Испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии
TEST BENCH FOR POWER ELECTRICITY CONVERTERS OF DISTRIBUTED MICRO POWER SUPPLY SYSTEMS WITH ALTERNATIVE POWER SOURCES

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для исследовательских испытаний экспериментальных образцов преобразователей электроэнергии мощностью до 15 кВт, для разработки и верификации систем управления распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии, для обучения магистрантов по направлению «Электроэнергетика и электротехника» в рамках выполнения научно - исследовательских и лабораторных работ.
Известен «Стенд моделирования режимов работы системы автоматического управления электрогенерирующим оборудованием, использующим альтернативные источники энергии» (Патент РФ №156001, МПК G09B 23/18, дата приоритета 10.07.2015, дата публикации 27.10.2015), содержащий ЭВМ оператора, три контроллера, модуль имитации ветрогенератора электрической энергии (в составе аккумуляторной батареи, источника питания, контактных линий, регулятора сопротивления контактных линий), солнечной батареи, портативной метеостанции, аккумуляторной батареи, релейного блока. ЭВМ оператора, контроллеры и устройства соединены между собой общей шиной обмена данными. Программирование контроллеров осуществляется с ЭВМ оператора по шине обмена данными. Стенд позволяет имитировать различные режимы автоматического управления электрогенерирующим оборудованием, использующим альтернативные источники энергии с использованием одного, двух и трех контроллеров. На задействованный в процессе имитации контроллер (контроллеры) поступают сигналы от портативной метеостанции и аккумуляторной батареи. В свою очередь, управляющие сигналы с контроллера (контроллеров) поступают на релейный блок. Ключевыми недостатками данного стенда являются: отсутствие силового преобразовательного оборудования, применяемого в микроэнергосистемах, отсутствие возможности моделирования взаимодействия с другими микроэнергосистемами.
Известен «Испытательный стенд для проведения электрических и тепловых испытаний преобразователей частоты и другого электротехнического оборудования» производства АО «СПИК СЗМА» (РФ) содержащий измерительное оборудование, силовые преобразователи и нагрузочное оборудование для испытания преобразовательной техники мощностью от 50 до 700 кВт, в том числе в режиме рекуперации. Недостатками данного стенда являются недостаточные функциональные возможности в области испытаний силовых преобразователей для распределенных микроэнергосистем: отсутствие возможности формирования на базе стенда микроэнергосистемы с распределенной генерацией электроэнергии, отсутствие возможности испытаний силовых преобразователей малой мощности (до 15 кВт), применяемых в микроэнергосистемах, отсутствие возможностей отработки алгоритмов управления микроэнергосистемой и моделирования взаимодействия с другими микроэнергосистемами.
Наиболее близким из известных аналогов является «Лабораторный стенд электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии» (Патент РФ №185802, МПК G09B 23/18, G09B 23/188, дата приоритета 25.06.2018, дата публикации 19.12.2018), содержащий программируемый логический контроллер, информационную шину обмена данными, фотоэлектрическую установку, ветроэнергетическую установку, блок накопителей электрической энергии, контроллер заряда, блок источника питания, блоки резистивной нагрузки и асинхронного электродвигателя, измерительные модули; все блоки стенда объединены электрически через распределительные шины переменного тока и информационно через общую шину обмена данными с программируемым логическим контроллером, с использованием устройства дискретного и аналогового ввода/вывода. Техническим результатом известного аналога является получение экспериментальных зависимостей тока и напряжения от времени для разных режимов работы сети, которые могут быть масштабированы и применены при проектировании реальных электротехнических комплексов виртуальной электростанции. Недостатками известного аналога являются: отсутствие возможности проведения исследовательских испытаний новых (разработанных) экспериментальных образцов преобразовательной техники, в том числе для устройств микроэнергетических систем и систем энергоснабжения зданий с нулевым энергопотреблением; отсутствие технических средств для разработки и верификации новых алгоритмов для мультиагентных систем управления микроэнергетическими системами; не предусмотрена возможность замены оборудования, выполняющего функции альтернативных генераторов электрической энергии и инверторов в целях проведения сравнительного анализа эффективности работы.
