Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обзор современного состояния проблемы и постановка задачи диссертционной работы 5
1.1 Принципы построения ветрогенераторов 5
1.2 Преобразование параметров напряжения и тока в ветроэлектрических станциях .13
1.3 Способы стабилизации выходного напряжения 24
1.4 Состояние разработки и исследования систем автономного электропитания с
ветроэлектрическим генератором 30
1.5 Цель диссертационной работы и постановка задачи исследования 32
Глава 2 Схемные решения систем автономного электропитания с ветроэлектрическим генератором 35
2.1 Классификация схемных решений систем автономного питания с ветроэлектрическим генератором 35
2.2 Анализ аварийных режимов и разработка схемы защиты системы автономного питания с ветроэлектрическим генератором 40
Глава 3 Исследование энергетических характеристик системы автономного электропитания с ветроэлектрическим генератором 49
3.1 Работа ветроэлектрической станции на нагрузку соизмеримой мощности 49
3.2 Расчёт гармонического состава тока в анодных ветвях выпрямителя без фильтра 55
3.3 Расчёт гармонического состава тока в анодных ветвях выпрямителя с индуктивным фильтром 61
3.4 Расчёт гармонического состава тока в анодных ветвях выпрямителя с ёмкостным фильтром 67
3.5 Определение фазных токов ветрогенератора 73
3.6 Определение углов коммутации вентилей выпрямителя 75
3.7 Оценка результатов и выводы 79
Глава 4 Практические разработки систем автономного электропитания на основе ветрогенератора 82
4.1 Ветроэлектрическая станция мощностью 1 кВт 82
4.2 Установка для удаления избыточной влаги из грунта. 86
Заключение 91
Литература 93
Приложение 1 97
Приложение 2 103
- Преобразование параметров напряжения и тока в ветроэлектрических станциях
- Классификация схемных решений систем автономного питания с ветроэлектрическим генератором
- Работа ветроэлектрической станции на нагрузку соизмеримой мощности
- Ветроэлектрическая станция мощностью 1 кВт
Введение к работе
В последнее время в мире наблюдается возрастание интереса к использованию энергии ветра. В первую очередь это связано с проведением в различных странах политики экономии минерального сырья - газа, нефти, угля и других источников энергии. Быстрый рост цен на энергию и возрастающее загрязнение окружающей среды - вот факторы, создавшие базу для развития мировой ветроэнергетики.
Во времена разработки в нашей стране энергетических проектов, таких, как мощные гидростанции и атомные электростанции, интерес к маломощным электростанциям был искусственно подавлен [24,26,27]. Однако развитие страны на основе мощнейших энергетических комплексов показало невозможность обеспечения всей территории страны подводом энергии к более или менее отдалённым районам с потребителями небольшой мощности, таких, как отдалённые районы Крайнего Севера, небольшие посёлки, фермы. Создание мелких производств в удалённых районах требует обеспечение их источниками питания. Организация автономных энергетических установок на основе систем двигатель внутреннего сгорания - генератор также не является решением проблемы обеспечения автономных потребителей малой мощности, так как работа таких систем связана с необходимостью подвоза топлива для их функционирования.
Одним из перспективных источников энергоснабжения автономных потребителей является ветроэнергетическая система, которая свободна от необходимости использования кабельных сетей, трансформаторов, поддерживающих электролинию устройств и другого оборудования линий передачи электроэнергии. Бытовая техника - холодильники, стиральные машины, швейное оборудование и радиоэлектронная аппаратура требуют источник питания переменного тока 220 В 50 Гц. Решение проблемы стабилизации выходных параметров ветроэлектрической станции будет способствовать их широкому практическому применению для питания различных видов бытовой аппаратуры.
