Введение к работе
Актуальность темы.
Основными глобальными проблемами современного мира являются: загрязнения окружающей среды, исчерпаемость ресурсов, изменение климата планеты, рост численности населения планеты и.т.д.
Неотъемлемой частью вышеперечисленных глобальных проблем являются энергетические проблемы, которые имеют прямую взаимосвязь со всеми сторонами жизни человечества. Энергетические проблемы очень остро ощущаются во всём мире. Отрасли энергетики разнообразны и их можно охарактеризовать по видам используемых энергоносителей: ядерная, угольная, газовая, мазутная, гидро, ветро, геотермальная, биомассовая, волновая и приливная, градиент-температурная, солнечная. Можно сопоставлять эти отрасли по нескольким показателям: экономическим, экологическим, ресурсным, а также по показателям безопасности и некоторым другим. Исходя из этого сравнения, можно прийти к выводу, что энергетика альтернативных источников энергии (АИЭ), как долгосрочная перспектива, имеет одно из первостепенных значений.
В начале 70-х годов прошлого столетия энергетический кризис разразился во многих странах. Одной из причин этого кризиса явилась ограниченность ископаемых энергетических ресурсов. Кроме того, нефть, газ и уголь являются также ценнейшим сырьем для интенсивно развивающейся химической промышленности. Поэтому сейчас все труднее сохранить высокий темп развития энергетики путем использования лишь традиционных ископаемых источников энергии.
Атомная энергетика в последнее время также столкнулась со значительными трудностями, связанными, в первую очередь, с необходимостью резкого увеличения затрат на обеспечение безопасности работы атомных электростанций. Печальный опыт последних десятилетий доказывает, что атомная энергетика несет в себе огромные риски, имеющие катастрофические последствия для регионов и планеты в целом. (например, аварии на Чернобольской АЭС и атомной электростации «Фукусима» в Японии в 2011 году).
Одним из решений проблемы энергообеспечения и экономии энергоресурсов является широкое внедрение АИЭ, таких как солнечные электрические генераторы (СЭГ), ветровые электрические генераторы (ВЭГ), генераторы электрической энергии работающие на биотопливе и др.
При создании и использовании АИЭ важнейшим вопросом, требующим решения, является вопрос снижения себестоимости и достижения максимальной эффективности. Для достижения высоких характеристик необходимо учитывать особенности эксплуатации альтернативных источников различного типа. Для СЭГ это световой поток на единицу поверхности солнечной батареи и рабочая температура на поверхности фотоэлементов, а для ВЭГ скорость и направление ветра, угол атаки и параметры возбуждения синхронной электрической машины, для биоэлектрических генераторов (БЭГ) управление процессами брожения, обеспечение оптимальной температуры и давления в реакторе, управление подачей газа и скорости вращения вала турбины.
Для обеспечения электрической энергией удаленных районов, поселков или автономных объектов представляется целесообразным создание смешанных кластерных систем, включающих в свой состав альтернативные источники или группы альтернативных источников разного типа, работающие под управлением системы, обеспечивающей максимальную эффективность при генерации электрической и тепловой энергии. Подобную систему можно назвать многофункциональным энергетическим комплексом (МЭК).
Создание новых методов и средств управления определяется необходимостью улучшения экономических и экологических показателей, повышением эффективности работы энергетических комплексов. Современные требования, предъявляемые к объектам управления, заставляют выдвигать новые требования к качеству технологического процесса. В связи с этими требованиями возрастает необходимость в современных, надежных системах управления, которые поддерживали бы заданную максимальную мощность, заданные параметры и быстродействие, обеспечивая управление процессом производства электрической энергии альтернативными источниками энергии.
Одним из решений является создание систем управления с использованием современных программируемых микроконтроллеров и микропроцессоров со специальными функциями управления, наиболее полно приспособленными к управлению энергетическими подсистемами. Использование программируемого контроллера в каждой подсистеме управления даёт ряд очень важных преимуществ. Применение контрольно-управляющих средств на основе микропроцессорных устройств с цифровой передачей данных и сигналов позволяет оптимизировать работу элементов МЭК в различных режимах и обеспечить эффективное и надежное функционирование МЭК в целом.
Создание высокоэффективных кластеров АИЭ позволяет по-новому решать проблему обеспечения электроэнергией потребителей расположенных в удаленных, труднодоступных районах и сельской местности. Создание кластеров АИЭ с системой управления нового поколения позволяет ставить вопросы создания локальных электрических сетей, состоящих из мелких и средних генерирующих источников, объединенных между собой и крупными энергосетями с использованием режимов реверсивного потребления. Увеличение эффективности и обеспечение высокого коэффициента автономности МЭК приведет к значительному снижению затрат на создание мощностей и снижению стоимости генерируемой электроэнергии. Работа решает проблему обеспечения максимального коэффициента полезного действия (КПД) для каждого альтернативного источника, входящего в состав МЭК и непрерывного обеспечения автономных потребителей электрической энергией. Применение структуры многопроцессорной автоматической системы управления для управления кластером АИЭ позволяет реализовать обобщенную концепцию технологического управления и диагностики.