Задачи, решаемые изобретением - проверка технических и функциональных характеристик новых (разработанных) силовых преобразователей электроэнергии, оценка эффективности работы ветроэнергетических и фотоэлектрических установок различных типов в рамках распределенных микроэнергосистем, разработка и верификация алгоритмов управления распределенной микроэнергосистемой и группой микроэнергосистем (в том числе с мультиагентными системами управления) в части генерации, накопления, потребления и распределения электроэнергии. Решение этих задач важно для создания и ввода в эксплуатацию различных типов новых интеллектуальных преобразователей электроэнергии, совершенствования методов проектирования и управления распределенными микроэнергосистемами с альтернативными источниками энергии и группами микроэнергосистем.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей в области испытаний экспериментальных образцов преобразователей электроэнергии для распределенных микроэнергосистем, а также в области разработки и верификации систем управления распределенных микроэнергосистем.
Сущность технического решения заключается в том, что испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии, содержащий ветроэнергетическую установку, фотоэлектрическую установку, контроллер заряда, блок накопителей электрической энергии, информационные шины обмена данными, распределительные шины переменного тока, измерительные модули, отличается тем, что в его состав введен гибридный инвертор для заряда блока накопителей энергии от альтернативных источников электрической энергии и для обеспечения электрического питания стенда (имитации сетевого напряжения) при автономной работе, введены дополнительные силовые преобразователи (первичный сетевой инвертор и управляемый сетевой инвертор) для формирования распределительной шины постоянного тока, внешние разъемы для подключения исследуемых нагрузочных и генераторных устройств по шине постоянного тока, при этом шина постоянного тока формируется первичным сетевым преобразователем при работе стенда от сетевого напряжения или управляемых сетевым инвертором при автономной работе, введено универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей для обеспечения возможности установки новых силовых преобразователей в стенд для проведения испытаний, введен программно-аппаратный комплекс, состоящий из маршрутизатора и микрокомпьютеров, для имитационного моделирования взаимодействия стенда с другими микроэнергосистемами.
Введенные дополнительные силовые преобразователи (первичный сетевой инвертор и управляемый сетевой инвертор) для формирования распределительной шины постоянного тока 500-800 В и разъемы для подключения к ней облегчают подключение дополнительных устройств к энергосистеме испытательного стенда. При современном уровне развития элементной базы шина постоянного тока является наиболее удобным местом подключения накопителей энергии, генераторов энергии из возобновляемых источников (солнечных батарей, ветрогенераторов), дает возможность подключения нагрузки без дополнительного преобразования энергии, поскольку значительная часть потребительских устройств (не по мощности, но по количеству) потребляет энергию в виде постоянного напряжения и тока, а также обеспечивает гибкое масштабирование мощности микроэнергосистемы испытательного стенда.
Введенный гибридный инвертор представляет собой обратимый силовой преобразователь с компьютерным управлением с тремя силовыми входами/выходами: сетевого напряжения переменного тока 220/380 В, 50 Гц, напряжения постоянного тока от альтернативных источников энергии 400-900 В, напряжения постоянного тока для зарядки накопителей энергии 48 В. За счет наличия гибридного инвертора обеспечиваются различные режимы электрического питания испытательного стенда при исследовательских испытаниях силовых преобразователей:
при наличии сетевого напряжения обеспечивает заряд аккумуляторных батарей через контроллер заряда, при этом со стороны напряжения постоянного тока гибридный инвертор подключается к общей шине постоянного тока, таким образом энергия от альтернативных источников энергии может использоваться как для питания нагрузки, так и для зарядки аккумуляторных батарей;
при автономной работе имитирует сетевое напряжение переменного тока 220/380 В используя энергию, накопленную в аккумуляторных батареях и энергию альтернативных источников энергии.
