Стабилизаторы напряжения автономных ветроэнергетических установок малой мощности

O.V. Grigorasch, ,

Теоретическая часть

Перспективы возобновляемой энергетики, в том числе ветроэнергетических установок (ВЭУ), очевидны [1, 2]. ВЭУ малой мощности в основном применяются в качестве источников заряда аккумуляторных батарей или источников осветительной нагрузки [3, 4], а при совместной работе с дизельными станциями их возможности расширяются [5].

Сегодня в составе ВЭУ малой мощности (до 5 кВт) применяются, как правило, бесконтактные генераторы электроэнергии: синхронные и асинхронные генераторы, возбуждение первых происходит от постоянных магнитов, а вторых – от конденсаторных батарей, при этом выходное трехфазное напряжение может непосредственно подключаться к контроллеру, а может через выпрямитель. К контроллеру через инвертор напряжения подключается нагрузка переменного тока [6, 7].

Промежуточное преобразование электроэнергии приводит к повышению электрических потерь и понижению, соответственно, КПД источника электроэнергии. Эти потери увеличиваются, если в составе электростанции применяется трехфазный инвертор [8].

Одним из способов, улучшающих энергетические характеристики ВЭУ, является подключение их непосредственно к потребителям электроэнергии через распределительное устройство, к которому подключаются другие источники энергии, при необходимости обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей. В этом случае необходимо стабилизировать не только напряжение, генерируемое ВЭУ, из-за изменения величины и характера нагрузки, но и частоту тока из-за переменной частоты вращения ветроколеса [8, 9].

Целью исследования является разработка энергоэффективных стабилизаторов параметров электроэнергии автономных ВЭУ малой мощности.

В настоящее время значительно улучшились технико-экономические показатели силовых полупроводниковых приборов, применяемых в составе стабилизаторов параметров электроэнергии. Улучшились также характеристики, в том числе быстродействие автоматических систем управления и защиты статических устройств, выполненные на микропроцессорной технике, что позволяет использовать не только известные структурносхемные решения статических стабилизаторов параметров электроэнергии ВЭУ, но и разрабатывать новые усовершенствованные их структуры [10–12].

Практическая часть

Сегодня полевые транзисторы, применяемые в составе статических стабилизаторов и преобразователей электроэнергии, практически вытесняют биполярные из-за следующих основных преимуществ: высокое быстродействие, большие значения коэффициента усиления по току, значительно выше уровень помехоустойчивости и надежности работы. Важным преимуществом полевых транзисторов является то, что их работа не зависит от изменений температуры [13].

Вместе с тем при проектировании статических устройств необходимо учитывать и недостатки полевых транзисторов: имеют незначительно ниже КПД из-за высокого сопротивления между стоком и истоком, разрушаются при температуре 150 °С (биполярные транзисторы – при 200 °С), на частотах выше 1,5 кГц значительно повышается потребление энергии.

Сегодня известно много направлений, позволяющих улучшить эксплуатационно-технические характеристики стабилизаторов напряжения и ВЭУ в комплексе, включающих векторное управление ориентацией напряжения статора генератора, определение порога устойчивости системы в динамических нелинейных условиях эксплуатации, что позволяет оптимизировать показатели оценки эффективности системы стабилизации, а также комбинированных (гибридных) автономных систем электроснабжения, выполненных с применением других источников электроэнергии [14–17].

Стабилизацию параметров электроэнергии автономных ВЭУ можно обеспечить за счет непосредственных преобразователей частоты (НПЧ). Этот тип преобразователей частоты с непосредственной связью, т. е. без промежуточного преобразования электроэнергии, способен осуществлять независимую друг от друга стабилизацию напряжения и частоты [8].

На рис. 1 приведена структурная схема стабилизатора напряжения и частоты тока генератора ВЭУ на НПЧ.

