СИСТЕМА ОТБОРА МОЩНОСТИ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ НА ОСНОВЕ ПОВЫШАЮЩИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Заявленное техническое решение относится к отрасли преобразования солнечной энергии и направлено на повышение эффективности преобразования электрической энергии, вырабатываемой
фотоэлектрическими станциями (ФЭС) в электроэнергию промышленной частоты, увеличении вырабатываемой ФЭС мощности и повышении эффективности расходования дорогостоящих ресурсов.
Использование высокоэффективной системы отбора мощности (СОМ) является необходимым условием для обеспечения выработки максимальной электрической мощности фотоэлектрической станции, помимо использования высокоэффективных фотоэлектрических модулей (ФЭМ). Важнейшим элементом оптимизации конструктивного решения СОМ, позволяющим повысить эффективность ФЭС и по совокупности энергетических и экономических показателей достичь ее конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынке является минимизация потерь постоянного напряжения, вырабатываемого в процессе эксплуатации ФЭМ, для его дальнейшей высокоэффективной передачи и преобразования в электроэнергию промышленной частоты.
Из предыдущих разработок известно изобретение (патент США US 2007/0252716 А1, от 01.11.2007 г.), представляющее собой СОМ, состоящую из подключаемого к ФЭМ инвертора, оснащенного электронным блоком управления, обеспечивающим диагностику модуля инвертора, и возможность подключения к шине данных для удаленного мониторинга статуса солнечного инвертора на коммуникационную шину, и управления его работой. Это позволяет объединять несколько отдельных гелиоустановок в единую сеть для обеспечения эффективной работы и оперативного устранения возникающих неисправностей.
Недостатком такого решения является отсутствие реализации алгоритма слежения за рабочей точкой ФЭМ (так называемого МРРТ-алгоритма), что существенно снижает общую эффективность работы ФЭМ и необходимость дополнительной синхронизации по фазе переменного тока, вырабатываемого несколькими инверторами, соединенными в единую сеть. Рассинхронизация по фазе переменного тока при подаче его в общую энергосистему может привести к серьезным повреждениям как генерирующего, так и сетевого оборудования. Установка дополнительного синхронизирующего оборудования также приводит к потерям электроэнергии и росту стоимости системы в целом.
Известна также конструкция (патент США US 8853888 В2, от 07.10.2014 г.) представляющая собой элемент СОМ, а именно повышающий преобразователь постоянного тока с множеством входов, который способен на диверсификацию мощности между различными источниками энергии с различными вольт-амперными характеристиками. Такой преобразователь подключается на выход ФЭМ и обеспечивает на входе инвертора напряжение на уровне 600-700 В, что позволяет существенно снизить потери в проводниках при передаче энергии от ФЭМ к инвертору.
Недостатком такого решения является отсутствие электронного управления, что снижает эффективность преобразователя и не позволяет объединить несколько подобных преобразователей в единую сеть для осуществления удаленного управления. Также к недостаткам можно отнести необходимость использования дополнительного контроллера для реализации МРРТ-алгоритма.
Также известно решение (патент США US 8138638 В2, от 20.03.2012 г.), в котором в состав СОМ включен высокоэффективный повышающий преобразователь бестрансформаторной конструкции, работающий в резонансном режиме, и подключаемый на выход ФЭМ, что обеспечивает на входе инвертора напряжение 600-700 В и минимизацию потерь на передачу электроэнергии внутри СОМ. Особенностью указанного преобразователя является бестрансформаторное схемотехническое решение, обеспечивающее при минимальных массогабаритных параметрах высокую эффективность преобразования.
Недостатком такого решения является необходимость использования дополнительного контроллера для реализации МРРТ алгоритма съема мощности с ФЭМ, что, как уже указывалось, снижает эффективность системы в целом, усложняет и увеличивает стоимость конструкции ФЭС. Особенности схемотехнического решения, хотя и обеспечивают высокую эффективность работы из-за отсутствия микроконтроллерного управления, усложняют объединение нескольких приборов в единую информационно-управляющую сеть.