Введенное универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей обеспечивает возможность замены испытуемых силовых преобразователей и установки новых образцов преобразовательной техники для исследовательских испытаний, оборудовано системой установочных отверстий, карабинов и Din-реек, что обеспечивает быструю установку и демонтажа силовых преобразователей с различными схемами силового подключения к энергосистеме стенда.
Введенный программно-аппаратный комплекс, состоящий из маршрутизатора и микрокомпьютеров, позволяет моделировать взаимодействие микроэнергосистемы испытательного стенда с другими микроэнергосистемами и производить разработку и верификацию новых алгоритмов управления группами распределенных микроэнергосистем. Для этого на микрокомпьютерах реализуются имитационные математические модели микроэнергосистем, расчет которых выполняется в режиме реального времени. Информационный обмен с испытательным стендом осуществляется через маршрутизатор по сети Ethernet.
Описанные признаки изобретения в совокупности обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Сущность поясняется фигурами, где
на фиг. 1 представлена структурная схема испытательного стенда при работе от сетевого напряжения;
на фиг. 2 представлена структурная схема испытательного стенда при автономной работе.
На фиг. 1 и фиг. 2 сплошными стрелками обозначены силовые каналы связи компонентов испытательного стенда, пунктирными стрелками - информационные.
Испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии (далее - испытательный стенд) содержит силовой распределительный шкаф 1, шкаф испытуемых преобразователей 2, автоматизированное рабочее место верхнего уровня (далее - АРМ ВУ) 3, программно-аппаратный комплекс имитации взаимодействия с микроэнергосистемами (далее - HiL-симулятор) 4, ветроэнергетическую установку 5, фотоэлектрическую установку со встроенным управляемым силовым преобразователем 6.
В силовом распределительном шкафу установлены разъем трехфазного сетевого напряжения переменного тока 7, первичный сетевой преобразователь 8, гибридный инвертор 9, контроллер заряда J 0, блок накопителей энергии 11, повышающий DC-DC преобразователь 12, внешние разъемы трехфазного напряжения переменного тока 13, 14, внешние разъемы напряжения постоянного тока 15,16, коммутационное оборудование.
В шкафу испытуемых преобразователей установлены управляемый сетевой инвертор 17, управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18, внешние разъемы трехфазного напряжения переменного тока 19, 20, 21, 22, внешние разъемы напряжения постоянного тока 23, 24, 25, коммутационное оборудование, измерительное оборудование, универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей 26, разъем напряжения переменного тока 27 для подключения ветроэнергетической установки, разъем напряжения постоянного тока 28 для подключения фотоэлектрической установки. АРМ ВУ включает в себя четыре интерфейсных контроллера сети CAN 29 и персональный компьютер 30 со специализированным программным обеспечением. HiL-симулятор включает в себя маршрутизатор 31, управляющий микрокомпьютер 32, набор управляемых микрокомпьютеров 33.
Силовые преобразователи испытательного стенда: первичный сетевой преобразователь 8, гибридный инвертор 9, управляемый сетевой инвертор 17 и управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18 представляют собой управляемые обратимые преобразователи электрической энергии. Б их составе имеются управляющий микроконтроллер, датчики фазных токов и напряжений, датчики тока и напряжения звена постоянного тока. Гибридный инвертор 9 имеет дополнительный выход напряжения постоянного тока для заряда накопителей электроэнергии.
Стенд имеет возможности подключения ветроэнергетической установки с выходным напряжением переменного тока до 56 В, солнечной панели с выходным напряжением постоянного тока до 900 В при наличии встроенного DC-DC преобразователя, различных типов нагрузок постоянного или переменного тока мощностью до 10 кВт, замены штатных образцов управляемого сетевого инвертора 17 и управляемого AC/DC преобразователя ветрогенератора 18 на испытуемые преобразователи электроэнергии мощностью до 15 кВт или установки дополнительных образцов преобразовательной техники на универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей 26.
Универсальное установочное место испытуемых силовых преобразователей 26 имеет размеры 600×1200×350 мм (ШхВхГ) с возможностью крепления преобразователей как на монтажную панель, Din-рейку, так и посредством подвеса; с максимальным весом оборудования до 350 кг. Для обеспечения информационного обмена с АРМ ВУ испытательного стенда испытуемые преобразователи должны поддерживать информационный обмен по сети CAN.
