Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ПРОГНОЗИРУЮЩИМ УПРАВЛЕНИЕМ

Актуальность темы исследования. На сегодняшний день можно констатировать, что мировая энергетическая система вошла в новый этап фундаментальной трансформации. В целом этот комплекс изменений называют «Энергетическим переходом» (четвертым), сформировавшимся под влиянием изменений в энергополитике и развития новых технологий, и предусматривающем широкое использование возобновляемых источников энергии при вытеснении ископаемых видов топлива [1].
Термин «энергетический переход» [2] используется «для описания изменения структуры первичного энергопотребления и постепенного перехода от существующей схемы энергообеспечения к новому состоянию энергетической системы» Текущий «энергопереход» - это очередной, уже четвертый сдвиг в серии аналогичных фундаментальных структурных преобразований мирового энергетического сектора. С количественной точки зрения «энергопереход» можно определить, как 10 % - ное сокращение доли рынка определенного энергоресурса за 10 лет. Наиболее известно уже ставшее классическим разделение энергетических переходов, предложенное В. Смилом [3]:
- первый энергетический переход происходил от биомассы к углю, в ходе него
доля угля в общем объеме потребления первичной энергии с 1840 по 1900 гг. увеличилась с 5 % до 50 %. Уголь стал основным источником энергии
индустриального мира;
- второй энергетический переход связан с распространением нефти - ее доля выросла с 3 % в 1915 г. до 45 % к 1975 г. Наиболее интенсивный период переключения с угля на нефть пришелся на годы после Второй мировой войны. Начался «век моторов» и доминирования нефти, который завершился в конце 1970-х гг. нефтяным кризисом;
-третий энергетический переход привел к широкому использованию природного газа (его доля выросла с 3 % в 1930 г. до 23 % в 2017 г.) за счет частичного вытеснения как угля, так и нефти.
Таким образом, в настоящее время мы являемся свидетелями начала четвертого энергетического перехода. В последнее десятилетие в мире получены важные достижения в коммерциализации широкого спектра нетрадиционных энергетических носителей ресурса и энергоэффективных технологий - ветровые электростанции, солнечные батареи, аккумуляторы электроэнергии и другие (безуглеродные источники питания, предполагающие «декарбонизацию» процесса преобразования энергии), что предполагает совершенствование управляемости на основе широкого внедрения цифровизации и устройств силовой электроники (см. рисунок В1).


Рисунок В1 - Основные технологические элементы четвертого «энергоперехода»
Несмотря на интенсивное развитие средств силовой электроники, устройств фотовольтаики и современных химических источников, многочисленные территории многих стран, включая Россию, испытывают большой дефицит в электроэнергии. Например, в настоящее время новые города и сельские регионы в Египте являются типичными примерами энергоснабжения удалённых потребителей, которое может осуществляться только от автономных источников энергии. Использование более экономичных и экологически чистых альтернативных систем генерации энергии объясняется следующими причинами:
(a) из-за постепенного сокращения количества ископаемого топлива и увеличение спроса на электроэнергию как развитых, так и развивающихся стран;
(b) существующие централизованные электростанции сталкиваются с проблемой высокой стоимости расширения, особенно в развивающихся странах;
(c) высокая стоимость топлива во многих отдалённых районах.
Египет располагает богатыми солнечными и ветровыми ресурсами и имеет амбициозные планы развития возобновляемой энергетики. Согласно новому докладу [4] «Egypt Could Meet More than 50% of its Electricity Demand with Renewable Energy» международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) Египет может производить до 53 процентов своей электроэнергии на основе возобновляемых источников к 2030 году. В докладе «Перспективы возобновляемой энергетики в Египте», подготовленном в сотрудничестве с Министерством электричества и возобновляемой энергии этой страны и опубликованном 9 октября, подсчитано, что увеличение доли возобновляемых источников энергии может сократить годовые затраты на энергию на 900 млн. долларов США в год к 2030 году. В настоящее в Египте на государственном уровне зафиксирована задача увеличить долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в установленной мощности энергосистемы страны до 42% к 2035 году. IRENA в своем докладе рассматривает два сценария развития энергетики страны до 2030 года.