Преобразование параметров напряжения и тока в ветроэлектрических станциях
В схеме, представленной на рис. 1.66 производится предварительное преобразование входного напряжения на высокой частоте коммутатором (К1). Трансформированный до требуемой величины сигнал в виде прямоугольных импульсов подаётся на коммутатор (К2). Последний преобразует модулированное по синусоидальному закону напряжение, которое после фильтрации поступает в нагрузку. Здесь ценою двукратного преобразования энергии устранён недостаток схемы рис. 1.5а - используется высокочастотный трансформатор с меньшими массогабаритными показателями. Основным недостатком схемы рис. 1.56 является наличие прерывистого режима, обусловленного работой коммутатора (К2) [4], ухудшающего форму выходного напряжения. Кроме того, здесь трудно обеспечить защиту от перегрузок из-за специфики работы преобразователя. Схема, представленная на рис.1.5в отличается от схемы на рис. 1.56 тем, что вместо непосредственного преобразователя частоты используется узел "выпрямитель-фильтр-коммутатор" (В + Ф1 + К2), преобразующий постоянный уровень на выходе выпрямителя в модулированное по синусоидальному закону напряжение, которое после фильтрации поступает на нагрузку. Если выпрямитель сделать управляемым, то можно стабилизировать напряжение питания коммутатора К2 и тем самым облегчить регулирование параметров последнего. Схема рис.1.5в из-за наличия выпрямителя позволяет передавать энергию только в одном направлении - в сторону нагрузки. Это вносит некоторую специфику в её работу и в выполнение отдельных узлов. Коммутатор (К2) реактивной мощности почти не потребляет (работает в облегчённом режиме) и его можно сделать достаточно компактным. Применение данной схемы предпочтительно в том случае, если суммарные показатели блоков (В + Ф1 + К2) лучше показателей непосредственного преобразователя частоты. Здесь для стабилизации напряжения питания коммутатора (К2) коммутатор (К1) выполнен регулируемым (ШИМ), а формирование синусоиды осуществляется либо получением многоступенчатой кривой, либо использованием нескольких дополнительных коммутаций в (К2). Синусоидальную форму выходного напряжения можно получить суммированием выходных прямоугольных напряжений нескольких инверторов (К1,К2,КЗ) с одинаковыми амплитудами и частотами, но с разными фазами, или же с разными амплитудами, частотами и фазами. Структурная схема реализации данного метода представлена на рис. 1.5г. В обоих случаях преследуется цель исключить максимальное количество высших гармоник в выходном напряжении. Регулирование выходного напряжения можно осуществлять изменением длительностей и (или) уровней ступеней напряжения. Однако все попытки стабилизации приводят к многоконтурной сложной системе управления. Поэтому схема рис.1.5г не находит широкого применения в автономных системах электропитания. Структурная схема рис.1.5д используется при наличии нескольких источников питания (El, Е2, ЕЗ), а выходное напряжение коммутатора, так же, как и в схеме рис.1.5г имеет многоступенчатую форму. Главным преимуществом схемы является отсутствие трансформатора, но и здесь сохраняются все недостатки схемы рис. 1.5г. Кроме того, добавляются ещё два недостатка. Во-первых трудно, а иногда и невозможно подобрать необходимые уровни ступенек из числа стандартных величин напряжения аккумуляторов. Во-вторых, из-за разности напряжений на транзисторах вопрос выбора параметров коммутационных цепей затруднён. Синусоидальное напряжение на выходе фильтра в схеме рис.1.5е так же аппроксимируется в виде многоступенчатой кривой, путём переключения первичных (или вторичных) обмоток, то есть путём ступенчатого изменения коэффициента трансформации. Схема рис.1.5е имеет все недостатки схемы рис.1.5д. Таким образом из приведённого обзора схем построения инверторов с синусоидальным выходным напряжением следует, что перспективными являются схемы рис. 1.5а, рис. 1.56 и рис.1.5в. Они позволяют относительно легко регулировать выходное напряжение. Наиболее выгодной является схема рис. 1.5а по следующим причинам: производится только одно преобразование энергии и соответственно меньше потери мощности. используется минимальное количество транзисторных модулей, что даёт выигрыш не только с точки зрения массогабаритных показателей