HiL-симулятор 4 предусматривает одновременную работу семи управляемых микрокомпьютеров, из которых пять имитируют устройства микроэнергосистемы (с возможностью увеличения их количества).
Ниже приведено описание силовых каналов связи испытательного стенда при питании от трехфазной сети переменного тока 220/380 В 50 Гц, соответствующее фиг. 1.
Оборудование силового распределительного шкафа I соединяется следующим образом. Разъем трехфазного сетевого напряжения переменного тока 220/380 В 50 Гц 7 подключается к гибридному инвертору 9, первичному сетевому преобразователю 8 и разъему переменного тока 14. Выход первичного сетевого преобразователя 8 является шиной напряжения постоянного тока и подключается к разъему 15. К разъему напряжения постоянного тока 16 и входу постоянного тока гибридного инвертора 9 подключается повышающий DC-DC преобразователь 12. Контроллер заряда/разряда 10 подключается к блоку накопителей энергии 11. Разъем напряжения переменного тока 13 не используется.
Силовой распределительный шкаф 1 соединяется со шкафом испытуемого оборудования 2 следующим образом. Шина напряжения постоянного тока соединяется через разъемы 15 и 23. Шина напряжения переменного тока соединяется через разъемы 14 и 20. Разъем напряжения постоянного тока 16 подключается к разъему напряжения постоянного тока 25.
Оборудование шкафа испытуемого оборудования 2 соединяется следующим образом. Разъем напряжения постоянного тока 23 подключен к входу управляемого сетевого инвертора 17 и разъему напряжения постоянного тока 24. Выход управляемого сетевого инвертора 17 подключен к разъему напряжения переменного тока 21. Разъем напряжения переменного тока 20 подключается к разъему напряжения переменного тока 22. Разъем напряжения постоянного тока 25 подключается к управляемому AC/DC преобразователю ветрогенератора 18 со стороны напряжения постоянного тока и разъему напряжения постоянного тока 28. Управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18 со стороны напряжения переменного тока подключается к разъему напряжения переменного тока 27. Разъем напряжения переменного тока 19 не используется.
К разъему напряжения постоянного тока 28 подключается фотоэлектрическая установка со встроенным управляемым силовым преобразователем 6. К входу напряжения переменного тока 27 подключается ветроэнергетическая установка 5.
Ниже приведено описание силовых каналов связи испытательного стенда при автономной работе, соответствующее фиг. 2.
Оборудование силового распределительного шкафа 1 соединяется следующим образом. Первичный сетевой преобразователь 8 подключается к разъему переменного тока 13 и к разъему постоянного тока 15. Гибридный инвертор 9 со стороны переменного тока подключается к разъему переменного тока 14. Со стороны постоянного тока гибридный инвертор 9 подключается к DC-DC преобразователю 12 и контроллеру заряда/разряда 10. DC-DC преобразователь 12 подключается к разъему постоянного тока 16. Контроллер заряда/разряда 10 подключается к блоку накопителей энергии 11. Вход трехфазного сетевого напряжения переменного тока 220/380 В 50 Гц 7 не используется.
Силовой распределительный шкаф 1 соединяется со шкафом испытуемого оборудования 2 следующим образом. Шина напряжения постоянного тока соединяется через разъемы 15 и 23. Шина напряжения переменного тока соединяется через разъемы 14 и 20. Разъем напряжения постоянного тока 16 подключается к разъему напряжения постоянного тока 25. Разъем напряжения переменного тока 13 подключается к разъему напряжения переменного тока 19.
