Параметры и режимы работы автономного инвертора солнечной фотоэнергетической установки малых фермерских и личных подсобных хозяйств

Во введении раскрывается актуальность исследований. Сформу- лированы цель и задачи исследований, объект и предмет исследова- ний, научная новизна, практическая значимость и вопросы, выноси- мые на защиту.
В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследований» пока- зано, что Краснодарский край является перспективным регионом для внедрения солнечной энергетики в сельскохозяйственное производ- ство.
В настоящее время для электроснабжения автономных сельскохо- зяйственных потребителей МФХ и ЛПХ, занимающихся производ- ством мёда, мяса, шерсти, рыбы, а также для обеспечения комфорт- ных бытовых условий обслуживающему персоналу, применяются бензо- или дизельные станции, имеющие низкие технико- экономические показатели.
Проведён анализ характеристик потребителей электрической
энергии, применяемых в МФХ и ЛПХ и существующих серийно вы-
пускаемых СФЭУ. Установлено, что мощность СФЭУ должна быть в пределах 3–5 кВт, напряжение 220/380 В, частота тока как промыш- ленной частоты, так и пониженной и повышенной.
Проведён анализ особенностей работы и основных ЭТХ известных технических решений АИ,
Раскрыта научная проблема, рабочая гипотеза, цель и задачи дис- сертационного исследования.
Во второй главе «Критерии оценки эффективности и структурно- схемные решения автономных инверторов» на этапе проектирования или выбора АИ предложено оценивать их эффективность по следую- щим критериям: КПД, определяемый по результатам расчёта статиче- ских динамических потерь в силовых электронных приборах и потерь в системе управления; массогабаритные показатели, включающие показатели расчета силовой электронной схемы, трансформатора, входного и выходного фильтров; показатели качества напряжения, оценивающиеся по величине коэффициента гармоник; показатели активной, реактивной и полной мощности.
Статические потери на полупроводниковых приборах силовой схемы инвертора
∆РС =mUПРId,
(1)
где m – число приборов, включенных одновременно;
UПР – прямое падение напряжения во включенном состоянии; Id – ток, протекающий через прибор.
Динамические потери на полупроводниковых приборах
tвкл – время включения полупроводникового прибора. КПД автономного инвертора
ηИ=∆РС , (3) ∆РС +РИ
где ∆РС – суммарные потери, включающие динамические и статиче-
ские потери, а также потери в трансформаторе, фильтрах и системе управления;
РИ – мощность инвертора.
∆РД =πmUИId ftвкл, 2
(2) где UИ – напряжение на выходе инвертора; f – частота тока;

Полная мощность энергии, выделяемая на нагрузке, определяется по формуле:
(4)
22γU2∑∞ 22−1112 S= π R (1+ntgφ)nsincsinb,
где γ – скважность импульсов ШИМ;
U – напряжение источника постоянного тока;
R – активное сопротивление нагрузки;
n – номер гармоники; φ – угол сдвига фаз;
n
c = πnγ и b = π – коэффициенты, значение которых зависит от i – 2i 2i
числа импульсов ШИМ.
Расчёты показали, что энергетические показатели АИ (активной,
реактивной полной мощности и КПД) в основном зависят от количе- ства и скважности импульсов ШИМ, которые оказывают влияние на значение коэффициента гармоник КГ:
(5)
Разработаны функциональные схемы АИ, выполненные на одно- фазной мостовой схеме и однофазно-трёхфазном ТВМП. Раскрыты преимущества и недостатки схем АИ при использовании в качестве опорного сигнала системы управления сигнал треугольной или пило- образной формы.
Получены зависимости КПД и удельной массы АИ на ТВМП при входных напряжениях источника напряжения постоянного тока 24 и 48 В (рисунок 1).