и стоимости, но и по прямым потерям мощности на управление транзисторами. в ней легко осуществить защиту транзисторов от токовых перегрузок и коротких замыканий. Современный этап развития преобразовательной техники характеризуется переходом от простых принципов преобразования к более сложным. Улучшение удельных массогабаритных показателей преобразователей при сравнительно низких частотах (50 Гц) на входе или выходе может быть достигнуто при использовании схем преобразователей с промежуточным звеном повышенной частоты [9]. В преобразователях постоянного тока в переменный осуществляются процессы модуляции и демодуляции для получения на выходе низкочастотной составляющей из несущей повышенной частоты. В зависимости от типа инвертора, применяемого для получения несущей (инвертор тока или инвертор напряжения), её исходная форма может быть синусоидальной или прямоугольной. С целью получения низкочастотной составляющей требуемый закон управления можно задавать либо на этапе преобразования постоянного тока в переменный повышенной частоты (или его трансформации), либо на этапе преобразования повышенной частоты в заданную. В первом случае происходит изменение спектра (модуляция) несущей, во втором спектр несущей в звене повышенной частоты не изменяется. Наиболее распространёнными видами модуляции несущей в рассматриваемых преобразователях являются амплитудная и широтная (рис. 1.6). При этом применяются различные технические приёмы, например: суммирование одинаковых по амплитуде напряжений двух инверторов, работающих на различной частоте; управление работой полумостов мостового инвертора напряжения с различной частотой; изменение по низкочастотному закону длительности паузы в работе плеч инвертора напряжения со средней точкой; суммирование прямоугольных напряжений различной амплитуды нескольких инверторных ячеек, у которых моменты изменения фазы несущей на противоположную, следующие друг за другом через полпериода низкой частоты, сдвинуты между собой на полпериода несущей[9,28]. Получение демодулированного колебания из модулированной несущей осуществляется либо с помощью промежуточного преобразования в постоянное напряжение и последующего инвертирования, либо непосредственно полупроводниковыми ключами с двусторонней проводимостью. На рис. 1.7а представлена наиболее распространённая схема фильтра, применяемого в автономных инверторах напряжения[5,29]. Схема представляет собой режекторный фильтр с резонансными контурами, настроенными на частоту первой гармоники выходного напряжения. В инверторах систем автономного питания чаще используются простые IX фильтры, которые способны обеспечить заданные требования и занимают в преобразователе мало места. При фильтрации напряжения и тока объём известных фильтров и вызванные в связи с этим расходы в основном определяются компонентами, необходимыми для сглаживания наименее низших частот, при этом высшие гармоники подавляются этими же компонентами тем эффективнее, чем выше частота. С целью уменьшения установленной мощности конденсаторов предлагаются вместо системы известных последовательных резонансных LC - контуров резонансные контуры L1C1, каждый из которых снабжён параллельным, индуктивно связанным L2C2 контуром (рис. 1.76).
Классификация схемных решений систем автономного питания с ветроэлектрическим генератором
В настоящее время вопросы теории автономных систем электропитания с ветроэлектрическим генератором рассмотрены в ограниченном объёме или не рассмотрены совсем. Существуют работы, посвященных исследованию непосредственно электрических машин автономных источников питания [18,36]. Можно считать изученными вопросы конструирования и построения генераторов переменного тока, такие как выбор типа ротора и всей магнитной системы, выбор размеров паза якоря, выбор и расчёт обмотки якоря. Разработаны методики расчёта магнитной цепи, характеристик холостого хода и короткого замыкания, размагничивающего действия реакции якоря, тепловой и электромагнитный расчёт. Уделено достаточное внимание аэродинамическому расчёту ветроколёс генераторов. В [31] представлена методика расчёта профиля лопастей, массы и эффективной центровки, лобовой нагрузки на ветроколесо, расчёт лопастей на прочность, расчёт параметров хвостового оперения ветрогенератора.