Оборудование шкафа испытуемого оборудования 2 соединяется следующим образом. Шина напряжения переменного тока через разъем 20 подключается к управляемому сетевому инвертору 17 и разъему напряжения переменного тока 22. Выход постоянного тока управляемого сетевого инвертора 17 является шиной постоянного тока и подключается к разъемам напряжения постоянного тока 23 и 24. Разъем напряжения переменного тока 19 подключается к разъему напряжения переменного тока 21. Разъем напряжения постоянного тока 25 подключается к управляемому AC/DC преобразователю ветрогенератора 18 со стороны напряжения постоянного тока и к разъему напряжения постоянного тока 28. Управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18 со стороны напряжения переменного тока подключается к разъему напряжения переменного тока 27.
К разъему напряжения постоянного тока 28 подключается фотоэлектрическая установка со встроенным управляемым силовым преобразователем 6. К разъему напряжения переменного тока 27 подключается ветроэнергетическая установка 5.
Ниже приведено описание информационных каналов связи испытательного стенда. Информационные связи компонентов испытательного стенда не зависят от типа электрического питания силовой части испытательного стенда.
АРМ ВУ 3 взаимодействует с первичным сетевым преобразователем 8, гибридным инвертором 9, управляемым сетевым инвертором 17, управляемым AC/DC преобразователем ветрогенератора 18 и встроенным управляемым силовым преобразователем фотоэлектрической установки 6 посредством информационного обмена между ними и персональным компьютером 30 со специализированным программным обеспечением. Взаимодействие с первичным сетевым преобразователем 8 осуществляется по сети CAN через интерфейсный контроллер 29.1. Взаимодействие с управляемым сетевым инвертором 17 осуществляется по сети CAN через интерфейсный контроллер 29.2. Взаимодействие с управляемым AC/DC преобразователем ветрогенератора 18 осуществляется по сети CAN через интерфейсный контроллер 29.3. Взаимодействие с встроенным силовым преобразователем фотоэлектрической установки 6 осуществляется по сети CAN через интерфейсный контроллер 29.4. Взаимодействие с гибридным инвертором 9 осуществляется по шине USB 2.0.
Взаимодействие АРМ ВУ 3 с микрокомпьютерами 32, 33 HiL-симулятора 4 осуществляется по сети Ethernet через маршрутизатор 31.
При питании от трехфазной сети переменного тока 220/380 В 50 Гц силовая подсистема испытательного стенда функционирует следующим образом. Первичный сетевой преобразователь 8 преобразует сетевое напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока (формирует шину напряжения постоянного тока), которое подается на управляемый сетевой инвертор 17 и/или используется для подключения нагрузки постоянного тока через разъем 24. Управляемый сетевой инвертор 17 преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока, позволяя регулировать амплитуду, фазу и частоту тока нагрузки переменного тока, подключаемой через разъем 21. Сетевое напряжение перемен но го тока также передается на разъем 22, к которому может быть подключена нагрузка переменного тока. Напряжение переменного тока от ветроэнергетической установки 5 подается на управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18, который преобразует его в напряжение постоянного тока. Напряжение постоянного тока от управляемого AC/DC преобразователя ветрогенератора 18 и фотоэлектрической установки со встроенным силовым преобразователем 6 подается на повышающий DC/DC преобразователь 12, который повышает его до уровня входного напряжения постоянного тока гибридного инвертора 9. Гибридный инвертор выполняет функцию заряда аккумуляторных батарей блока накопителей электроэнергии 11 через контроллер заряда 10, причем заряд может производиться как от сетевого напряжения, так и от напряжения, полученного от альтернативных источников энергии.
При сетевом питании также может быть организован режим электрического питания одновременно от сети и, при необходимости, от альтернативных источников энергии 5, 6 и блока накопителей энергии 11 через гибридный инвертор 9. Для этого гибридный инвертор 9 со стороны постоянного тока подключается к общей шине постоянного тока через разъем 15.