Также ранее было разработано конструктивное решение (европейский патент ЕР 2899880 А1, от 29.07.2015 г.), представляющее собой максимально упрощенный вариант СОМ, в котором в модуль солнечной батареи интегрирован инвертор (так называемый микроинвертор), который непосредственно осуществляет преобразование постоянного тока в переменный и обеспечивает на выходе ФЭМ ток промышленной частоты. Такое расположение инвертора минимизирует потери электроэнергии в проводниках внутри СОМ и облегчает реализацию алгоритма МРРТ, а также обеспечивает компактность и малую массу ФЭС, что облегчает установку солнечных батарей на крышах домов.
Недостатком указанного решения является сравнительно невысокая эффективность микроинвертора, не превышающая обычно 93-94%, в то время как эффективность мощных инверторов промышленного класса, применяемых в составе СОМ традиционной конструкции может достигать 98%. Также при использовании в составе ФЭС более чем одного генерирующего ФЭМ может возникать проблема согласования фаз переменного тока, вырабатываемого несколькими микроинверторами. Прототипом, наиболее близким к предлагаемой конструкции можно считать (патент США US 2014/0084695 А1, от 27.03.2014 г.) конструкцию СОМ, основанную на массиве последовательно соединенных микроинверторов, соединенных общей шиной переменного тока для соединения микроинверторов последовательно, и управляемых внешним контроллером, обеспечивающим контроль рабочих параметров микроинверторов и согласование фаз вырабатываемого ими переменного тока для его передачи в общественную энергосеть. Недостатком прототипа является усложненное схемотехническое решение СОМ, в котором в силу использования микроинверторов необходимо использовать внешний управляющий прибор для согласования фаз переменного тока, а также невысокую эффективность микроинверторов (93-94%) в сравнении с инверторами промышленного класса. Также последовательное соединение микроинверторов не позволяет отключить поврежденный или вышедший из строя ФЭМ или микроинвертор без существенного вмешательства в электросхему ФЭС, что усложняет реализацию внешнего удаленного управления.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении эффективности преобразования электрической энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими станциями в электроэнергию промышленной частоты, увеличении вырабатываемой ФЭС мощности и повышении эффективности расходования дорогостоящих ресурсов.
Данная задача решается за счет использования для отбора мощности от ФЭМ параллельно скоммутированных повышающих преобразователей (ПП), увеличивающих вырабатываемое ФЭМ постоянное напряжение до значений 600-700 В, которые имеют эффективность не менее 96% и выполнены по резонансной схеме с реализацией за счет цифрового управления алгоритмов самодиагностики, контроля состояния ФЭМ и алгоритма слежения за точкой максимальной мощности ФЭМ, с возможностью включения ФЭС в информационную сеть для мониторинга параметров ФЭМ и преобразователей, а также для преобразования постоянного напряжения вырабатываемого ФЭП в электроэнергию промышленной частоты используется мощный инвертор промышленного класса с возможностью внешнего управления.
Предложенная система отбора мощности фотоэлектрической станции имеет следующие отличительные особенности:
- для отбора мощности от ФЭМ используются скоммутированные параллельно повышающие преобразователи, увеличивающие вырабатываемое ФЭМ постоянное напряжение до значений 600-700 В и снижающие потери на передачу электроэнергии между элементами СОМ в 9,7 раза;
- повышающие преобразователи выполнены по резонансной схеме с цифровым управлением и имеют эффективность не менее 96%;
- в повышающих преобразователях реализован алгоритм слежения за точкой максимальной мощности ФЭМ под управлением микроконтроллера, что увеличивает эффективность отбора мощности ФЭМ на 25% и объединение в информационную сеть для мониторинга параметров ФЭМ и самодиагностики;
- для преобразования постоянного напряжения, вырабатываемого ФЭМ в электроэнергию промышленной частоты массив последовательно соединенных микроинверторов заменен на мощный инвертор промышленного класса с возможностью внешнего управления.
Использование в составе СОМ повышающего преобразователя, обеспечивающего повышение постоянного напряжения, вырабатываемого в процессе эксплуатации ФЭМ, для его дальнейшей высокоэффективной передачи и преобразования представляется перспективным путем повышения эффективности системы отбора мощности. При этом, поскольку в зависимости от дневного изменения солнечного излучения изменяется и вырабатываемая ФЭМ электрическая мощность, то конструктивное решение повышающего преобразователя и СОМ должно разрабатываться с учетом всего диапазона преобразуемой электрической мощности.