Разработана принципиальная электрическая схема автономного инвертора, выполненная на базе полевых транзисторов и однофазно- трёхфазного трансформатора с вращающимся магнитным полем, с использованием микропроцессорной техники (рисунок 2), и алгоритм работы системы управления по преобразованию и стабилизации напряжения, а также с возможностью изменять частоту тока по за- данному закону регулирования.
π2γ sin π
К = 2i −1.
Г 16sin2 πγ 2i

Рисунок 1 – Зависимости КПД и удельной массы автономных инверторов от мощности при входном напряжении 24 и 48 В
В третьей главе «Математическое моделирование автономного инвертора на трансформаторе с вращающимся магнитным полем» для исследования работы АИ на однофазно-трёхфазном ТВМП раз- работана принципиальная электрическая схема замещения, состоящая из двух блоков: источник напряжения постоянного тока, входной фильтр, силовая схема преобразования, выходной фильтр, первичные обмотки ТВМП, которые являются нагрузкой для автономного ин- вертора; вторичные обмотки ТВМП, трёхфазная нагрузка. Разработа- на методика инженерного расчёта параметров схемы замещения АИ на ТВМП с подключенным источником и нагрузкой.
Разработана компьютерная блок-схема АИ на однофазно-
трёхфазном ТВМП с использованием программы MATLAB (вер- сия R2018) и приложения Simulink. В процессе моделирования полу- чены семейства динамических характеристик для различных режимов работы АИ, характеризующие амплитудные значения токов и напря- жений, переходные процессы и спектральный состав выходного напряжения электронной схемы преобразователя.
12
Рисунок 2 – Принципиальная электрическая схема АИ на однофазно-трёхфазном ТВМП

Основной целью компьютерного моделирования являлось на ос- новании анализа полученных результатов разработать рекомендации по проектированию энергоэффективных АИ на ТВМП.
В процессе моделирования были получены семейства динамиче- ских характеристик для различных режимов работы АИ (рисунок 3).
напряжение ШИМ (а); напряжение на выходе однофазной схемы инвертора (б); напряжение на выходе ТВМП (в)
Рисунок 3 – Динамические характеристики
Результаты компьютерного моделирования показали, что при про- ектировании АИ на однофазно-трёхфазном ТВМП для улучшения их ЭТХ необходимо учитывать ряд факторов: требования потребителей к качеству электроэнергии; диапазон регулирования напряжения; ко- личество модулирующих импульсов ШИМ; характер нагрузки; дли- тельность переходных процессов.
В четвертой главе «Экспериментальные исследования и расчет технико-экономических показателей солнечных фотоэнергетических
систем» для подтверждения результатов теоретических исследований разработан испытательный стенд по исследованию работы однофаз- но-трёхфазного ТВМП (рисунок 4), выполненного на базе асинхрон- ного двигателя с короткозамкнутым ротором и асинхронного двига- теля с фазным ротором.
Целью исследования было получение и оценка качества трёхфаз- ной симметричной системы напряжений, получаемой из однофазного напряжения переменного тока, используя в качестве ТВМП асин- хронный двигатель с короткозамкнутым и фазным ротором.
1 и 2 – асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором соответственно; 3 – лабораторный автотрансформатор, выполняющий функцию инвертора – источника напряжения однофазного переменного тока;
4 – осциллограф; 5 – блок измерительных приборов; 6 – блок фазосдвигающих конденсаторов 6, активно-индуктивная нагрузка
Рисунок 4 – Внешний вид экспериментальной установки
Для проведения экспериментальных исследований разработана развёрнутая электрическая схема первичных и вторичных обмоток ТВМП. При этом первичные обмотки укладывались в пазах ротора асинхронной машины с фазным ротором, а вторичные в её статоре, первичные и вторичные обмотки асинхронной машины с короткоза- мкнутым ротором размещались в пазах статора.
Методика проведения экспериментальных исследований включала проведение следующих испытаний: на первичные обмотки ТВМП
подавалось напряжение переменного тока от 24 до 48 В, измерялись напряжение и ток на входе и выходе ТВМП, а также длительность переходных процессов при подключении нагрузки, и на всех этапах измерения напряжения фиксировалась его форма с помощью осцил- лографа.