Принцип работы стабилизатора . Ветроколе-со ВК вращается с переменной частотой вращения n var , бесконтактный генератор Г генерирует трехфазную систему напряжений с повышенной пере-

Рис. 1. Структурная схема стабилизатора напряжения и частоты тока ВЭУ на непосредственном преобразователе частоты: ВК – ветроколесо; Г – трехфазный генератор; БК – блоки компенсации реактивной мощности; НПЧ – непосредственный преобразователь частоты; СУЗ – система управления и защиты; Ф – выходной фильтр; Н – нагрузка

Fig. 1. Block diagram of a wind turbine voltage and frequency stabilizer on a direct frequency converter: ВК – wind wheel; Г – three-phase generator; БК – reactive power compensation units; НПЧ – direct frequency converter; СУЗ – control and protection system; Ф – output filter; Н – load

менной частотой тока f var . Напряжение прикладывается к трехфазному входу НПЧ. Система управления силовыми электронными приборами, а их, как правило, 18, и защиты преобразователя (СУЗ) формирует управляющие сигналы силовыми электронными приборами, таким образом, что на выходе НПЧ формируется трехфазная система напряжений промышленной постоянной частоты тока f_cons . Выходной фильтр Ф обеспечивает требуемое качество напряжения, а блок компенсации реактивной мощности БК компенсирует реактивную мощность нагрузки Н. При этом СУЗ кроме преобразования напряжения и частоты тока обеспечивает их стабилизацию при изменении частоты вращения ветроколеса ВЭУ и дестабилизирующих факторах, возникающих в нагрузке.

Необходимое условие применения НПЧ в качестве стабилизатора параметров электроэнергии ВЭУ, в которой нестабильная частота вращения ветроколеса, – чтобы генератор электроэнергии генерировал электроэнергию с частотой не ниже 150 Гц, при этом чем больше входная частота напряжения НПЧ, тем лучше качество выходного напряжения и массогабаритные показатели выходного фильтра.

Повышение частоты напряжения может быть достигнуто за счет увеличения числа пар полюсов генератора ВЭУ. Это приведет к незначительному понижению его КПД. При этом КПД преобразователя, выполненного на полевых транзисторах, составляет около 95 %. Улучшить энергетические показатели и показатели надежности стабилизатора напряжения можно, если применить однофазную мостовую схему НПЧ и однофазно-трехфазный трансформатор с вращающимся магнитным полем (ТВМП), на выходе которого формируется трехфазная симметричная система напряжений [8].

Обеспечить стабильную частоту вращения ротора генератора ВЭУ можно за счет электромагнитной муфты, размещенной на одном валу между ветроколесом и ротором генератора [8, 17]. При этом стабилизацию напряжения бесконтактного генератора можно обеспечить за счет применения в конструкции магнитной системы электрической машины, обмотки подмагничивания, размещенной в пазах статора с основными обмотками генератора. Принцип стабилизации напряжения состоит в изменении основного магнитного потока электрической машины за счет изменения постоянного тока в обмотке подмагничивания, создающего магнитный поток, направленный навстречу основному магнитному потоку.

На рис. 2 приведена структурная схема стабилизации напряжения и частоты с применением

Рис. 2. Стабилизатор напряжения и частоты тока ВЭУ с генератором, содержащим обмотку подмагничивания: ЭМ – электромагнитная муфта; БСН – блок стабилизации напряжения; БСЧ – блок стабилизации частоты

Fig. 2. Voltage and frequency stabilizer wind turbine with generator, containing a bias winding: ЭМ – electromagnetic coupling; БСН – voltage stabilization unit; БСЧ – frequency stabilization unit

в конструкции генератора обмотки подмагничивания и электромагнитной муфты на валу ВЭУ (на рис. 2 обмотка не показана).

Принцип работы стабилизатора . К примеру, если напряжение на нагрузке Н уменьшится, то блок стабилизации напряжения БСН уменьшает величину тока в обмотке подмагничивания генератора. Это приведет к увеличению основного магнитного потока за счет уменьшения встречного ему магнитного потока, создаваемого обмоткой подмагничивания, в результате напряжение генератора повысится до номинального значения. Стабилизация частоты напряжения генератора осуществляется блоком стабилизации частоты БСЧ, вход которого подключен к выходу генератора электроэнергии и датчик блока контролирует величину частоты. При отклонении частоты от номинального значения БСЧ изменяет величину постоянного тока электромагнитной муфты, создающей тормозной момент на общем валу ветроколеса и генератора, тем самым обеспечивая постоянную частоту вращения n вала.