В базовом сценарии доля возобновляемых источников энергии в конечном потреблении энергии удваивается до 11%, а в производстве электричества увеличивается с нынешних 9% до 25%. Это впечатляющий рост, поскольку выработка электроэнергии в целом вырастет на примерно 125% до 385 ТВт*ч. Производство электричества ВИЭ возрастает с нынешних 15 ТВт*ч (почти всё это - ГЭС) до 96 ТВт*ч. Установленная мощность электроэнергетики должна увеличиться более чем на 250% до 117 ГВт в 2030 году. При этом надо отметить, что мощности угольной и газовой генерации вырастут еще больше - на 20 ГВт каждый тип, а доля ВИЭ в установленной мощности останется ниже 30%.
В более оптимистичном сценарии REmap структура меняется кардинальным образом, в первую очередь, за счёт ускоренного развития фотоэлектрической солнечной энергетики. Установленная мощность солнечных электростанций должна вырасти до 44 ГВт (в базовом сценарии - всего до 9 ГВт). С учетом стремительного снижения цен на солнечные модули и отличного природного потенциала страны данное развитие вполне реально. В настоящее время в Египте реализуются масштабные проекты по строительству солнечных электростанций, например комплекс солнечных электростанций Benban Solar Park, суммарной мощностью 1,6-2 ГВт [5]. В данном сценарии доля ВИЭ в производстве электроэнергии повышается до почти 53%, а в первичной энергии - до 22%. При этом установленная мощность электроэнергетики увеличивается еще больше (по сравнению с базовым сценарием) - до 137 ГВт.
Для реализации сценария REmap, IRENA рекомендует ряд действий, направленных на реализацию экономических и других преимуществ возобновляемых источников энергии. Среди перечисленных мер можно выделить: регулярное обновление энергетической стратегии Египта; совершенствование нормативной базы; уточнение организационных ролей и ответственности по развитию ветровой и солнечной энергетики; объединение разных проектов в области возобновляемых источников энергии в пулы для снижения рисков и оптимизации финансирования; проведение комплексных кампаний по измерению солнечного и ветрового потенциала; и разработку планов развития местных производств компонентов для возобновляемой энергетики.
Чистые, модульные и возобновляемые источники энергии, объединенные в микросети (microgrid) на уровне сообществ, могут стать экономически эффективным способом обеспечить доступ к надежному и недорогому энергоснабжению тем, кто сейчас живет без электричества, причем такие системы электроснабжения (СЭС) могут работать как автономно, так и совместно с основными электрическими сетями.
Автономные СЭС, как правило, работают в условиях ограничения мощности входного источника, а также «непредсказуемости» нагрузок, что определяет их случайный характер, как по величине активной мощности, так и по характеру - нагрузки могут быть одно- или трёхфазными, сбалансированными (симметричными) или несбалансированными, линейными или нелинейными. Несимметрия и гармонические искажения напряжения могут вызывать серьёзные проблемы с оборудованием, такие как вибрация, перенапряжение, перегрев и т. д. [6, 7].
Системы автономного электроснабжения обычно состоят из источника питания, нагрузок, силовых электронных устройств и систем хранения энергии. Автономная СЭС ведёт себя как управляемый объект [8].
Основными силовыми электронными устройствами в СЭС являются инверторы, которые используются в качестве интерфейсов для подключения источника питания к нагрузкам переменного тока. Основной функцией инверторов является передача и управление мощностью. Кроме того, путем правильного управления инверторами могут быть решены проблемы дисбаланса напряжений, а также компенсации высших гармоник [9] [10].
