Трехпортовый высокочастотный конвертор постоянного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.12, кандидат наук Луков Дмитрий Юрьевич

• Луков Дмитрий Юрьевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Луков Дмитрий Юрьевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ МИКРОЭНЕРГОСИСТЕМ

1.1 Современное состояние и перспективы развития микроэнергосистем

1.2 Архитектура полупроводниковых преобразователей для микроэнергосистем с распределенной генерацией

1.3 Применение двунаправленных трехпортовых конверторов в микроэнергосистеме с передачей электроэнергии на постоянном токе

1.4 Классификация двунаправленных преобразователей постоянного тока

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТРЕХПОРТОВОГО ДВУНАПРАВЛЕННОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО КОНВЕРТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА С ФАЗОВЫМ И ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

2.1 Моделирование двунаправленного конвертера постоянного тока с гальванической развязкой на основе двух активных мостов

2.2 Моделирование двунаправленного конвертора постоянного тока с чередованием двух фаз

2.3 Схемотехническое решение трехпортового конвертера постоянного тока

Выводы по главе

ГЛАВА 3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРЕХПОРТОВОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ КОНВЕРТОРЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ФАЗОВЫМ И ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

3.1 Принцип с фазовым и широтно-импульсным управлением в двунаправленном трехпортовом конвертере постоянного тока

3.2 Имитационное моделирование трехпортового конвертора постоянного тока с двунаправленным потоком энергии

3.3 Электромагнитные процессы в трехпортовом конверторе постоянного тока

3.4 Регулировочные характеристики трехпортового конвертора постоянного тока

3.5 Алгоритм плавного включения трехпортового конвертера постоянного тока

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХПОРТОВОГО ВЫСОКОЧАСТОТНОГО КОНВЕРТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

4.1 Структурная схема и элементы электрической принципиальной схемы трехпортового конвертора постоянного тока

4.2 Цифровая система автоматического управления с фазо-широтно импульсным управлением

4.3 Электромагнитные процессы на физическом трехпортовом DC/DC конверторе. Режимы переключения при нуле напряжения

4.4 Построение передаточных характеристик двухконтурной системы управления

Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

152

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие значительный интерес вызывают сети энергоснабжения с распределенной генерацией энергии, которое подразумевает наличие множества потребителей и источников, производящих тепловую и электрическую энергию для собственных нужд, направляя их излишки в общую сеть.

Одним из путей решения возникшей проблемы дефицита электроэнергии в удалённых от ЕЭС регионах нашей страны является введение новых генерирующих мощностей за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) [6, 43]. Применение возобновляемых источников требует решить задачи по их совместной работе с существующими генерирующими установками на органическом топливе, обеспечение накопления в период избыточной генерации ВИЭ и выдачу энергии в период дефицита и ряд других задач. Решить такие задачи должна концепция локальных сетей Smartgrid [17, 23, 32, 33, 36, 49, 73, 76]. Основными идеологами разработки такой концепции выступили США и страны Европейского Союза (ЕС), принявшие ее как основу своей национальной политики энергетического и инновационного развития. В последующем концепция Smartgrid получила признание и развитие практически во всех крупных индустриально развитых и динамично развивающихся странах, где развернут широкий спектр деятельности в этом направлении. В России данная концепция получила название интеллектуальные энергосистемы с активно - адаптивной сетью (ИЭС ААС) [51, 7].

Новейшие технологии, применяемые в концепции Smartgrid, основаны на адаптации характеристик оборудования к изменяющейся режимной ситуации, активное взаимодействие между потребителями и устройствами генерации электроэнергии. Это позволяет создавать эффективно функционирующую систему, в которую дополнительно встраиваются

современные информационно-диагностические системы, системы автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии [2, 21, 54, 55, 59, 71].

Основу локальной сети Smartgrid составляет «микроэнергосистема» (уровней Micro Grid, Mini Grid и Nano Grid) с потребителями и источниками электрической энергии. Также сети включают в себя газовые, дизель генераторные установки (ДГУ) и возобновляемые источники энергии (ВИЭ) такие как: фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), ветрогенераторные установки (ВГУ), топливные элементы, накопители электрической энергии (НЭЭ). На сегодняшний день микроэнергосистемы преимущественно реализованы с передачей и потреблением электроэнергии на переменном токе, специфика работы и схемы, построения которых хорошо изучены и внедряются сейчас по всему миру [20, 37, 66].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Трехпортовый высокочастотный конвертор постоянного тока»