Применение обмотки подмагничивания в пазах генератора незначительно усложняет технологический процесс по его изготовлению, однако использование электромагнитной муфты в конст- рукции ВЭУ понижает ее КПД. Кроме того, недостатком стабилизатора параметров электроэнергии являются также относительно низкие показатели надежности работы и быстродействие системы стабилизации частоты из-за применения электромагнитной муфты.

Разработана функциональная схема стабилизатора параметров электроэнергии ВЭУ на синхронном генераторе с постоянными магнитами (СГПМ), выполненная на базе статических преобразователей электроэнергии: неуправляемого выпрямителя, однофазного инвертора напряжения и однофазно-трехфазного ТВМП (рис. 3). Стабилизацию напряжения и частоты осуществляет система управления (СУ) посредством инвертора напряжения (И), выполненного на базе транзисторов VT1–VT4. Алгоритм работы СУ может быть реализован и на полевых транзисторах.

Принцип работы стабилизатора . При вращении ветроколеса ВК, на одном валу с которым находится СГПМ, происходит его возбуждение от постоянных магнитов. Выводы генератора соединены с выпрямителем В1, который преобразует трехфазную систему напряжений в напряжение постоянного тока. Напряжение постоянного тока прикладывается ко входу инвертора И, который

Рис. 3. Функциональная схема стабилизатора напряжения и частоты генератора ВЭУ, выполненная на однофазном инверторе и однофазно-трехфазном трансформаторе с вращающимся магнитным полем

Fig. 3. Functional diagram of the voltage and frequency stabilizer of the wind turbine generator, made on a single-phase inverter and a single-phase-three-phase transformer with a rotating magnetic field

его преобразует в однофазное напряжение переменного тока посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), выходной фильтр инвертора Ф обеспечивает требуемое его качество, далее синусоидальное напряжение однофазно-трехфазным ТВМП преобразуется в трехфазную систему напряжений.

Система управления СУ формирует управляющие импульсы транзисторами инвертора напряжения следующим образом. Опорный сигнал треугольной формы uТН формируется генератором треугольного напряжения ГТН (рис. 4а), поступает на первый вход формирователя импульсов ФИ, на второй вход которого поступает сигнал от сумматора, величина которого определяется по формуле u Z= u В + ЛU1 + Лu 2, (1)

где uВ – сигнал постоянного напряжения с выхода выпрямителя В2, источником которого является генератор синусоидального напряжения ГСН; Л u1 -сигнал отклонения напряжения с выхода инверто- ра uab от номинального значения; Лu2 - сигнал отклонения напряжения с выхода стабилизатора (выводы А, В и С) от номинального значения.

Сигнал u ₂ является ведущим сигналом постоянного напряжения системы управления стабилизатором СУ (см. рис. 4а).

В номинальном режиме работы Л u 1 = 0 и Л u 2 = 0 .

При выполнении условия u т _Н >  u ^ на выходе формирователя импульсов ФИ (см. рис. 3) формируются управляющие сигналы u _У (рис. 4b), которые поступают на первые входы логических элементов И1 и И2, на вторые входы этих элементов поступают сигналы u _ДН1 и u _ДН2 (рис. 4c) от датчика полярности напряжения Д ПН (см. рис. 3). При положительной полярности синусоидального сигнала u _СН импульсы u _У (см. рис. 3) поступают на управляющие электроды транзисторов VТ1 и VТ4 инвертора И через первый усилитель импульсов УИ1 (см. рис. 3), а при отрицательной полярности

Рис. 4. Диаграммы напряжений, поясняющие принцип стабилизации параметров электроэнергии генератора ВЭУ

Fig. 4. Voltage diagrams explaining the principle of parameter stabilization electricity generator wind turbine

сигнала u _СН (см. рис. 4c), управляющие импульсы u _У поступают на управляющие электроды транзисторов VТ2 и VТ3 инвертора И через второй усилитель импульсов УИ2 (см. рис. 3). В результате на выводах инвертора а и b формируется синусоидальное напряжение переменного тока u_ab с амплитудным значением u_{ab 1} (рис. 4g), которое преобразуется трансформатором с вращающимся магнитным полем ТВМП в трехфазную симметричную систему напряжений.

