Підвищення якості електричної енергії в мережі з сонячними електростанціями в режимі зниження генерованої потужності

Abstract

Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів для покращення показників якості електричної енергії генерованої сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж, а саме дозволяє знизити долю емісії вищих гармонік струмів та реактивної потужності. Метою дисертаційної роботи є підвищення показників якості електричної енергії генерованої сонячною електростанцією до трифазних електричних мереж в режимі зниження генерованої потужності. Об'єкт дослідження – процес передачі електричної енергії до трифазних електричних мереж сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. Предмет дослідження – параметри якості електричної енергії в мережах з сонячними електростанціями в режимі зниженої генерованої потужності. У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації, визначені задачі дослідження, показано зв’язок роботи з науковими темами, наведено дані про наукову новизну, практичне значення, апробацію результатів та публікації. У першому розділі виконано аналіз енергетичних параметрів сонячних електростанцій: залежностей генерованої потужності сонячних панелей від сонячної радіації та температури, аналіз характеристик деградації сонячних панелей, проведено огляд конфігурацій сонячних панелей в складі сонячних електростанцій та напівпровідникових перетворювачів силових схем напівпровідникових перетворювачів, що забезпечують процеси відбору максимальної потужності сонячних панелей та передачу потужності до трифазних електричних мереж. Проведено аналіз вимог вітчизняних та міжнародних стандартів щодо вимог параметрів якості електричної енергії та вимоги до емісії вищих гармонік струмів, генерованих сонячними електростанціями до трифазних електричних мереж. Представлено проблему зниження якості електроенергії, генерованою сонячними електростанціями при зниженні рівня генерованої потужності. Поставлено завдання до наступних розділів. У другому розділі запропоновано структури сонячних електростанцій, що забезпечують передачу потужності від блоків сонячних панелей до трифазних електричних мереж на базі інвертора напруги та інвертора струму. Досліджено роботу узгоджуючих DC/DC перетворювачів, що забезпечують режим відбору максимальної потужності. Синтезовано математичну модель ВАХ сонячних панелей та систему відбору максимальної потужності, що реалізується DC/DC перетворювачем. Запропоновано системи прямого та непрямого визначення точки максимальної потужності, що може бути відібрана перетворювачами від сонячних панелей. Запропоновано компенсаційний алгоритм керування узгоджуючими перетворювачами сонячної електростанцій, що забезпечує зниження пульсацій напруги ланок постійного струму сонячної електростанції, яка є живлячою напругою мережевого інвертора, чим досягається покращення якості електроенергії генерованої до трифазних електричних мереж. У третьому розділі виконано дослідження особливостей роботи мережевих інверторів сонячної електростанції, що забезпечують передачу електричної енергії в трифазні електричні мережі в режимі зниження генерованої потужності. Запропоновано систему керування мережевим інвертором струму фотоелектричної електростанції (ФЕС), що забезпечує передачу електроенергії з коефіцієнтом потужності близьким до одиниці та формою струмів близьких до синусоїдальних. Визначені аналітичні залежності, що визначають залежності параметрів якості генерованої електричної енергії від генерованої потужності. Запропоновано методи підвищення параметрів якості електроенергії в режимі зниження генерованої потужності. У четвертому розділі виконано розробку комп’ютерної імітаційної моделі, що описує енергетичні процеси в сонячній електростанції з узгоджуючим перетворювачем та мережевим інвертором. Проведено дослідження параметрів якості електричної енергії, що генерується сонячними електростанціями до трифазної електричної мережі. Визначена аналітична умова реалізації коефіцієнту потужності близького до одиниці в режимі зниження рівня генерованої потужності. Отримані результати комп'ютерного моделювання процесу передачі електроенергії від сонячної електростанції на базі трифазного інвертора струму та інвертора напруги з ШІМ до трифазної електричної мережі підтвердили реалізацію високих показників якості електроенергії, генерованої до трифазної електричної мережі, в режимі зниження генерованої потужності. В п’ятому розділі виконано дослідження мережевого інвертора ФЕС , що працює в режимі автономного живлення. Визначено вимоги, що пред’являються до параметрів напруги генерованої сонячної електростанції та проведено аналіз схемних рішень інверторів, що задовольняють вказані вимоги. Визначено, що при реалізації в ФЕС автономного живлення дворівневого інвертора напруги та застосування LC фільтра можливим є виникнення значення пускового струму, зумовленого зарядом конденсатора фільтра, що може спричинити вихід з ладу силових транзисторів мережі. Розроблена методики розрахунку LC фільтра, яка дозволяє визначити параметрів фільтра за критеріями обмеження пускового струму та забезпечення потрібної якості вихідної напруги. Для підтвердження розробленої методики виконано комп’ютерне моделювання та проведені фізичні досліді. У висновках наведено основні результати роботи щодо вирішення поставлених задач дослідження. В дисертації отримані наступні наукові результати: 1. Отримано подальшого розвитку метод непрямого визначення точки максимальної потужності сонячних панелей, який відрізняється від відомих визначенням максимальної вихідної напруги узгоджувальних перетворювачів при фіксованому значенні вихідного струму, що дає можливість спростити системи керування фотоенергетичної системи, апаратну реалізацію системи керування узгоджуючими перетворювачами та знижує її вартість. 2. Вперше запропоновано метод компенсаційного керування узгоджуючими перетворювачами сонячних електростанцій, що реалізує взаємну синхронізацію каналів керування окремих узгоджуючих перетворювачів в системі відбору потужності та на відміну від відомих забезпечує взаємну компенсацію пульсацій напруги в ланці постійного струму сонячної електростанції від окремих узгоджуючих перетворювачів, що дозволяє досягти зниження пульсацій напруги в ланці постійного струму, чим досягається подальше покращення якості електроенергії генерованої до трифазної електричної мережі. 