Эти вопросы, составляющие предмет данной работы, вполне актуальны.
Цель и задачи диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является исследование и разработка высокоэффективной системы управления многофункциональным энергетическим комплексом альтернативных источников энергии.
Поставленная цель достигается благодаря решению следующих основных задач:
исследованию эффективности методов и алгоритмов управления МЭК;
исследованию характеристик фотоэлемента и сети фотоэлементов солнечных батарей, ветротурбин, биогенераторов и синхронного генератора в режимах оптимизации выходной мощности МЭК при вариации параметров АИЭ;
исследованию передаточных функций системы управления трехфазным управляемым выпрямителем при суммировании электрической энергии от разного типа АИЭ;
созданию математических моделей системы управления для фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ);
исследованию передаточных функций системы управления ФАПЧ для сопряжения МЭК с другими источниками электрической энергии (т.е. с сетью);
созданию математических моделей системы управления трехфазовым управляемым выпрямителем;
созданию математической модели системы управления кластером АИЭ различных видов;
разработке архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК, обеспечивающей оптимальное перераспределение выходных мощностей АИЭ;
созданию физической модели перераспределения мощностей МЭК для реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;
разработке структурных и функциональных схем системы управления МЭК;
разработке адаптивных алгоритмов управления МЭК;
разработке методов обеспечения резервной функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертации использованы: методы математического анализа, математического моделирования, физического моделирования, теория измерений, теория автоматического регулирования и методы проектирования многопроцессорных распределённых систем управления.
Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:
разработана и предложена концепция управления энергией, потребляемой от различных альтернативных источников, обеспечивающая высокую эффективность и экономию использования энергоресурсов и максимальный КПД;
предложена модель, позволяющая реализовать обобщенную концепцию технологической диагностики, включающей в себя формализацию физических процессов и достаточной информации с последующим целенаправленным использованием этой информации для получения заданной выходной мощности;
предложена система перераспределения потребляемой от различных АИЭ мощности, включающая в себя системы управления трехфазными управляемыми выпрямителями;
предложены структурные и функциональные схемы системы управления МЭК;
разработаны математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ;
проведено математическое моделирование режимов работы МЭК с использованием разработанных математических моделей;
предложен метод резервирования функции управления в многопроцессорной системе управления при отказе любого микропроцессора;
разработана и реализована физическая модель для исследований режимов перераспределения мощностей МЭК при реализации архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;
предложены варианты построения архитектуры многопроцессорной системы управления МЭК;
разработаны адаптивные алгоритмы управления МЭК;
предложены алгоритмы управления резервной функцией.
Практическую значимость работы имеют:
разработанные методы и алгоритмы управления МЭК, обеспечивающие высокую эффективность использования энергоресурсов альтернативных источников энергии;
результаты математического моделирования характеристик автоматических устройств управления процессом производства электрической энергии;
разработанная структурная схема многопроцессорной системы управления с резервной функцией, позволяющая повысить вероятность безотказной работы системы управления;
разработанная физическая модель для отработки режимов перераспределения генерируемых мощностей различными альтернативными источниками в составе МЭК;
результаты исследований диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры «Системы автоматического управления и контроля» НИУ МИЭТ.
На защиту выносится:
архитектура системы управления МЭК, обеспечивающая высокую эффективность использования энергоресурсов (альтернативных источников энергии), максимальный КПД, и высокую надежность;
структурные и функциональные схемы системы управления МЭК с использованием специальных датчиков и системы оперативного контроля;
математические модели системы управления трехфазным управляемым выпрямителем и ФАПЧ для обеспечения работы МЭК в сетевом режиме;
структуры адаптивных многопроцессорных систем управления МЭК с использованием управляемых выпрямителей и распределенной системы инверторов в режиме генерации максимальной мощности;
предложенные методы и алгоритмы функционирования многопроцессорной системы управления с обеспечением резервной функции при отказе любого микропроцессора;
результаты физического моделирования перераспределения генерируемых мощностей МЭК.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на ряде научно-технических конференций, в частности:
1. Всероссийские межвузовские научно-технические конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и Информатика», Зеленоград, Москва, 2009 г., 2010 г., 2011 г., 2012 г.
2. Конференция «Научная сессия МИФИ-2011, Сборник научных трудов, Том 1, Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез», (МИФИ, Москва, 2011 г.).
Публикации по работе. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 13 печатных работах, в том числе четыре работы в журналах, входящих в список, утвержденный ВАК. Без соавторов опубликовано 10 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырёх приложений. Работа содержит 130 страниц основного текста, 53 рисунка и 14 таблиц.