По результатам компьютерного моделирования и макетирования показано, что наилучшими схемотехническим решениями являются мостовой резонансный преобразователь и трехкаскадный параллельно-последовательный преобразователь, содержащий два резонансных преобразователя и понижающе-повышающий преобразователь. Данные схемотехнические решения обеспечивают наивысший КПД во всем диапазоне рабочих входных параметров, а также простоту реализации системы управления транзисторами, включая возможность применения специализированных интегральных микросхем. Высокое значение КПД сводит к минимуму трудности реализации охлаждения преобразователя. Выбор максимальной входной мощности и входного напряжения преобразователя, соответствующих параметрам одного ФЭМ является оптимальным, так как позволяет применять специализированные интегральные микросхемы и дешевые транзисторы, используемые в автомобильной и компьютерной технике, а также позволяет организовать простую систему охлаждения силовых компонентов. Другим положительным свойством работы преобразователя на один ФЭМ является более полное использование мощности светового потока и возможность удаленного мониторинга состояния каждого ФЭМ.
Учитывая широкий диапазон коэффициента передачи повышающего преобразователя в рабочих диапазонах входных и выходных напряжений, большее число активных и пассивных компонентов при реализации трехкаскадного параллельно-последовательного преобразователя, выбор схемотехнического решения регулируемого мостового резонансного преобразователя является оптимальным по соотношению стоимости реализации, числа компонентов и технических характеристик преобразователя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена функциональная электрическая схема предлагаемого технического решения.
Согласно функциональной схеме (фиг. 1) предложенное решение повышающего преобразователя реализуется следующим образом. Напряжение с фотоэлектрического модуля 1 поступает на вход повышающего преобразователя 2. Формирование параметров преобразователя и переключение транзисторов осуществляется посредством цифрового микроконтроллера 3 (МК). Сигнал управления на затворы транзисторов 4, 5, 6, 7 (VT1-VT4) поступают из микроконтроллера 3 через драйверы 8, 9, 10, 11 (Др.1-Др.4). Транзисторы в пределах каждого плеча моста переключаются синхронно. Питание драйверов и микроконтроллера осуществляется через стабилизированный понижающий преобразователь постоянного напряжения собственных нужд 12 (DC-DC). Микроконтроллер 3 измеряет выходной ток ФЭМ посредством шунта 13 (R3) и усилителя 14, выходное напряжение ФЭМ через делитель на резисторах 14, 15 (R1-R2). Микроконтроллер 3 на выходах Г1 и Г2 формирует два противофазных меандра для переключения транзисторов с необходимой частотой и время задержки между переключениями диагоналей моста («мертвое» время). Напряжение средней точки полумоста транзисторов 4, 5 (VT1 и VT2) используется при определении адаптивного «мертвого» времени (минимального достаточного) для максимальной эффективности преобразователя. Через делитель на резисторах 17, 18 (R4) и (R5) это напряжение поступает на компаратор микроконтроллера. Дополнительная обмотка 19 (N1) трансформатора 21 (Т), подключенная к выпрямительному мосту 20 (VD1) с RC фильтром 27 (С2) 26 (R6), служит для контроля выходного напряжения преобразователя и, совместно с сигналом напряжения средней точки полумоста, участвует в алгоритме детектирования приближения к емкостному характеру тока резонансной LLC цепи, образованной дросселем 21 (L1), конденсатором 22 (С1) и обмоткой трансформатора N3. Детектирование приближения к емкостному характеру тока резонансной цепи крайне необходимо при запуске преобразователя, а также при относительно резких изменениях величины напряжения на выходе преобразователя - сети постоянного тока 600 В - 700 В.
Резонансная индуктивность включает в себя индуктивность дросселя 21 (L1) и индуктивность рассеяния трансформатора 23 (Т1). Выходное напряжение с трансформатора поступает на выпрямитель, образованный диодным мостом 24 (VD2) и конденсатором 25 (С3). Выходное напряжение выпрямителя является выходным напряжением повышающего преобразователя.