Актуальность темы

Известно, что возобновляемые источники энергии, топливные элементы и химические накопители электрической энергии генерируют постоянный ток и организовать их совместную работу на постоянном токе будет значительно проще. Для большинства современных, как бытовых, так и промышленных электроприборов (электроприемников) потребление электроэнергии в виде переменного тока не является естественным. Практически в каждом современном электроприемнике происходит преобразование переменного входного напряжения в постоянное или переменное другой частоты, с помощью импульсных высокочастотных преобразователей (ИВП), и уже непосредственно постоянным (переменным другой частоты) напряжением требуемого уровня и качества питаются электронные устройства и приборы. В этой связи значительный интерес представляют микроэнергосистемы на постоянном токе, обеспечивающие повышение эффективности как выработки, так и потребления электроэнергии [18, 19, 60, 61, 62, 64, 75].

Можно выделить следующие преимущества микроэнергосистемы на постоянном токе [50, 78]:

- общее преобразование из переменного напряжения в постоянное для всех нагрузок уменьшает потери на 10-20% ;

- применение систем активного выпрямления позволяет снизить гармонические искажения тока в промышленной сети, повысить коэффициент мощности, а так же увеличить пропускную способность подводящей линии электропередачи;

- простое согласование перечисленных источников постоянного тока, не требующих взаимной синхронизации;

- эффективное управление графиками нагрузки (включая накопление электрической энергии в периоды избыточной генерации и выдачу в периоды дефицита);

- электробезопасность сетей постоянного тока;

- отсутствие потерь на излучение;

- в сети нет реактивной мощности и следовательно затрат на борьбу с ней;

- отсутствует скин-эффект, следовательно, нет необходимости применять многожильные провода;

Таким образом, микроэнергосистема с распределенной генерацией, основанной на возобновляемых источниках энергии с передачей и потреблением электроэнергии на постоянном токе, является более гибкой, эффективной, а значит и привлекательнее по сравнению с микроэнергосистемой с передачей на переменном токе.

Однако построение локальной сети постоянного тока [83, 87, 92] (анг. яз термин ОС Мicrogrid) невозможно без преобразовательных устройств. Следовательно, создание надежных и не дорогих, с высоким коэффициентом полезного действия преобразователей, которые учитывают особенности генерации энергии возобновляемыми источниками энергии, а так же

разработка алгоритмов управления обменом энергопотоков в такой микроэнергосистеме является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования

Целью работы является повышение эффективности полупроводниковых преобразователей в составе микроэнергосистем с распределенной генерацией, включающей традиционные и возобновляемые источники электрической энергии.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:

- проведение анализа технической литературы и патентной документации, который позволит выявить рейтинговые и перспективные схемы конвертеров постоянного тока с двунаправленным потоком мощности;

- синтез структуры и разработка схемотехнического решения полупроводникового преобразователя с несколькими входами/выходами с улучшенными энергетическими, массогабаритными и регулировочными характеристиками, что позволит расширить функциональные и эксплуатационные возможности, снизить стоимость создания микроэнергосистем на постоянном токе;

- разработка алгоритма управления мультипортового полупроводникового преобразователя, адаптивного к изменению параметров нагрузки, осуществляющего отслеживание точки максимальной мощности возобновляемого источника энергии и учитывающего особенности систем накопления энергии;

- разработка и исследование имитационной модели полупроводникового преобразователя с адаптивной системой управления для анализа его работы в режиме стабилизации выходных параметров;

- проведение экспериментальных исследований разработанного полупроводникового преобразователя и системы управления;

- формирование практических рекомендаций по применению высокочастотного трехпортового полупроводникового преобразователя с

двунаправленным потоком мощности в системах распределенной электроэнергетики.

Объектом исследования являются высокочастотные мультипортовые полупроводниковые преобразователи с двунаправленным потоком мощности для микроэнергосистем с распределенной генерацией и передачей/потреблением энергии на постоянном токе.

Предметом исследования являются электромагнитные процессы и энергетические характеристики высокочастотных транзисторных преобразователей мультипортовой структуры с двунаправленным потоком мощности.

Соответствие паспорту научной специальности Диссертационная работа содержит теоретический анализ построения двунаправленных преобразователей для микроэнергосистем с возобновляемыми источниками энергии и результаты имитационного моделирования электромагнитных процессов происходящих в трёхспоровом высокочастотном DC/DC конверторе, целью которого является оптимизация стоимостных и массогабаритных показателей преобразователей в сетях с распределенной генерации на постоянном токе. Таким образом, работа соответствует пунктам 2, 3, 4, 5 паспорта научной специальности.

