📄Работа №114254
Тема: Анализ режимов работы полупроводникового преобразователя в ветроэнергетической установке
Тип работы
Магистерская диссертация
Предмет
Электроэнергетика
Объем:
101 листов
Год:
2021
Просмотров:
238
5550
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 3
1 Особенности работы и устройства ветроэнергетических установок 6
1.1 Актуальность использования ветрогенераторов как источника электроэнергии 6
1.2 Анализ конструкций ветрогенераторов основных типов 11
1.3 Классификация ветроэнергетических установок 26
1.4 Системы управления ветрогенераторов 35
2 Разбор системы моделирования Simulink 45
2.1 Анализ возможностей библиотек Simulink 45
2.2 Система моделирования SimPowerSystem 69
3 Моделирование и анализ режимов работы полупроводникового преобразователя 74
3.1 Описание схемы полупроводникового преобразователя 74
3.2 Анализ режимов работы полупроводникового преобразователя 79
Заключение 88
Список используемой литературы и источников 94
Приложение А Особенности аэродинамики, регулирования и систем передачи мощности ветродвигателей классифицируемых ВЭУ 100
1 Особенности работы и устройства ветроэнергетических установок 6
1.1 Актуальность использования ветрогенераторов как источника электроэнергии 6
1.2 Анализ конструкций ветрогенераторов основных типов 11
1.3 Классификация ветроэнергетических установок 26
1.4 Системы управления ветрогенераторов 35
2 Разбор системы моделирования Simulink 45
2.1 Анализ возможностей библиотек Simulink 45
2.2 Система моделирования SimPowerSystem 69
3 Моделирование и анализ режимов работы полупроводникового преобразователя 74
3.1 Описание схемы полупроводникового преобразователя 74
3.2 Анализ режимов работы полупроводникового преобразователя 79
Заключение 88
Список используемой литературы и источников 94
Приложение А Особенности аэродинамики, регулирования и систем передачи мощности ветродвигателей классифицируемых ВЭУ 100
📖 Введение
На альтернативные источники энергии в настоящее время всё больше специалистов из разных областей обращают пристальное внимание. Это связано с тем, что традиционные источники энергии имеют конечное итоговое количество и несут огромный вред для экологической среды. Одним из самых перспективных и быстроразвивающихся направлений в нетрадиционной энергетике, является ветроэнергетика. Так только в 2010 году общая мощность ветроэнергетических установок в мире составила 197 ГВт, этого хватило бы для покрытия 2.5% спроса на электроэнергию. В 2020 году суммарная мощность уже составила внушительные 744 ГВт, что в свою очередь хватит для покрытия потребностей 7% потребителей в мире. И с каждым годом эта цифра будет всё сильней увеличиваться из-за серьёзных государственный инвестиций в эту область ведущих стран. Скандинавские страны, такие как Дания, Швеция, Норвегия используют активно шельфовые ветроэнергетические электростанции в виду своего географического расположения, что в итоге позволяет вырабатывать значительную часть электроэнергии в этих странах (в 2015 году Дания выработала 42% от всего энергопотребления в стране с помощью ветроэнергетики). Поэтому неудивительно что, например в Германии в 2020 году ветряные и солнечные электростанции выработали больше электроэнергии, чем электростанции использующие традиционные источники энергии и число таких стран со временем будет только расти.
Производство электроэнергии в основном на электростанциях осуществляется с помощью ископаемых источников энергии, на которые постоянно растёт цена, поэтому увеличивается и стоимость на неё. Поэтому всё более актуальным становится применение частных автономных ветроэнергетических установок. Такие установки как правило небольшой мощности до 20кВт, могут бесперебойно вырабатывать электроэнергию в течение всего года, при условии верного места расположения такого агрегата. Подобные устройства включают в себя сам ветрогенератор с механической частью, который использует кинетическую энергию воздушных масс, преобразуя сначала в механическую, а потом в электрическую. В период отсутствия ветра, когда выпадают безветренные дни используются блоки с аккумуляторными батареями как резерв электроэнергии. Одним из наиболее важных элементов в таких системах является инвертор. Его задача, сделать напряжение сетевым 220В, 50Гц синусоидальной формы. От его работы зависит очень многое и выход из строя может привести самым разным последствиям. Сам преобразователь работает в трёх основных режимах работы: максимальной, номинальной и пиковой мощности. В режиме пиковой мощности прибор должен в течении короткого промежутка выдержать двух кратное повышение мощности. Номинальный режим - работа на номинальную мощность в течение продолжительного промежутка времени пока не выйдет из строя. И режим максимальной мощности подразумевает работу устройства в течение часа на мощность, превышающую его номинал более чем на 30%. В большинстве случаев подобные приборы имеют встроенную защиту, которая гарантирует в случае аварии его отключение. Подобная промоделированная схема может использоваться в простых ветроэнергетических системах для обеспечения нагрузки небольшой мощности (до 100 - 300 Вт).
