Статьи по рубрикамНа главную

Использование фотоэлектрических преобразователей в системах электроснабжения

Использование фотоэлектрических преобразователей в системах электроснабжения

К.В. Крюков, В.В. Сазонов, А.А. Кваснюк
Московский энергетический институт (технический университет)

АННОТАЦИЯ

В последнее время все больший интерес проявляется к использованию альтернативных источников энергии. Среди них наиболее популярным является энергия, получаемая от солнца. Совместное использование фотоэлектрических преобразователей с различными устройствами силовой электроники в системах электроснабжения, соединенных с сетью, позволяет получать многофункциональные системы.

В этой статье представлена схема системы электроснабжения на средние мощности на базе фотоэлектрических преобразователей и рассматриваются возможности применения устройств силовой электроники в этой системе. 

1. ВВЕДЕНИЕ

Повышение энергоемкости производства, количества техники, задействованной в производственных процессах, в быту, а также постоянный рост цен на энергоносители являются серьёзными факторами, увеличивающими важность вопроса об энергосбережении. Универсальных способов экономить электроэнергию на данный момент времени не существует, но применение возобновляемых источников энергии (воды, ветра, солнца и т.д.) для этих целей поможет вывести энергосбережение на качественно новый уровень. Кроме того, необходимость использования электроэнергии от экологически чистых источников электроэнергии вызвана увеличивающимся выбросом двуокиси углерода в атмосферу, нарушением экологии от использования традиционных источников энергии (уголь, газ, нефть), созданием больших водохранилищ на крупных гидроэлектростанциях и другими вредными воздействиями на окружающую среду.

Одним из важнейших и перспективных направлений является использование солнечной энергии. Этот факт обусловлен стремительным прогрессом в области силовой электроники, которого удалось добиться за последние несколько лет. Появилось множество новых устройств на основе преобразователей, регуляторов и переключателей которые позволяют реализовывать различные функции. Такие устройства могут использоваться для создания многофункциональных систем, выполняющих следующие функции: улучшение качества электроэнергии на шинах потребителей, работа в качестве источника бесперебойного питания, активная фильтрация высших гармоник тока или напряжения, компенсация реактивной мощности, изменение направления потока мощности (в сеть или обратно в аккумуляторную батарею) и т.д. [1]. Использование цифровой системы управления позволяет изменять направление потоков мощности менее чем за полови-

ну периода сетевой частоты. Более того, такая система позволяет производить расчет любых параметров рабочего режима.

2. СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ

Объектом разработок и исследований является система электроснабжения, содержащая модули фотоэлектрических преобразователей и полупроводниковые преобразовательные устройства.

Блок-схема предложенной системы представлена на рис. 1.

В этой системе ячейки фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) соединяются последовательно между собой, образуя модули с повышенным выходным напряжением (напряжение модуля 12В или 24 В, в то время как напряжение элементарной ячейки составляет 0,6 В), к выходам каждого такого модуля подключается регулятор постоянного тока, затем выходы этих регуляторов соединяются между собой последовательно, образуя звено с напряжением 300 В [2].

В качестве регуляторов постоянного тока могут использоваться регуляторы на базе схемы Чука или ее модификаций с повышенным КПД и большим диапазоном входных напряжений (рис. 2).

В предложенной схеме за счет использования магнитосвязанных дросселей можно добиться получения нулевых пульсаций входного тока, что существенно повысит эффективность использования ФЭП.

На средние мощности в качестве преобразователя постоянного/переменного тока используется инвертор, выполненный на базе мостовой схемы. Управление инвертором осуществляется посредством ШИМ модуляции, что позволяет генерировать токи в четырех квадрантах комплексной плоскости. Это означает, что он способен изменять направления потоков мощности. В целом система может работать в режиме генерации неактивной мощности, то есть быть источником высших гармоник тока, а также источником реактивного тока, выполняя функции компенсатора реактивной мощности. Такая система может компенсировать искажения токов сети, что очень важно при питании нелинейных нагрузок.

На рис. 3 представлена блок-схема системы управления, в которой можно выделить три структурных составляющих. режим питания от сети (рис. 5).

1. Контроллер МРР обеспечивает отбор максимальной мощности от ФЭП, поддерживает постоянное значение напряжения на шине постоянного тока.

2. Устройство управления инвертором осуществляет регулирование режимов работы инвертора, обеспечивая компенсацию реактивной мощности сети, фильтрацию токов высших гармоник, а также передачу избыточной активной мощности в сеть или нагрузку.

3. Контроллер режимов работы регулятора осуществляет слежение за состоянием системы и обеспечивает следующие режимы работы:

• автономный режим работы (рис. 4).

При наличии сети инвертор переходит в режим компенсации неактивной мощности, повышая cos(p сети и обеспечивая синусоидальность потребляемого нагрузкой тока. Одновременно, проводится подзарядка аккумуляторной батареи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение данной работы позволит обеспечить качественное и бесперебойное питание энергопотребителей, сократить затраты на прокладку линий электропередач и на электрооборудование, необходимое для подключения к системе.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

АБ - аккумуляторная батарея;

ФЭП - фотоэлектрический преобразователь;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция;

Контроллер МРР - устройство, обеспечивающее работу фотоэлектрического преобразователя в точке с максимальной мощностью;

^"нагр — активная мощность нагрузки, Вт;

^ФЭП — мощность на выходе ФЭП, Вт;

Р-зар — мощность заряда аккумуляторной батареи;

Qvar — реактивная мощность нагрузки, Вар.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Розанов Ю.К., Рябчицкий М.В., Кваснюк А.А.

Силовая электроника. М.: Издательский дом МЭИ, 2007.

2. Walker G.R., Sernia P.C. Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules // IEEE Transactions on Power Electronics. 2004. Vol. 19. No. 4. July 2004.

В этом режиме мощность, генерируемая ФЭП, используется для питания нагрузки и подзарядки аккумуляторных батарей. В ночное время или когда мощность, генерируемая ФЭП мала, питание нагрузки осуществляется от аккумуляторных батарей;