Значительный вклад в развитие теоретических и экспериментальных исследований систем электроснабжения, в том числе автономных, на основе полупроводниковых преобразовательных устройств внесли как российские, так и зарубежные ученые: С.А. Харитонов, Г.С. Зиновьев, Г.С. Мыцык, А.А. Ефимов, И.А. Баховцев, Шрейнер Р.Т., Г.В. Грабовецкий, Б.В. Лукутин, И.И. Лукин, Б.П. Соустин, В.Е. Тонкаль, В.А. Цишевский, Т.А. Lipo, Bimal K. Bose, Marvin J. Fisher, Kazmierkowski M., R. Zhang, M. E. Fraser, C. D. Manning, K. Zhang, Y. Kang, J. Xiong, и др.
При большой распространенности полупроводниковых СЭС в энергетике промышленных и автономных объектов применение новых схемотехнических и алгоритмических решений, позволяющих повысить качество их работы, является актуальной задачей.
Объектом исследования является система автономного электроснабжения на базе инвертора напряжения.
Предметом исследования являются режимы и алгоритмы управления полупроводниковой СЭС.
Целью диссертационной работы является обеспечение требуемого качества выходного напряжения автономной системы электроснабжения на основе алгоритмов прогнозирующего управления.
Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:
1. Изучить и проанализировать особенности применения и построения автономных полупроводниковых СЭС при работе на различные виды нагрузок и в составе автономных сетей, в частности, microgrid.
2. Провести исследования по особенностям применения метода прогнозирующего управления в структуре полупроводниковой СЭС и разработать алгоритмы управления СЭС при ее работе на активную, реактивную и нелинейную нагрузки как симметричного, так и несимметричного (несбалансированного) типа в соответствии с показателями качества управления.
3. Провести сравнительные исследования СЭС с прогнозирующим управлением с СЭС, функционирующих на основе алгоритмов пропорционально- интегрально- дифференциального (ПИД) и пропорционально-резонансного (ПР)- регулирований.
4. Разработать алгоритмы аварийной защиты полупроводниковой СЭС с прогнозирующим управлением по току нагрузки.
5. Для подтверждения теоретических исследований провести экспериментальную проверку алгоритмов прогнозирующего управления.
Методы исследований. В диссертационной работе использовались методы теоретических основ электротехники, математические методы с применением интегро-дифференциальных и матричных уравнений, имитационное моделирование с применением пакета Matlab Simulink, а также экспериментальные исследования. Для анализа устойчивости СЭС и синтеза регуляторов применялся метод корневого годографа.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена математическая модель СЭС для управления напряжением нагрузки АИН с нулевым проводом (четвёртой стойкой) на основе алгоритма с прогнозирующим управлением.
2. Предложены математические модели СЭС на базе автономного инвертора напряжений (АИН) с нулевым проводом (четвертой стойкой) и выходным фильтром при реализации алгоритма ее управления на основе ПИД-регулятора, ПР- регулятора, скалярной ШИМ и при компенсации взаимной связи между осями D и Q в системе координат DQ0.
3. Разработана имитационная модель СЭС при управлении автономным инвертором с нулевым проводом (четвёртой стойкой), способная реализовать три метода управления СЭС: с ПР-регулятором, ПИД-регулятором и с прогнозирующим управлением.
4. Разработаны алгоритмы прогнозного управления выходным напряжением АИН с нулевым проводом (четвертой стойкой), позволяющие получить высокое качество выходного напряжения СЭС с функцией эффективной защиты по току.
5. Произведена оценка чувствительности управления и оценки влияния изменения нагрузки и параметров LC-фильтра на характеристики управления СЭС при УПМ- и ПИД-алгоритмах.
Практическая ценность работы:
1. Разработанная имитационная модель полупроводниковой СЭС с нулевым проводом (четвертой стойкой) и прогнозирующим управлением позволяет исследовать и оптимизировать ее статические и динамические режимы в процессе проектирования.
2. Разработанный на основе прогнозирующего управления алгоритм защиты от короткого замыкания позволяет не только эффективно защищать автономный инвертор СЭС от аварийных режимов работы, но и формировать заданное значение выходного тока в аварийных режимах.