При автономной работе силовая подсистема испытательного стенда функционирует следующим образом. Гибридный инвертор 9 вырабатывает сетевое напряжение переменного тока, выполняя функцию физической модели сети. Питание гибридного инвертора осуществляется от блока накопителей электроэнергии 11 и альтернативных источников энергии 5, 6. Напряжение переменного тока от гибридного инвертора 9 подается на управляемый сетевой инвертор 17 и/или используется для подключения нагрузки переменного тока на сетевое напряжение через разъем 22. Управляемый сетевой инвертор 17 преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока (формирует шину постоянного тока), которое используется для подключения нагрузки постоянного тока через разъем 24 и подается на вход первичного сетевого преобразователя S. Первичный сетевой преобразователь 8 преобразует напряжение постоянного тока в напряжение переменного тока с регулируемой амплитудой и частотой, которое используется для подключения нагрузки переменного тока через разъем 21. Управляемый AC/DC преобразователь ветрогенератора 18 и повышающий DC/DC преобразователь 12 выполняют те же функции, что и при работе испытательного стенда от сетевого напряжения. При автономной работе гибридный инвертор 9 также используется для заряда аккумуляторных батарей блока накопителей электроэнергии 11 через контроллер заряда 10 от альтернативных источников энергии 5, 6.
Информационная подсистема испытательного стенда функционирует следующим образом. АРМ ВУ 3 получает от силовых преобразователей испытательного стенда по сети CAN данные о токе и напряжении звена постоянного тока преобразователя, фазных токах и напряжениях на стороне переменного тока и мощности, передаваемой через соответствующий преобразователь. В обратном направлении передаются коды управляющих команд для систем управления силовых преобразователей. Специализированное программное обеспечение персонального компьютера 30 позволяет осуществлять мониторинг токов, напряжений и мощностей силовых преобразователей, снимать экспериментальные характеристики силовых преобразователей при работе в различных режимах, разрабатывать и тестировать алгоритмы управления распределенной микроэнергосистемой испытательного стенда. Сведения о вырабатываемых и потребляемых мощностях в микроэнергосистеме испытательного стенда передаются в управляющий микрокомпьютер 32 HiL-симулятора 4, через маршрутизатор 31 по сети Ethernet. На управляемых микрокомпьютерах 33 реализованы имитационные математические модели микроэнергосистем, моделирующиеся в режиме реального времени. Сведения о доступной мощности, мощность, потребляемой мощности, заряде батареи в %, емкости батареи потребляемая мощности первого приоритета, от управляемых микрокомпьютеров 33 передаются в управляющий микрокомпьютер 32 через маршрутизатор 31 по сети Ethernet. Специализированное программное обеспечение управляющего микрокомпьютера 32 позволяет осуществлять мониторинг доступной мощности, мощность, потребляемой мощности, заряде батареи в %, емкости батареи потребляемая мощности первого приоритета всех подключенных моделей микроэнергосистем и микроэнергосистемы испытательного стенда, разрабатывать и тестировать алгоритмы управления группой распределенных микроэнергосистем.
Таким образом, предлагаемый испытательный стенд для силовых преобразователей электроэнергии распределенных микроэнергосистем с альтернативными источниками энергии позволяет:
- исследовать работу силовых преобразователей и микроэнергосистемы в целом при различных типах электрического питания (от сетевого напряжения, от сетевого напряжения совместно с накопителями энергии и альтернативными источниками энергии) за счет наличия гибридного инвертора;
- исследовать работу силовых преобразователей и микроэнергосистемы в целом при подключении различных типов нагрузок переменного и постоянного тока мощностью до 10 кВт за счет наличия двух управляемых сетевых преобразователей, формирующих общую шину постоянного тока и выходное напряжение переменного тока, а также соответствующих силовых разъемов;
- исследовать эффективность работы ветроэнергетических и фотоэлектрических установок в рамках микроэнергосистемы;
- устанавливать и проводить исследовательские испытания новых образцов преобразовательной техники мощностью до 15 кВт с информационным обменом по сети CAN за счет наличия универсального установочного места испытуемых силовых преобразователей, оборудованного системой установочных отверстий, карабинов и Din-реек;
- разрабатывать и исследовать алгоритмы для мультиагентных систем управления микроэнергетическими системами за счет наличия HiL-симулятора, позволяющего моделировать взаимодействие
- микроэнергосистемы стенда с другими микроэнергосистемами, которые реализуются в виде математических моделей на микрокомпьютерах HiL-симулятора.