Таким образом, основной проблемой исследования является выбор оптимальной и простой схемы преобразователя с необходимыми параметрами, чтобы отвечала базовым техническим требованиям и которую можно использовать в автономной ветроэнергетической системе.
Целью магистерской диссертации является разработка математической модели, наглядно демонстрирующей режимы работы полупроводникового преобразователя, который можно использовать в автономной ветроэнергетической системе.
Практической значимость будет являться, то что данные могут использоваться другими людьми в качестве теоретической информации для дальнейших работ при выборе или создании подобных устройств.
Новизна работы будет состоять в том, что будет разработана математическая модель простого инвертора для ветрогенератора в среде моделирования Tina TI при использовании библиотек аналоговых элементов которая наглядно покажет его работу в 3 ключевых режимах работы.
Производство электроэнергии в основном на электростанциях осуществляется с помощью ископаемых источников энергии, на которые постоянно растёт цена, поэтому увеличивается и стоимость на неё. Поэтому всё более актуальным становится применение частных автономных ветроэнергетических установок. Такие установки как правило небольшой мощности до 20кВт, могут бесперебойно вырабатывать электроэнергию в течение всего года, при условии верного места расположения такого агрегата. Подобные устройства включают в себя сам ветрогенератор с механической частью, который использует кинетическую энергию воздушных масс, преобразуя сначала в механическую, а потом в электрическую. В период отсутствия ветра, когда выпадают безветренные дни используются блоки с аккумуляторными батареями как резерв электроэнергии. Одним из наиболее важных элементов в таких системах является инвертор. Его задача, сделать напряжение сетевым 220В, 50Гц синусоидальной формы. От его работы зависит очень многое и выход из строя может привести самым разным последствиям. Сам преобразователь работает в трёх основных режимах работы: максимальной, номинальной и пиковой мощности. В режиме пиковой мощности прибор должен в течении короткого промежутка выдержать двух кратное повышение мощности. Номинальный режим - работа на номинальную мощность в течение продолжительного промежутка времени пока не выйдет из строя. И режим максимальной мощности подразумевает работу устройства в течение часа на мощность, превышающую его номинал более чем на 30%. В большинстве случаев подобные приборы имеют встроенную защиту, которая гарантирует в случае аварии его отключение. Подобная промоделированная схема может использоваться в простых ветроэнергетических системах для обеспечения нагрузки небольшой мощности (до 100 - 300 Вт).
Таким образом, основной проблемой исследования является выбор оптимальной и простой схемы преобразователя с необходимыми параметрами, чтобы отвечала базовым техническим требованиям и которую можно использовать в автономной ветроэнергетической системе.
Целью магистерской диссертации является разработка математической модели, наглядно демонстрирующей режимы работы полупроводникового преобразователя, который можно использовать в автономной ветроэнергетической системе.
Практической значимость будет являться, то что данные могут использоваться другими людьми в качестве теоретической информации для дальнейших работ при выборе или создании подобных устройств.
Новизна работы будет состоять в том, что будет разработана математическая модель простого инвертора для ветрогенератора в среде моделирования Tina TI при использовании библиотек аналоговых элементов которая наглядно покажет его работу в 3 ключевых режимах работы.