В зависимости от выбранной схемы построения системы питания применяется управляемый или неуправляемый выпрямитель. Данные схемные решения широко освещены в работах [4,7,9,21]. Для анализа и расчёта процессов в цепях с вентилями в данных работах используются методы припасовывания, отыскания решений в виде полных рядов Фурье с последующим составлением уравнений периодов. Для неуправляемого выпрямителя рассмотрены методики определения гармонического состава тока вентилей при различных видах нагрузки выпрямителя, определения уровня пульсаций выпрямленного напряжения [32]. Для управляемых выпрямителей достаточно полно представлена теория коммутационных процессов для различных схем выпрямителей. Рассмотрены переходные процессы управления выпрямителем при идеальной коммутации, определены и исследованы динамические параметры. Сформулированы принципы проектирования управляемых выпрямителей. Следует особо отметить теорию работы выпрямительных схем при различных видах несимметрии системы переменного тока. Главным образом эти вопросы рассмотрены применительно к трёхфазным мостовым схемам выпрямления [17,21]. Отдельны вопросом можно выделить режимы работы выпрямителей при несинусоидальных питающих напряжениях. Теория по данному вопросу рассматривает главным образом гармонический состав тока на входе и выходе выпрямителя. Рассмотрены в некоторой степени проблемы фильтрации выпрямленного напряжения при несинусоидальном питающем напряжении. Однако, главным образом внимание уделено режимам работы силовых вентильных преобразователей применительно к электрическому транспорту, электрометаллургии. Уделено внимание улучшению электромагнитной совместимости преобразовательных устройств с питающей сетью и нагрузкой, снижению потерь электрической энергии в питающей сети, повышению к.п.д. самих устройств. Исследованию установившихся и переходных процессов в преобразователях посвящено большое количество научных работ как у нас в стране, так и за рубежом. Теория статических преобразователей (инверторов) представлена достаточно широко и полно. В частности работы Э.М. Ромаша, В.С.Руденко, В.И. Сенько, Ю.К. Розанова и многих других целиком посвящены теоретическим основам преобразователей [9,11,33]. Электромагнитные процессы в преобразовательных устройствах описываются дифференциальными уравнениями с периодической кусочно-непрерывной правой частью. Решение уравнений получают в замкнутом виде или классическим методом припасовывания или в виде ряда Фурье [31]. В отличие от от операторного метода, где решение находится относительно полюсов схемы и воздействующей функции, расчёт электромагнитных процессов преобразовательных устройств и дальнейшая их оценка с помощью интегральных характеристик (постоянных, средних, действующих значений, коэффициента гармоник) производится по мгновенным значениям исследуемых функций. Частным случаем системы автономного электропитания является источник бесперебойного питания. По этой причине теоретические вопросы, посвященные проблемам расчёта и построения систем автоматического регулирования параметров таких источников, достаточно актуальны. Критерии устойчивости, динамика систем автоматического регулирования достаточно широко представлены в работах [3,11] и других.. Вопросы диагностики и принципы построения схем контроля и защиты системы автономного электропитания достаточно полно представлены в [16,22,23]. Существуют отработанные методики расчёта вероятностей возникновения отказов и времени наработки на отказ.
Работа ветроэлектрической станции на нагрузку соизмеримой мощности
При внутреннем повреждении выпрямителя увеличивается входной ток и уменьшается ток на выходе выпрямителя, что приводит к изменению соотношения постоянной и переменной составляющих магнито-движущих сил и перемагничиванию сердечника. На выходной обмотке датчика появляется импульсный сигнал. Аварийные режимы инвертора характеризуются аналогичными состояниями. Входной ток резко нарастает и прекращается выходной ток инвертора. Это делает возможным применение дифференциальной защиты и для инвертора.