Независимо от частоты вращения ветроколеса ВК на выходе инвертора И частота напряжения синусоидального тока не изменяется и она соответствует частоте задающего генератора синусоидального напряжения Г СН системы управления СУ (см. рис. 3).

Принцип работы системы управления СУ по стабилизации напряжения . К примеру, если увеличится напряжение на выходе выпрямителя В1 (см. рис. 3), это приведет к увеличению напряжения на выходе инвертора u_ab и напряжения Δ u ₁ на выходе измерителя отклонения напряжения ИОН1 (см. рис. 3). В результате увеличится значение суммарного напряжения u _Σ на выходе сумматора С, а это приведет к уменьшению длительности импульсов управления u_У и уменьшению амплитудного значения напряжения на выходе инвертора u_{ab 2} <  u_{ab 1} (рис. 4e, f, g), т. е. произойдет автоматическая стабилизация напряжения на выходе инвертора до номинального значения.

Изменения напряжения на выходе инвертора u_ab , а также и на выводах А , В и С стабилизатора напряжения (см. рис. 3) при изменениях величины и характера нагрузки приведут к изменению напряжения Δ u ₁ , Δ u ₂ и u _∑ и, соответственно, длительности управляющих импульсов u _У , что приведет к автоматической стабилизации параметров электроэнергии на выходе устройства. Таким образом, независимо от частоты вращения ветро-колеса и дестабилизирующих факторов, возникающих в нагрузке, СУ автоматически осуществляет стабилизацию величины и частоты напряжения ВЭУ.

Результат

Проведен анализ достоинств и недостатков транзисторов, которые применяются в составе стабилизаторов напряжения ВЭУ малой мощности.

Показано, что современные полевые транзисторы имеют ряд преимуществ перед биполярными транзисторами и прежде всего по быстродействию, надежности работы и помехоустойчивости.

Рассмотрены структурные схемы стабилизаторов напряжения и частоты генераторов автономных ВЭУ, выполненные на непосредственном преобразователе частоты, электромагнитной муфты и обмотки подмагничивания, раскрыты особенности их работы преимущества и недостатки.

Разработана функциональная схема стабилизатора напряжения и частоты тока автономной ВЭУ, выполненная на статических преобразователях электроэнергии: неуправляемом выпрямителе, однофазном инверторе напряжения и однофазнотрехфазном трансформаторе с вращающимся магнитным полем. Раскрыты особенности работы ее системы управления по стабилизации параметров электроэнергии. Предложенное структурно-схемное решение стабилизатора позволяет улучшить КПД, показатели надежности установки, а также повысить быстродействие системы управления по стабилизации напряжения и частоты генератора электроэнергии ВЭУ.

С точки зрения энергоэффективности автономных систем, ВЭУ целесообразно применять в составе комбинированных (гибридных) систем электроснабжения, которые содержат несколько возобновляемых и традиционных источников электроэнергии [18, 19]. Сегодня известны способы оптимизации структурно-схемных решений таких систем с учетом требований потребителей по надежности электроснабжения и качеству электроэнергии [8, 20].

Выводы

Таким образом, результаты исследования повысят эффективность предпроектных работ по разработке энергоэффективных стабилизаторов параметров электроэнергии автономных ВЭУ малой мощности. Дальнейшие исследования должны быть направлены на оптимизацию параметров статических преобразователей, применяемых в составе стабилизаторов на основании исследования их электромагнитной совместимости, в том числе и с генератором электроэнергии во всех режимах функционирования ВЭУ, включая аварийные, а также разработку программных продуктов для реализации автоматических систем управления и защиты, выполненных на микропроцессорной технике.