1
2
Выходы всех повышающих преобразователей ПП, ПП, … ППn соединены параллельно и подключены к инвертору 28, преобразующему постоянное напряжение в электроэнергию промышленной частоты.
Отслеживание точки максимальной мощности ФЭМ (МРРТ) осуществляется микроконтроллером по алгоритму «Возмущение и наблюдение». Микроконтроллер вычисляет входную мощность преобразователя, далее на небольшую величину изменяет входное сопротивление изменением частоты коммутации транзисторов, вследствие чего изменяется входное напряжение и вычисляет мощность. Если мощность увеличивается - контроллер продолжает изменять напряжение в этом же направлении, пока мощность не перестанет увеличиваться. Цифровое управление преобразователем позволяет осуществлять алгоритм отслеживания точки максимальной мощности «Возмущение и наблюдение», формирование адаптивного «мертвого» времени, детектирование тока емкостного характера в нагрузке моста. С помощью микроконтроллера становится возможной реализация информационной проводной или беспроводной сети, например, RS-485 или ZigBee, для мониторинга параметров ФЭМ и преобразователей, предоставления оперативной информации о неисправностях и т.д.
Применение регулируемого мостового резонансного повышающего преобразователя позволяет добиться высоких значений эффективности преобразования до 96%. Высокое значение эффективности достигается за счет применения цифрового управления повышающим преобразователем и открывает широкие возможности для создания алгоритмов управления, обеспечивающих надежность и эффективность преобразования, быстрое и точное нахождение точки максимальной мощности.
Использование в составе в СОМ разработанных повышающих преобразователей позволит снизить протекающие в большей части СОМ токи, и, соответственно, пропорционально квадрату тока существенно снизить потери мощности при ее передаче между элементами СОМ. В случае построения СОМ с применением повышающих преобразователей, система включает в себя следующие участки, на которых будут наблюдаться потери в СОМ:
пот. ФЭМ-DC
- участок проводного соединения ФЭМ и повышающего преобразователя (Р);
пот. DC
- непосредственно повышающий преобразователь (Р);
пот. DC-Инв
- участок проводного соединения повышающего преобразователя и инвертора (Р);
пот. инв
- инвертор (Р).
На фиг. 2 приведены зависимости рассчитанной величины потерь мощности с использованием повышающих преобразователей (сплошная линия) по сравнению с ФЭС без повышающих преобразователей (пунктирная линия). На фиг. 3 приведены зависимости рассчитанной величины КПД СОМ ФЭС с использованием повышающих преобразователей (сплошная линия) по сравнению с ФЭС без повышающих преобразователей (пунктирная линия).
Потери в повышающем преобразователе рассчитывались исходя из рассчитанного КПД такого прибора, составляющего 96%. Показано, что потери на участках СОМ возрастают с ростом тока ФЭМ, однако величины потерь значительно меньше в связи с меньшими значениями токов на участке после повышающего преобразователя.
По результатам проведенных расчетов СОМ можно сделать вывод, что использование в такой системе повышающих преобразователей позволяет значительно снизить потери мощности в СОМ и, следовательно, повысить КПД системы. Указанное приведет к дополнительному росту полезной мощности, отдаваемой потребителю через инвертор. Стоит также отметить, что КПД остается почти неизменным при широком диапазоне освещенности ФЭМ, которая будет изменяться в зависимости от погодных и сезонных условий.
Работоспособность предлагаемого конструктивного решения системы отбора мощности на основе повышающих преобразователей проверена в серии экспериментов. Также проведенный расчет системы отбора мощности фотоэлектрической станции с применением разработанных повышающих преобразователей показал, что КПД такой системы в широком диапазоне освещенности ФЭМ находится на уровне 92%, что значительно больше, чем для классических систем отбора мощности, эффективность которых находится на уровне 70%.
Таким образом, использование заявленной полезной модели позволяет повысить эффективность работы фотоэлектрической станции, увеличивая вырабатываемую ею мощность и повышая эффективность расходования дорогостоящих ресурсов.