3. Вперше запропоновано метод частотно-адаптивного керування мережевим інвертором напруги сонячної електростанція, який на відміну від відомих дозволяє забезпечити покращенні показники якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі в режимі зниження генерованої потужності. 4. Подальший розвиток отримав метод управління трифазним інвертором струму з синусоїдальної ШІМ, який відрізняється від існуючих у корекції завдання фазних струмів мережі, що дозволяє знизити пульсації потужності у ланці постійного струму інвертора, при роботі ФЕС на потужності у ланці постійного струму інвертора , при роботі ФЕС на несиметричну трифазну мережу, на 50 % та коефіцієнт нелінійних спотворень мережних струмів на 60 % на відміну від систем управління, не враховують несиметрію мережевих напруг. 5. Вперше розроблено метод визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, який на відміну від існуючих дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Достовірність теоретичних дисертаційних досліджень підтверджено експериментами на обладнанні конструкторського бюро ТОВ «АКУТЕК». Експериментальні результати показали високу ефективність розроблених методів та інструментів для покращення показників якості електроенергії генерованої мережевими інверторами напруги, що впливають на додаткові втрати в електричних мережах від вищих гармонік струмів. Використання розроблених методів дозволило значно підвищити показники якості електроенергії, генерованої в мережі та знизити пускові струми перетворювача. Практичне значення отриманих результатів для електроенергетичної галузі полягає в наступному: – розроблено методику розрахунку основних параметрів послідовної фотоенергетичної системи, що забезпечує передачу електричної енергії до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику компенсації пульсацій напруги у ланці постійного струму сонячної електростанції, що забезпечує покращення показників якості електричної енергії генерованої до трифазної електричної мережі; – запропоновано методику керування мережевим інвертором напруги ФЕС, що забезпечує підвищення показників якості електричної енергії в режимі зниженої генерованої потужності; – розроблені імітаційні комп’ютерні моделі сонячних електростанцій, що дозволяють проводити дослідження показників якості електричної енергії, проводити визначення втрат потужності в силових перетворювачах сонячних електростанціях, досліджувати та проводити аналіз роботи регуляторів та інші дослідження; – розроблено методику визначення параметрів LC фільтра інвертора напруги ФЕС, що працює в режимі автономного джерела живлення, яка дозволяє визначити параметри фільтра, з урахуванням частоти ШІМ модуляції інвертора, допустимого струму ключів інвертора та вимог параметрів якості вихідної напруги з коефіцієнтом гармонійних спотворень менше 5%. Результати дисертаційної роботи використані на ТОВ «АКУТЕК» при розробці мережевих інверторів напруги та перетворювачів частоти з покращеними показниками якості вихідної напруги (акт про впровадження від 15.04.2024 р.) та в навчальному процесі на кафедрі «Передача електричної енергії» Національного технічного університету «ХПІ» (акт про впровадження 11.09.2023 р.). The dissertation is devoted to the development of methods and means for improving the quality indicators of electrical energy generated by solar power plants for three-phase electrical networks, namely, it allows to reduce the rate of emission of higher harmonics of currents and reactive power. The aim of the dissertation is to increase the quality indicators of the electric energy generated by the solar power plant to three-phase electric networks in the mode of reducing the generated power. The object of research is the process of transferring electrical energy to threephase electrical networks by solar power plants in the mode of reduced generated power. The subject of the study is the parameters of the quality of electric energy in networks with solar power plants in the mode of reduced generated power. The introduction substantiates the relevance of the dissertation topic, defines research tasks, shows the connection of work with scientific topics, provides data on scientific novelty, practical significance, approval of results and publications. In the first chapter, an analysis of the energy parameters of solar power plants is performed: the dependence of the generated power of solar panels on solar radiation, temperature and degradation characteristics of solar panels, an overview of the configurations of solar panels as part of solar power plants and semiconductor converters of power circuits of semiconductor converters that provide the processes of selecting the maximum power of solar panels and power transmission to three-phase electrical networks. The analysis of the requirements of domestic and international standards regarding the requirements of the parameters of the quality of electric energy and the requirements for the emission of higher harmonics of currents generated by solar power plants to three-phase electric networks was carried out. The problem of reducing the quality of electricity generated by solar power plants when the level of generated power is reduced is presented. Tasks are set for the following sections.The second chapter presents the structures of solar power plants that provide power transmission from solar panel units to three-phase electrical networks based on a voltage inverter and a current inverter. The study of matching DC/DC converters providing the maximum power sampling mode is presented. A mathematical model of the I-V characteristics of solar panels and a maximum power selection system implemented by a DC/DC converter are presented. Systems of direct and indirect determination of the point of maximum power, which can be selected by converters from solar panels, are presented. A compensatory algorithm for controlling the matching converters of solar power plants is proposed, which ensures a reduction in the voltage ripples of the direct current lines of the solar power plant, which is the supply voltage of the grid inverter, which improves the quality of electricity generated for three-phase electrical networks. The third chapter presents the results of the study of the features of the network inverters of the solar power plant, which ensure the transmission of electrical energy in three-phase electrical networks. A control