✅ Заключение
Понимание того, что традиционные источники энергии не вечны и рано или поздно полностью закончатся, заставило человечество стремиться искать новые источники. Ими стали возобновляемые источники энергии или например, атомная энергия. Нетрадиционные источники энергии нашли более широкое применение в основном в силу своей доступности и неисчерпаемости. К ним относят обычно энергию ветра, солнца, воды, геотермальную энергию. Энергия ветра и солнца получило наибольшее распространение среди остальных именно из-за своей доступности. Большой плюс использования таких источников это экологичность, которой нет у традиционных источников. Атомная энергия в целом тоже экологически безопасная считается при добыче, однако у АЭС есть свои крупные минусы - это в случае аварии может возникнуть серьёзная экологическая катастрофа и ещё проблема утилизацией ядерных отходов. Поэтому серьёзное развитие идёт именно альтернативных источников энергии, в разработки в этом направлении вкладываются значительные средства государством и частными компаниями. И в итоге в некоторых странах выработка электроэнергии например солнечными станциями или ветрогенераторами составляет больше половины. Также большой популярностью пользуются частные автономные энергетические системы. Это связано с тем что электроэнергия дорожает и платить больше не всегда хочется. На базе солнечных панелей и ветрогенераторов или по отдельности и собираются подобные энергосистемы. Более подробно рассматривается энергосистема на базе ветрогенератора. Сам ветрогенератор представляет из себя электромеханическое устройство, которое преобразует механическую энергию в электрическую. Есть два основных типа ветрогенераторов - горизонтально осевые и вертикально осевые. Ветрогенераторы горизонтально осевого типа наиболее распространённые в мире в силу своих основных качеств - высокого КПД, эффективности работы, ремонтопригодности, простоты устройства. Есть однолопастные, двухлопастные, трёхлопастные и многолопастные ветрогенераторы. Широко используются именно трёхлопастные из-за оптимального коэффициента быстроходности и КПД. Многолопастные имеют широкую площадь использования ветра, но у них высокая инерция и стоимость. Двух и однолопастные имеют неоптимальный коэффициент быстроходности и высокую скорость вращения ротора, что приводит к преждевременному изнашиванию деталей механической части. Вертикально осевые ветрогенераторы в основном не находят широкого применения из-за своего низкого КПД. Есть ветрогенераторы с ротором типа Дарье, ротором Савониуса, ротором H-типа, геликоидным ротором и многолопастным ротором. Такие устройства в силу своего устройства имеют невысокую мощность, что сильно ограничивает их использование в промышленности. Ветрогенераторы с геликоидным ротором более широко применяются, однако в силу своей сложности устройства имеют высокую стоимость самого ротора и его ремонт. Многолопастные тоже имеют высокую площади использования ветра и КПД, однако их стоимость довольно большая. Другие вертикально-осевые ветрогенераторы тоже не имеют особо широкого применения. В целом, вся ветроэнергетическая отрасль является в последние годы бурно развивающейся в силу целесообразности использования подобных устройств в плане экологии и выработки дешёвой энергии, поэтому во многих странах ветроэнергетические электростанции обеспечивают электроэнергией целые большие города и процент этот только увеличивается. Любой ветрогенератор классифицируется по мощности, а именно большой мощности, средней мощности, малой мощности и очень малой мощности. Всё это регламентируется действующим ГОСТ Р 51990-2002. Ветрогенераторы большой и средней мощности используются для подключения большой нагрузки, из них создаются большие ветряные электростанции, которые могут обеспечить такую нагрузку. Малой и очень малой мощности ветрогенераторы в основном служат для обеспечения небольшой нагрузки для отдельных потребителей или для снабжения электроэнергией в автономной системе, что довольно популярно. В двойне популярны гибридные решения по типу ветрогенератор и солнечная панель из-за надёжности подобной системы, когда например ветрогенератор остановится по причине отсутствия ветра, то энергию поможет вырабатывать именно солнечная панель или наоборот (есть также вариант использовать не солнечную панель, а дизель генератор). Это хорошо ещё и тем, что подобные системы не зависимы от общей сети и когда происходит сбой на электростанции, то потребителя это не затрагивает в отличие от других подключённых к общей сети. Так любой ветрогенератор управляется или по- другому имеет систему управления. На сегодня есть три наиболее распространённые - с контролируемой скоростью вращения ротора, с неконтролируемой скоростью вращения ротора и с машиной двойного питания в цепи ротора. Из них наиболее применяемые это с машиной двойного питания и с контролируемой скоростью вращения. Главным преимуществом системы управления на базе машины двойного питания является то, что ротор может поддерживать только 25-30% от номинальной мощности, следственно это снижает массо-габаритные показатели ветрогенератора, потери на переключение силовых ключей, тепловые потери из-за снижения общей его мощности. Одним из ключевых элементов в управлении является именно полупроводниковый преобразователь (инвертор), так как может менять напряжение и частоту на обмотках генератора. Поэтому от выбора инвертора и зависит КПД устройства в целом.