Исследования показали, что ТВМП, выполненный на электриче- ской машине с фазным ротором, имеет улучшенный спектральный состав выходного напряжения, чем ТВМП, выполненный на базе асинхронной машины с короткозамкнутым ротором.
Как известно, одним из критериев, характеризующих достовер- ность исследований, является совпадение основных характеристик, полученных в результате теоретических и экспериментальных иссле- дований. Оценка этого критерия проводилась по усредненным значе- ниям рассогласования электрических параметров, полученных при компьютерном моделировании с электрическими параметрами, полу- ченными при экспериментальных исследованиях. Задача решалась с помощью метода статистической оценки точности результатов иссле- дований, проводимых на физической модели. При этом доверитель- ный интервал определялся на основании критерия Стъюдента.
Сопоставление результатов компьютерного моделирования и ис- следований на физической модели дало хорошее совпадение довери- тельных интервалов (расхождение не более ±5,5 %) и средних значе- ний (расхождение от –4,05 до +5,5 %).
Поскольку в Краснодарском крае несколько тысяч МФХ и ЛПХ, для которых требуется электроэнергия небольшой мощности, как правило, 3 кВт, то проводился расчет технико-экономических показа- телей СФЭУ такой мощности для применения их в 100 хозяйствах, что послужит ориентиром для дальнейших разработок и внедрения мобильных СФЭУ в Краснодарском крае. Технико-экономическое обоснование постановки на серийное производство СФЭУ мощно- стью 3 кВт показало, что срок окупаемости 100 установок не превы- сит 6 лет.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Широкие перспективы раскрываются перед СФЭУ, осуществ-
ляющими электроснабжение МФХ и ЛПХ, занимающихся производ- 15

ством мёда, мяса, шерсти, рыбы, а также обеспечивающих комфорт- ные бытовые условия обслуживающему персоналу. Важным функци- ональным элементом СФЭУ является солнечный АИ, осуществляю- щий преобразование напряжения постоянного тока в переменный. Эксплуатационные характеристики АИ оказывают существенное влияние на характеристики СФЭУ в комплексе. Раскрыты недостатки эксплуатируемых АИ и направления улучшения их эксплуатационно- технических характеристик.
2. Разработаны критерии оценки эффективности автономных ин- верторов СФЭУ , включающие оценку КПД, массогабаритных показателей, показателей качества напряжения, а также показателей активной, реактивной и полной мощности.
Расчёты показали, что энергетические показатели АИ (активной, реактивной полной мощности и КПД) в основном зависят от количе- ства и скважности импульсов ШИМ, которые оказывают влияние на значение коэффициента гармоник КГ. Определено, что скважность импульсов λ для обеспечения небольших значений амплитуды выс- ших гармоник должна изменяться в пределах от 0,8 до 1. Для расши- рения диапазона регулирования напряжения при значениях скважно- сти импульсов λ от 0,6 до 1 выходной фильтр должен быть двухзвен- ным и настроен для подавления 3 и 5 гармоник.
Получены зависимости КПД и удельной массы АИ на ТВМП при мощностях 3 и 5 кВт при входных напряжениях источника напряже- ния постоянного тока 24 и 48 В. Показано, что КПД АИ при напря- жении 48 В при мощностях преобразователя меньше 3 кВт больше на 4–6 % в сравнении с АИ с входным напряжением 24 В. При мощно- сти от 3 кВт и больше КПД не отличается больше, чем на 2 %. Удельная масса АИ при напряжении источника 48 В на 2–3 кг/кВА меньше.
3. Разработаны функциональные схемы трёхфазных АИ, выпол- ненные на однофазной мостовой силовой электронной схеме и одно- фазно-трёхфазном ТВМП с улучшенными эксплуатационно- техническими и энергетическими характеристиками. Раскрыты осо- бенности их работы, достоинства и недостатки.