Исходя из приведённых соображений автором был разработан вариант электрической принципиальной схемы блока обработки сигналов с датчиков схемы защиты [44], которая представлена на рис.2.4. Она состоит из двух (по количеству датчиков) триггеров DD1.1 и DD1.2, сумматора на логическом элементе ИЛИ-НЕ DD2.1. Каналы обработки сигналов от датчиков идентичны, поэтому рассмотрим работу схемы на примере одного из них. При возникновении аварийного процесса (например, в выпрямителе) на выходе дифференциального датчика появится импульс положительной полярности, который поступит на установочный вход триггера на элементе DD1.1. Соответственно на его прямом выходе появится сигнал высокого уровня. В этом случае на одном из входов элемента "ИЛИ" (DD2.1) будет присутствовать уровень "1", а на другом уровень "О" (полученный от второго триггера). На выходе сумматора будет присутствовать уровень "О", который инвертируется элементом DD2.3. Это определяет появление сигнала высокого уровня на выходе блока каждый раз при срабатывании одного из датчиков защиты. Следует заметить, что при одновременном поступлении сигналов от обоих датчиков на выходе так же будет сигнал высокого уровня. На элементах DD2.2 и DD2.4 выполнена схема индикации. Управляются элементы индикации инверсными выходами триггеров, на которых появляются уровни "О" при переключении триггеров. Светодиоды AL1 и AL2 позволяют регистрировать срабатывание устройства защиты и визуально определять место возникновения аварии. Режимы работы систем автономного питания при соизмеримых мощностях самой системы автономного питания и нагрузки на практике встречаются достаточно часто. Примером этого может служить увеличивающееся число систем автономного питания небольшой мощности, рассчитанных на питание потребителей суммарной мощностью до 0,5-2 кВт, что имеет место в небольших посёлках, фермерских хозяйствах [38,43]. Режим соизмеримой мощности оказывает влияние на работу всех звеньев тракта преобразования и стабилизации параметров системы в режиме номинальной нагрузки. Наибольшее влияние режим соизмеримой мощности оказывает на звено генератор-выпрямитель. Если мощность генератора значительно (более чем на порядок) превышает мощность полностью загруженного выпрямителя, то несинусоидальность потребляемого им тока практически не сказывается на форме подводимого напряжения от генератора. При соизмеримой мощности генератора и выпрямителя высшие гармоники тока вызывают искажения подводимого напряжения тем больше, чем ближе мощность нагрузки к мощности генератора [33]. Как известно, выпрямитель потребляет из питающей сети несинусоидальный ток [17,33]. Гармонический состав тока зависит от схемы выпрямления и параметров сглаживающего фильтра. Увеличение искажений, связанное с ростом высших гармоник в питающем напряжении, приводит к дополнительным потерям энергии в трансформаторах, кабельных соединениях, генераторе и вызывает сбои в работе электронной аппаратуры связи, автоматики, вычислительной техники. Степень искажения напряжения (его несинусоидальность) оценивается обычно коэффициентом гармоник по напряжению [33]: где иы - амплитуда первой гармоники напряжения; Unm - амплитуда высших (п-го порядка) гармоник. Искажения напряжения от работы выпрямителя возникают в основном за счёт падений напряжения на сопротивлениях генератора, трансформатора и других внутренних сопротивлениях источника, питающего выпрямитель.
Выпрямитель в электрической схеме рассматривается как генератор гармоник тока. В этом случае он может быть представлен эквивалентной схемой замещения в виде источника тока различных гармоник [33]. На рис.3.1 представлена схема замещения выпрямителя. Нагрузкой является эквивалентное сопротивление питающей сети Zcn =rc+ jnxc, реактивная
составляющая которого зависит от частоты. Суммарное напряжение от высших гармоник можно определить, используя принцип наложения, предварительно рассчитав напряжение от каждой гармоники тока. Зная содержание высших гармоник в напряжении питающей сети, можно рассчитать КгЦ. В большинстве случаев расчёт ведётся для гармоник не выше п = 13,
так как амплитуды токов и напряжений более высоких порядков относительно невелики, а эквивалентное сопротивление питающей сети существенно уменьшается за счёт влияния емкостей кабеля и другого оборудования. В табл. 3 представлены значения высших гармонических составляющих тока выпрямителя относительно уровня первой гармоники [33]. Рассмотрим работу ветрогенератора ВЭС-1, нагруженного на трёхфазную схему выпрямления. Рассмотрим варианты выпрямитель без фильтра, выпрямитель с индуктивным фильтром и выпрямитель с ёмкостным фильтром [45].
Ветроэлектрическая станция мощностью 1 кВт
В каждом плече инвертора применено параллельное включение транзисторов. Значение тока плеча схемы может составлять до 40 А, поэтому каждый из транзисторов должен иметь допустимое значение прямого тока коллектора не менее 20 А. В инверторе могут быть использованы транзисторы КТ 827А. Для выравнивания коллекторных токов транзисторов в эмиттерные цепи устанавливаются резисторы, создающие отрицательную обратную связь по току. Вместо трансформатора Tpl можно применить схему управления на транзисторах. В этом случае необходимо получить импульсы, сдвинутые на 180 и затем усилить их для подачи в каждое плечо схемы инвертора. Стабилизация выходного напряжения осуществляется компенсационным стабилизатором. Регулирующим элементом стабилизатора является транзистор VT4, включённый в диагональ моста VD12 - VD15. В случае увеличения выходного напряжения преобразователя, уровень постоянного напряжения с измерительного моста VD16 - VD19 увеличится. Соответственно увеличится напряжение на коллекторе транзистора VT5, который является сравнивающим элементом. Потенциал базы этого транзистора фиксирован параметрическим стабилизатором R18, VD20. В результате сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора увеличится. Сопротивление перехода коллектор-эмиттер транзистора в составе оптрона Ш так же увеличится и регулирующий транзистор VT4 закроется. Выходное напряжение преобразователя уменьшится. Оптрон U1 осуществляет гальваническую развязку схемы управления и регулирующего элемента стабилизатора. Применение оптрона и разделительного конденсатора Сб позволило отказаться от разделительного трансформатора. Потенциометр R17 служит для регулировки уровня выходного напряжения стабилизатора.