Моделирование на данный момент является основным инструментом для изучения различных процессов или объектов. Само моделирование используется в тех случаях когда изучение или исследования исходного объекта невозможно по тем или иным причинам. Также моделирование позволяет экономить большое количество времени и средств. Например в областях точных наук, таких как астрономия, ядерная физика или химия. В той же астрономии описывать течение термоядерных реакций внутри звёзд или что образование новых «солнечных систем» по заданным параметрам, чтобы наблюдать процесс их зарождения в других частях космоса, что естественно реально опытным путём неосуществимо. В той же ядерной физике - это моделирование ядерных процессов протекающих в реакторах АЭС или взрыва атомной бомбы, что при штатных испытаниях очень дорогое и опасное предприятие. Также моделирование широко применяется в механике, физике, электроснабжении, радиотехнике и т.д. В некоторых случаях оно применятся казалось бы на первый взгляд не нужных случаях, например моделирование соединения труб, однако подобная операция в будущем положительно скажется на качестве продукта и поможет снизить затраты на разработку. Любая модель должна быть создана из расчёта простоты, равноценности и информативности, так как слишком большая модель может привести к ошибкам. Бывают как физические так и математические модели, но в основном используются математические модели, например для моделирования вольт-амперных характеристик биполярного транзистора. В MATLAB двумя основными библиотеками для моделирования является пакет Simulink и SimPowerSistem. Так в SimPowerSistem построение моделей и их моделирование почти тоже что и в симулинке, также между собой соединяются блоки линиями. Но есть и отличие, которое состоит в том, что те линии что используются в Simulink служат передатчиками сигнала между блоками, а в SimPowerSistem это виртуальные линии по которым протекает ток по аналогии с реальными. В целом и то и другое расширение является очень удобным при моделировании систем или устройств, а результаты получаются весьма информативными. Но стоит отметить, что именно в SimPowerSistem блоки более близки по результату моделирования к реальным устройствам, приборам или системам в энергетике и электротехнике, что можно положительно охарактеризовать, как огромный плюс. Если выделять эффективность MATLAB в плане наличия функционала библиотек, то их работа, качество, количество и возможность создания самим различных блоков не должно вызывать сомнений при моделировании.
Инвертор в ветроэнергетической системе нужен, чтобы сделать постоянное напряжение, переменным сетевым 220В 50Гц. Есть два основных типа инверторов - автономные и ведомые. Ведомые инверторы обычно работают в сети переменного напряжения, где именно сама сеть определяет его форму, частоту и величину. Автономные же работают вне зависимости от сети переменного тока в собственной замкнутой системе. В работе рассматривается именно автономный инвертор. Есть автономные инверторы напряжения, тока и частоты. Среди них наиболее применимым является именно АИН, хороши тем, что форма напряжения задаётся в нагрузке, а форма тока самой нагрузкой и могут регулироваться в широком диапазоне частот. В рассмотренной схеме преобразователя использовался именно инвертор напряжения. Он работает в трёх ключевых режимах - номинальном, максимальном и перегрузки. В первом происходит работа на номинальную мощность, которую преобразователь может поддерживать в течение неограниченного времени. В номинальном режиме преобразователь работает на превышение номинала на 30% и более и должен проработать в таком режиме более часа. В пусковом режиме устройство должно в течение пары секунд выдержать превышение номинальной мощности в 2 раза. Для того чтобы наглядно показать была взята оригинальная схема и максимально упрощена для простоты моделирования. Была выполнена модель в программе Tina TI, так как матлаб не учитывает аналоговых возможностей компонентов. В результате моделирования были показаны графики напряжения на нагрузке в каждом режиме и рассчитана мощность. Выходная мощность зависит в основном от правильности подбора силовых ключей и может быть увеличена их дополнительным добавлением. Нагрузка при моделировании использовалась активная для наглядности полученных результатов. Форма напряжения модифицированная синусоида, полученная использованием сглаживающего конденсатора. Генератор 555 генерирует импульсы прямоугольной фомы, частотой 100Гц, где она в последствии делиться делителем пополам. Смоделированное устройство может использоваться в автономной системе, однако придётся добавить защиту по току и напряжению так как для моделирования устройства была использована упрощённая версия.