3. Полученные графические зависимости частоты коммутации ключей автономного инвертора СЭС с прогнозирующим управлением от коэффициента мощности и величины нагрузки позволяют проектировщику производить выбор частоты коммутации ключей инвертора с оценкой динамических потерь.
4. Результаты исследования чувствительности СЭС с прогнозным управлением к изменениям параметров выходного фильтра дают основу для его проектирования.
На защиту выносятся:
1. Имитационная модель СЭС при управлении автономным инвертором с нулевым проводом (четвёртой стойкой), способная реализовать три метода управления: с ПР-регулятором, ПИД-регулятором и с прогнозирующей моделью (УПМ).
2. Алгоритм прогнозирующего управления выходным напряжением АИН с нулевым проводом (четвертой стойкой), минимизирующий ошибку между выходным и опорным напряжениями.
3. Алгоритм аварийной защиты полупроводниковой СЭС с прогнозирующим управлением по току нагрузки.
4. Результаты анализа чувствительности управления и оценки влияния изменения нагрузки и параметров LC-фильтра на характеристики управления СЭС при УПМ- и ПИД-алгоритмах.
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Достоверность полученных результатов определяется корректным использованием научно-обоснованных методов исследований, сходимостью экспериментальных и расчетных данных. Результаты, полученные при проведении экспериментальных испытаний, подтверждают справедливость научных положений и применимость предложенных методов, технических решений и выводов.
Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
1. 4th International Conference on Frontiers of Educational Technologies - ICFET ’18, 2018, Proceedings, г. Москва.
2. The first International Youth Conference on Radio Electronics, Electrical and Power Engineering (REEPE), 2019, Proceedings, г. Москва.
3. 20th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2019, - Proceedings, г. Новосибирск.
Публикации. Результаты выполненных исследований отражены в 12 публикациях, в том числе 5-х статьях в журналах, рекомендованных ВАК РФ, и 7 статьях, индексируемых в наукометрических базах SCOPUS и WoS.
Внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы в Институте силовой электроники Новосибирского государственного технического университета для проектирования автономных СЭС, а также в учебном процессе инженерной школы энергетики НИ ТПУ при подготовке бакалавров по направлению 13.03.02 и магистров по направлению 13.04.02 (Электроэнергетика и электротехника) по профилям «Электрооборудование летательных аппаратов» и «Электротехнические комплексы автономных объектов».
Личный вклад автора. Автор диссертационной работы принимал непосредственное участие в теоретических исследованиях, разработке, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и обобщении полученных данных, написании текстов статей и докладов. В работах, написанных в соавторстве, автору принадлежат: математические, имитационные модели и алгоритм прогнозного управления автономным инвертором с дополнительной четвертой стойкой, включая аварийные режимы, анализ электромагнитных процессов и устойчивости в СЭС, оценка качества электроэнергии в СЭС. Структура диссертационной работы.
Во введении обоснована актуальность исследования, определены объект и предмет исследования, сформирована цель работы, основные задачи, научная новизна и практическая ценность исследований, приведены основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе проведен анализ Micro Grid как концепции малой распределенной энергетики. Рассмотрена конфигурация полупроводниковых автономных СЭС. Проведен обзорный анализ методов управления техническими системами, способных найти применение в автономных полупроводниковых СЭС.
Сформулированы задачи диссертационного исследования. Сделан вывод о перспективности создания полупроводниковых автономных СЭС в составе Micro Grid на основе прогнозирующего управления (в англ. терминологии - Model Predictive Control, МРС - «модель прогнозного управления», «управление с прогнозирующей моделью - УПМ).
Во второй главе проведена разработка топологических схем и математических моделей для СЭС на основе трехфазного АИН с четвертой стойкой (нулевым проводом). Рассмотрены алгоритмы УПМ, ПИД- и ПР-регулирования. Результаты второй главы явились основой для создания соответствующих имитационных моделей в пакете Matlab Simulink.