Одной из актуальных проблем современности является засоление почвы. Причём наибольшую опасность представляет вторичное засоление орошаемых земель. Оросительные системы, за немногим исключением, строятся и эксплуатируются без гидроизоляции. В результате грунтовые воды поднимаясь вверх, подтопляют поверхность почвы и при отсутствии хорошего естественного дренажа вызывают заболачивание и засоление грунта. Кроме того, во время весеннего таяния снега и обильных осенних дождей происходит большое скопление воды в тех местах населённых пунктов или автомагистралей, где недостаточно эффективно функционируют сточные трубопроводы. Подобное явление характерно для больших городов, расположенных на холмистой местности (например, Москва), где в весенне-осенний период затруднено движение автотранспорта именно по указанной выше причине.
Одним из возможных вариантов предупреждения засоления почвы и борьбы с ним, удаление избыточной влаги из грунта, а также влаги, скопившейся на поверхности земли, может быть создание испарительных колонн из каппилярно-пористых материалов. При таком способе процесс водоотвода складывается из двух частей: фильтрация жидкости в материале, расположенном горизонтально в грунте на глубине не более 0,5 м и каппилярного поднятия её в испарительной колонне. Испарительная колонна представляет собой вертикально установленный жёсткий каркас на котором закреплён водоотводящий материал. Дренажная и испарительная части материала соединены между собой под землёй, на уровне дренажного участка. Соединение целесообразно производить в специальном колодце, чтобы обеспечить удобный доступ к месту контакта в случае замены материала испарительной колонны при его засорении частицами грунта, солями. Эффективность водоотвода из грунта будет определяться скоростью движения жидкости по каппилярам. Непрерывность отвода воды из грунта обеспечивается её испарением с поверхности материала в атмосферу.
Интенсивность испарения зависит от скорости каппилярного течения жидкости в вертикальной части материала (то есть количество испарившейся с поверхности материала должно быть не меньше количества воды, поступающей в единицу времени по каппилярам к поверхности испарения) и режимом теплообмена с окружающей средой (воздухом). В настоящее время как в нашей стране так и зарубежом применяются различные варианты дренажных систем, для которых характерно горизонтальное размещение под землёй, на глубине 0,5-Н м. При этом влага, впитываемая из грунта транспортируется в ближайшие водоёмы или отводится в кюветы или откосы, имеющиеся вдоль дорог, полей, зданий и сооружений, что приводит к загрязнению гидросферы, заболачивабнию низких берегов рек и озёр, а также полей и лесных угодий, находящихся вдоль автомагистралей. Преимуществом предлагаемого способа удаления избыточной влаги являются: небольшая территория, занимаемая для размещения испарительных колонн минимальный расход электроэнергии для интенсификации теплообмена между материалом и внешней подвижной средой (обдув испарительной колонны потоком воздуха, температура которого превышает температуру окружающей среды) возможность использования нетрадиционных источников энергии (например, ветряной двигатель и преобразователь электроэнергии в тепловую) Техническое решение предлагаемого варианта осушения грунта предполагает решение следующих задач: определение физико-механических параметров материала, при которых происходит подъём жидкости по каппилярной системе на требуемую высоту без потери прочностных свойств расчёт скорости подъёма жидкости на заданную высотуи, как следствие определение интенсивности испарения влаги с поверхности материала.
Похожие диссертации на Система автономного питания с ветрогенератором