Моделирование на данный момент является основным инструментом для изучения различных процессов или объектов. Само моделирование используется в тех случаях когда изучение или исследования исходного объекта невозможно по тем или иным причинам. Также моделирование позволяет экономить большое количество времени и средств. Например в областях точных наук, таких как астрономия, ядерная физика или химия. В той же астрономии описывать течение термоядерных реакций внутри звёзд или что образование новых «солнечных систем» по заданным параметрам, чтобы наблюдать процесс их зарождения в других частях космоса, что естественно реально опытным путём неосуществимо. В той же ядерной физике - это моделирование ядерных процессов протекающих в реакторах АЭС или взрыва атомной бомбы, что при штатных испытаниях очень дорогое и опасное предприятие. Также моделирование широко применяется в механике, физике, электроснабжении, радиотехнике и т.д. В некоторых случаях оно применятся казалось бы на первый взгляд не нужных случаях, например моделирование соединения труб, однако подобная операция в будущем положительно скажется на качестве продукта и поможет снизить затраты на разработку. Любая модель должна быть создана из расчёта простоты, равноценности и информативности, так как слишком большая модель может привести к ошибкам. Бывают как физические так и математические модели, но в основном используются математические модели, например для моделирования вольт-амперных характеристик биполярного транзистора. В MATLAB двумя основными библиотеками для моделирования является пакет Simulink и SimPowerSistem. Так в SimPowerSistem построение моделей и их моделирование почти тоже что и в симулинке, также между собой соединяются блоки линиями. Но есть и отличие, которое состоит в том, что те линии что используются в Simulink служат передатчиками сигнала между блоками, а в SimPowerSistem это виртуальные линии по которым протекает ток по аналогии с реальными. В целом и то и другое расширение является очень удобным при моделировании систем или устройств, а результаты получаются весьма информативными. Но стоит отметить, что именно в SimPowerSistem блоки более близки по результату моделирования к реальным устройствам, приборам или системам в энергетике и электротехнике, что можно положительно охарактеризовать, как огромный плюс. Если выделять эффективность MATLAB в плане наличия функционала библиотек, то их работа, качество, количество и возможность создания самим различных блоков не должно вызывать сомнений при моделировании.
Инвертор в ветроэнергетической системе нужен, чтобы сделать постоянное напряжение, переменным сетевым 220В 50Гц. Есть два основных типа инверторов - автономные и ведомые. Ведомые инверторы обычно работают в сети переменного напряжения, где именно сама сеть определяет его форму, частоту и величину. Автономные же работают вне зависимости от сети переменного тока в собственной замкнутой системе. В работе рассматривается именно автономный инвертор. Есть автономные инверторы напряжения, тока и частоты. Среди них наиболее применимым является именно АИН, хороши тем, что форма напряжения задаётся в нагрузке, а форма тока самой нагрузкой и могут регулироваться в широком диапазоне частот. В рассмотренной схеме преобразователя использовался именно инвертор напряжения. Он работает в трёх ключевых режимах - номинальном, максимальном и перегрузки. В первом происходит работа на номинальную мощность, которую преобразователь может поддерживать в течение неограниченного времени. В номинальном режиме преобразователь работает на превышение номинала на 30% и более и должен проработать в таком режиме более часа. В пусковом режиме устройство должно в течение пары секунд выдержать превышение номинальной мощности в 2 раза. Для того чтобы наглядно показать была взята оригинальная схема и максимально упрощена для простоты моделирования. Была выполнена модель в программе Tina TI, так как матлаб не учитывает аналоговых возможностей компонентов. В результате моделирования были показаны графики напряжения на нагрузке в каждом режиме и рассчитана мощность. Выходная мощность зависит в основном от правильности подбора силовых ключей и может быть увеличена их дополнительным добавлением. Нагрузка при моделировании использовалась активная для наглядности полученных результатов. Форма напряжения модифицированная синусоида, полученная использованием сглаживающего конденсатора. Генератор 555 генерирует импульсы прямоугольной фомы, частотой 100Гц, где она в последствии делиться делителем пополам. Смоделированное устройство может использоваться в автономной системе, однако придётся добавить защиту по току и напряжению так как для моделирования устройства была использована упрощённая версия.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.