В третьей главе в пакете Matlab Simulink разработана имитационная модель СЭС при управлении АИН с нулевым проводом на основе трёх методов управления: с ПР-регулятором, ПИД-регулятором и с прогнозирующей моделью. Проведено сравнение функционирования СЭС с нулевым проводом при реализации ПР- регулятора и ПИД-регулятора в статическом и динамическом режимах. Показано, что УПМ-алгоритм обеспечивает более быстрый динамический отклик, по сравнению с ПИД-алгоритмом. Проведен анализ чувствительности управления и оценки влияния изменения нагрузки и параметров LC-фильтра на характеристики управления СЭС при УПМ- и ПИД-алгоритмах. Показано, что УПМ обладает хорошей устойчивостью и низкой чувствительностью к изменениям параметров фильтров, а также незначительно влияет на пульсацию напряжения в звене постоянного тока инвертора.
В четвертой главе разработан алгоритм аварийной защиты полупроводниковой СЭС с прогнозирующим управлением по току нагрузки. Для проверки теоретических исследований и выводов изготовлен макетный образец полупроводниковой СЭС с нулевым проводом (четвертой стойкой), на котором проведены физические эксперименты.
В заключении сформулированы результаты диссертационного исследования
Купить

В диссертационной работе выполнены исследования режимов работы полупроводниковой трехфазной СЭС на базе полупроводникового преобразователя (инвертора), реализующей алгоритм прогнозирующего управления. Проведенные исследования показали реализуемость, эффективность и перспективность применения вышеуказанного алгоритма для достижения требуемого качества выходного напряжения. В результате проделанных в диссертационной работе исследований:
1. Изучены и проанализированы особенности применения и построения автономных полупроводниковых СЭС при работе на различные виды нагрузок и в составе автономных сетей, в частности, microgrid.
2. Разработаны математические модели СЭС на основе АИН с нулевым проводом (четвертой стойкой) и выходным фильтром при реализации алгоритма ее управления на основе ПИД-регулятора, ПР-регулятора, скалярной ШИМ и при компенсации взаимной связи между осями D и Q в системе координат DQ0.
3. Разработан алгоритм прогнозирующего управления выходным напряжением АИН с нулевым проводом (четвертой стойкой), минимизирующий ошибку между выходным и опорным напряжениями.
4. В пакете Matlab Simulink разработана имитационная модель СЭС при управлении автономным инвертором с нулевым проводом (четвёртой стойкой) на основе трёх методов управления: с ПР-регулятором, ПИД-регулятором и с прогнозирующей моделью.
5. Проведены исследования по особенностям применения метода прогнозирующего управления в структуре полупроводниковой СЭС и разработаны алгоритмы управления СЭС при ее работе на активную, реактивную и нелинейную нагрузки как симметричного, так и несимметричного (несбалансированного) типа в соответствии с показателями качества управления.
6. Проведены сравнительные исследования СЭС с прогнозирующим управлением с СЭС, функционирующих на основе алгоритмов пропорционально- интегрально- дифференциального (ПИД) и пропорционально-резонансного (ПР)- регулирований.
7. Проведен анализ чувствительности управления и оценки влияния изменения нагрузки и параметров LC-фильтра на характеристики управления СЭС при УПМ- и ПИД-алгоритмах. Показано, что УПМ обладает хорошей устойчивостью и низкой чувствительностью к изменениям параметров фильтров, а также незначительно влияет на пульсацию напряжения в звене постоянного тока инвертора.
8. Разработаны алгоритмы аварийной защиты полупроводниковой СЭС с прогнозирующим управлением по току нагрузки.
9. Для проверки теоретических исследований и выводов изготовлен макетный образец полупроводниковой СЭС с нулевым проводом (четвертой стойкой), на котором проведены физические эксперименты. Результаты экспериментов подтвердили правильность теоретических исследований и выводов диссертационной работы.

Купить