4. Разработана принципиальная электрическая схема АИ на одно- фазно-трёхфазном ТВМП, выполненная с использованием микропро-
цессорной техники, и алгоритм работы системы управления по пре- образованию и стабилизации напряжения для разработки программы.
5. Разработана электрическая схема замещения АИ на однофазно- трёхфазном ТВМП с подключенным источником и нагрузкой, и ме- тодика инженерного расчёта параметров схемы замещения.
6. Разработана компьютерная блок-схема АИ на однофазно-
трёхфазном ТВМП с использованием программы
сия R2018) и приложения
АИ на однофазно-трёхфазном ТВМП необходимо учитывать следующие факторы, оказывающие влияние
на характеристики преобразователя:
– улучшить характеристики фильтра и энергетические показатели
АИ, а также увеличить диапазон стабилизации выходного напряже- ния можно за счёт улучшения спектрального состава выходного напряжения электронной схемы преобразования за счёт увеличения количества модулирующих импульсов ШИМ выходного напряжения;
– длительность переходных процессов на выходе инвертора зави- сит от параметров выходного фильтра с учётом обеспечения требуе- мого качества напряжения и минимальной длительности переходных процессов; параметры Г-образного фильтра должны изменяться в пределах: ёмкость в относительных единицах от 0,9 до 1,4, индуктив- ность от 3 до 5;
– длительность переходных процессов незначительно зависит от количества модулирующих импульсов, а в основном определяется характером нагрузки и при значении коэффициента мощности
cosφ = 0,8 она не превышает 0,03 с.
7. Для подтверждения результатов теоретических исследований
разработана экспериментальная установка по исследованию работы однофазно-трёхфазных ТВМП, выполненных на асинхронном двига- теле с короткозамкнутым и фазным ротором. Исследования показали, что ТВМП, выполненный на электрической машине с фазным рото- ром, имеет улучшенный спектральный состав выходного напряжения, чем ТВМП, выполненный на базе асинхронной машины с короткоза- мкнутым ротором.
Оценка достоверности результатов математического моделирова- ния проводилась с использованием метода статистической оценки точности результатов исследований, проводимых на физической мо-
зали, что при проектировании
Simulink. Результаты моделирования, пока-
MATLAB (вер-

дели. Сопоставление результатов компьютерного моделирования и исследований на физической модели дало хорошее совпадение дове- рительных граней (расхождение не более ±5,5 %) и средних значений (расхождение от –4,05 до +5,5 %).
8. Проведено технико-экономическое обоснование постановки на серийное производство СФЭУ мощностью 3 кВт. Проведён расчёт за- трат на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Определена себестоимость одной установки, а также проведен расчет капитальных и эксплуатационных затрат на 100 установок. Расчёты показали, что капитальные затраты на 100 установок составили 44,26 млн. руб. Для реализации проекта необходимо взять кредит. Расчет чисто дисконтированного дохода показал, что даже при выплате ежемесячного кредита 7,64 млн руб. срок окупаемости СФЭУ соста- вит 5,8 лет.
Рекомендации производству
При производстве нового технического решения автономного солнечного инвертора, выполненного на базе однофазно-трёхфазного ТВМП, прежде всего необходимо учитывать рекомендации, приве- денные в п. 9 заключения диссертационного исследования.
Перспективы дальнейшей разработки темы
Дальнейшие исследования должны быть направлены на исследо- вание электромагнитной совместимости, основных функциональных элементов автономной солнечной энергосистемы с предлагаемым техническим решением автономного инвертора на ТВМП. Кроме то- го, необходимо разработать ТВМП на конструктивной базе электри- ческих машин, но специально работающий в режиме трансформато- ра, который будет иметь выше КПД за счёт исключения в конструк- ции воздушного зазора.
Для повышения показателей надежности необходимо разрабаты- вать автономные инверторы и основные функциональные элементы солнечных энергетических систем по модульному принципу.