроснабжения на базе ВИЭ Электроснабжение потребителей по схеме, приведнной на рисунке 1.7, а, осуществляется по основной линии W1 от подстанции Б. Вторая линия электропередачи, по которой питание потребителей осуществляется от ДЭС, является резервной. При автоматическом отключении линии W1 от устройства АВР включается выключатель Q3. Таким образом вновь подается питание потребителям.

На схеме представленной на рисунке 1.7, б, питание потребителей осуществляется от трансформаторов Т1 или Т2. При автоматическом отключении одного из трансформаторов от схемы АВР включаются выключатели Q1 или Q3 и Q5 (при отключении T1) или Q6 (при отключении Т2).

Трансформаторы Т1 и Т2 включены на разные системы шин (рисунок 1.7, в). Шиносоединительный выключатель Q5 нормально отключен. При аварийном отключении любого из рабочих трансформаторов от схемы АВР автоматически включается выключатель Q5, что подключает нагрузку шин, потерявших питание, к оставшемуся в работе трансформатору. Если мощность одного трансформатора недостаточна для питания всей нагрузки подстанции, то при действии АВР должны приниматься меры для отключения части наименее ответственных потребителей. Для наиболее ответственных потребителей предусмотрено подключение СФЭС к шинам питания, что обеспечивает электроснабжение потребителей на время работы АВР.

Подстанция В (рисунок 1.7, г) нормально питается радиально от подстанции А. При аварийном отключении линии устройство АВР отключает Q и подключает ВЭС или СФЭС в зависимости от степени заряженности резервных аккумуляторов станций ВИЭ.

1.3 Основные недостатки автономных инверторов солнечных электростанций и задачи исследований Конструктивно СФЭУ содержит (рисунок 1.8):

– солнечную батарею (СБ), выполненную на фотоэлементах;

– автономный инвертор (АИ), выполненный на полупроводниковых приборах, как правило, в своей конструкции, содержащей трансформатор;

– аккумуляторную батарею (АБ);

– систему управления и защиты (СУЗ).

Рисунок 1.8 – Структурная схема СФЭУ с подключнной нагрузкой Солнечные батареи преобразуют энергию солнечного излучение в электрическую энергию постоянного тока. АИ преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, а его трансформатор осуществляет согласование напряжения СБ с напряжением нагрузки Н. Аккумуляторные батареи являются резервным источником питания. Система управления и защиты обеспечивает стабилизацию напряжения, переход питания нагрузки от резервного источника и защиту устройства от аварийных режимов работы.

В преобразователях напряжения наибольшее распространение получили мостовые схемы двухтактных инверторов (рисунок 1.9). Такие схемы имеют несложные системы управления, обеспечивающие стабилизацию напряжения в широком диапазоне. Для получения трхфазной системы напряжений могут применяться три однофазных мостовых схемы, системы управления которых должны быть синхронизированы и обеспечивать угол сдвига фаз 120о.

Рисунок 1.9 – Принципиальная силовая электрическая схема двухтактного автономного инвертора Лучшие ЭТХ имеет трхфазная схема автономного инвертора, показанVT Рисунок 1.10 – Принципиальная силовая электрическая схема трехфазного инвертора напряжения с подключенной нагрузкой по схеме «звезда» и «треугольник»

Основным недостатком рассмотренных схем является низкая наджность работы, особенно при использовании однофазных инверторов для получения трхфазных систем напряжения. Схема трхфазного инвертора (ривх сунок 1.10) имеет небольшой диапазон стабилизации, преимущественно при несимметричных режимах работы, а также повышенную массу выходных фильтров.

Поэтому целью диссертационной работы является улучшение эксплуатационно-технических характеристик автономных инверторов солнечных фотоэлектрических электростанций за счет использования в их конструкции однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

1.4 Выводы и задачи исследования 1. Таким образом, анализ работы систем электроснабжения показал, что снижение качества электроэнергии, в том числе отклонение параметров от номинальных и перерывы в электроснабжении, может приводить к значительным ущербам в сельскохозяйственном производстве. Кроме того, ограниченный ресурс природных видов топлива и ввиду этого постоянный рост тарифов на энергоносители открывают широкие перспективы в использовании ВИЭ.

2. Краснодарский край является подходящим регионом для использования СФЭУ, так как здесь 2400 солнечных часов в году и с мая по сентябрь среднемесячная облачность находится в пределах 55 %.

3. Основным недостатком автономных инверторов, применяемых в СФЭУ является низкая наджность работы, в особенности при использовании однофазных инверторов для получения трхфазных систем напряжения.

Схема трхфазного инвертора имеет небольшой диапазон стабилизации, преимущественно при несимметричных режимах работы, а также повышенную массу выходных фильтров.

На основании поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:

1. Провести анализ эксплуатационно-технических характеристик структурно-схемных решений эксплуатируемых автономных инверторов фотоэлектрических солнечных электростанций.

2. Разработать конструкцию обмоток однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

3. Разработать функциональную схему автономного инвертора на базе однофазно-трхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем.

4. Провести компьютерное моделирование физических процессов, протекающих в силовой схеме автономного инвертора.

5. Провести экспериментальные исследования автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

6. Провести расчт экономической эффективности по внедрению в производство автономного инвертора на базе трансформатора с вращающимся магнитным полем.

2 СТРУКТУРНО-СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ

ПОЛОЖЕНИЯ ПО РАСЧЁТУ АВТОНОМНЫХ ИНВЕРТОРОВ

НА БАЗЕ ТРАНСФОРМАТОРОВ С ВРАЩАЮЩИМСЯ

МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

2.1 Конструкция и особенности работы трансформаторов с вращающимся магнитным полем Equation C ha pter 2 Section На рисунке 2.1 изображена конструкция магнитной системы, где показаны сердечник 1 и тороидальная часть 2 магнитопровода. На рисунке 2. представлена электрическая схема и векторные диаграммы, поясняющие принцип работы ТВМП, в том числе стабилизация его выходного напряжения [46].

Рисунок 2.1 – Конструкция магнитной системы Трансформатор с вращающимся магнитным полем выполнен на двух первичных обмотках А1х1, А2х2, и имеет одну вторичную обмотку В1у1. При этом первичные обмотки сдвинуты одна относительно другой в пространстве на 90 эл. град и подключены между собой через фазосдвигающий конденсатор Сф, который обеспечивает сдвиг фаз напряжений U11 и U12 относительно друг друга на угол 1 = 90о (рисунок 2.2, а, б,). Первичная обмотка размещается на тороидальной части, а вторичная обмотка – на сердечнике.

Рисунок 2.2 – Трансформатор с вращающимся магнитным полем:

а) – принципиальная электрическая схема; б) – векторные диаграммы, поясняющие принцип работы Напряжение на вторичной обмотке трансформатора определяется геометрическим сложением векторов напряжений U11 и U12, и для угла 1 будет определяться вектором напряжения U21 (рисунок 2.2, б). В этом случае МДС первичных обмоток равны и при условии синусоидальности токов, протекающих по обмоткам, вращающееся магнитное поле будет круговым.

Если же, к примеру, снизить емкость фазосдвигающего конденсатора Сф, то и уменьшится угол сдвига фаз между векторами напряжений U11 и U12,