system for a grid inverter of a photovoltaic power plant (FES) is proposed, which ensures the transmission of electricity with a power factor close to unity and a shape of currents close to sinusoidal. Analytical dependences that determine the dependence of the quality parameters of the generated electrical energy on the generated power are determined. Methods of increasing the parameters of the quality of electricity in the mode of reducing the generated power are proposed. The fourth chapter presents the results of computer modeling of the process of electricity transmission from a solar power plant based on a three-phase current inverter and a PWM voltage inverter to a three-phase electrical network. The results of the study of the parameters of the quality of electric energy generated by solar power plants to the three-phase electric network are presented. The analytical condition for realizing a power factor close to unity in the reduced mode is determined In fifth chapter, a study of a grid-tied PV inverter operating in the autonomous power supply mode was performed. The requirements for the voltage parameters of the generated solar power plant are determined and the circuit solutions of inverters that meet these requirements are analysed. It is determined that when implementing a twolevel voltage inverter and using an LC filter in a PV power plant, it is possible to have a value of the inrush current caused by the charge of the filter capacitor, which can lead to the failure of the power transistors of the grid. A methodology has been developed for calculating the LC filter, which allows determining the filter parameters according to the criteria of limiting the inrush current and ensuring the required quality of the output voltage. To confirm the developed methodology, computer modelling and physical experiments were performed. The conclusions present the main results of the work on solving the research objectives. The following scientific results were obtained as a result of the study: 1. The method of indirect determination of the maximum power point of solar panels has been further developed, which differs from the known ones by determining the maximum output voltage of matching converters at a fixed value of the output current, which makes it possible to simplify the control systems of the photovoltaic system, the hardware implementation of the control system for matching converters and reduces its cost. 2. For the first time, a method of compensatory control of matching converters of solar power plants is proposed, which implements mutual synchronisation of control channels of individual matching converters in the power take-off system and, unlike the known ones, provides mutual compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant from individual matching converters, which allows to achieve reduction of voltage fluctuations in the DC link, which further improves the quality of electricity generated by three-phase. 3. For the first time, a method of frequency-adaptive control of the grid-tie voltage inverter of a solar power plant is proposed, which, unlike the known ones, allows to ensure improved quality of electricity generated to the three-phase power grid in the mode of reducing the generated power. 4. The method of controlling a three-phase current inverter with sinusoidal PWM, which differs from the existing ones in correcting the task of the grid phase currents, was further developed, which allows reducing power fluctuations in the DC link of the inverter, when operating the PPES on the power in the DC link of the inverter, when operating the PPES on an asymmetric three-phase network, by 50 % and the coefficient of nonlinear distortion of mains currents by 60 %, unlike control systems that do not take into account the asymmetry of mains voltages. 5. For the first time, a method for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply has been developed, which, unlike the existing ones, allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The validity of the theoretical dissertation research was confirmed by experiments on the equipment of the design bureau of AKUTEK LLC, from which the acts of implementation were obtained. Experimental results showed the high efficiency of the developed methods and tools for improving the quality indicators of electricity generated by mains voltage inverters, which affect additional losses in electrical networks from higher current harmonics. The use of the developed methods made it possible to significantly increase the quality indicators of electricity generated in the network and reduce the starting currents of the converter. Practical implications of the results for the electric power industry: – the method for calculating the main parameters of a sequential photovoltaic system that transmits electricity to a three-phase power grid has been developed; – the method of compensation of voltage fluctuations in the DC link of a solar power plant is proposed, which ensures improvement of the quality of electricity generated to a three-phase electrical network; – the method of controlling the grid-tie voltage inverter of a PV power plant is proposed, which ensures an increase in the quality of electricity in the mode of reduced generated power; – the simulation computer models of solar power plants were developed, which allow to study the quality of electricity, determine power losses in power converters of solar power plants, analyse the operation of regulators and other studies; – the methodology for determining the parameters of the LC filter of a PV power inverter operating in the mode of an autonomous power supply was developed, which allows determining the filter parameters, taking into account the frequency of PWM modulation of the inverter, the permissible current of the inverter keys and the requirements for the quality parameters of the output voltage with a harmonic distortion coefficient of less than 5%. The results of the dissertation work were used at AKUTEK LLC in the development of network voltage inverters and frequency converters with improved output voltage quality indicators (implementation act dated 04.15.2024) as well as in the educational process at the Department of Electric Energy Transmission of the National Technical University of «KhPI » (act on implementation of September 11, 2023).