Методы исследований

Для решения поставленных в диссертации задач использовались: теория электрических и электронных цепей, методы математического и физического моделирования, методы анализа линейных и нелинейных схем, методы статистической обработки данных. Численные расчеты и моделирование проводились с использованием программ MATLAB/Simulink. Результаты математического и имитационного моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Предложен схемотехническое решение построения двунаправленного трехпортового полупроводникового преобразователя, который позволяет уменьшить в два раза аппаратные затраты (ключи и электромагнитные элементы).

2. Разработан комбинированный алгоритм на базе фазового и широтно-импульсного управления полупроводниковым преобразователем, реализующий двухсторонний обмен электроэнергии между потребителями, накопителем и различными видами возобновляемых источников энергии, что обеспечивает максимальной отбор генерируемой мощности.

3. Разработана имитационная модель с трехпортовым DC/DC конвертором, позволяющая осуществлять анализ электромагнитных процессов и расчет параметров электрических компонентов в микроэнергосистеме с различными источники энергии.

4. Синтезирована многоконтурная система управления трехпортовым конвертером постоянного тока, отличающаяся тем, что в ней осуществляется отслеживание параметров зарядно-разрядных показателей накопителя с одновременным вычислением точки максимальной мощности генерации солнечных батареи, что повышает степень стабилизации напряжения на шине постоянного тока при существенно переменной нагрузке.

Практическое значение полученных результатов заключается в следующем:

- экономии электроэнергии и снижение себестоимости микроэнергоситемы вцелом за счет применения нового схемотехнического решения построения полупроводникового преобразователя трехпортовой структуры;

- новое схемотехническое решение с предложенным алгоритмом управления позволяет значительно расширить область применения разработанного устройства в связи с появлением возможности адаптации структуры микроэнергосистемы к различным видам ВИЭ;

- разработанная имитационная модель позволяет осуществлять настройку параметров полупроводникового преобразователя трехпортовой структуры и исследование новых алгоритмов управления;

- экспериментальный образец трехпортового конвертера с двунаправленным потоком мощности, построенный на современной элементной базе с цифровой системой управления, может служить прототипом при разработке промышленных устройств.

Достоверность предложенных решений подтверждается корректным использованием математического аппарата, методов математического моделирования, сопоставимостью результатов имитационного моделирования и экспериментальных исследований разработанного схемотехнического решения и алгоритма на базе фазового и широтно-импульсного управления.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Предложенная схемотехника построения двунаправленного трехпортового полупроводникового преобразователя который позволяет уменьшить в два раза аппаратные затраты (ключи и электромагнитные элементы).

2. Разработанный комбинированный алгоритм управления полупроводниковым преобразователем обеспечивает двухсторонний обмен электроэнергии между потребителями, накопителем и различными видами ВИЭ с отслеживанием максимальной мощности генерации ЭЭ.

3. Разработанная оригинальная имитационная модель, включающая трехпортовый DC/DC конвертор и различные источники энергии, позволяет проводить анализ электромагнитных процессов в микроэнергосистеме, расчет параметров электрических компонентов и может быть использована для исследования и расчета аналогичных устройств данного класса.

4. Синтезированная многоконтурная система управления трехпортовым конвертером постоянного тока за счет отслеживания параметров зарядно-разрядных показателей накопителя с одновременным вычислением точки

максимальной мощности генерации солнечных батареи повышает степень стабилизации напряжения на шине постоянного тока при существенно переменной нагрузке. Апробация работы

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

- 21 международной конференции молодых специалистов по микро/нанотехнологиям и электронным приборам (EDM 2020). г. Новосибирск. 29 июня -3 июля 2020 г.;

- 13-й международной научно - технической конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения». Саратов 27 - 28 сентября 2018 г. ;

- доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники 2018 г. Том 21 № 1.;

- научно-практической конференции «Разработки молодых ученых в области повышения энергоэффективности использования топливно-энергетических ресурсов» Саратов 2017.;

- всероссийском конкурсе в области наукоёмких инновационных проектов и разработок «Энергопрорыв-2017» Москва. 19 сентября 2017 г.;

- международном форуме по энергоэффективности и развитию энергетики «Российская энергетическая неделя» (РЭН) в рамках молодёжного дня. Москва. 7 октября 2017 г.;

- пятом, восьмом, девятом и десятом «Саратовском салоне изобретений, инноваций и инвестиций» 8 - 10 февраля 2010 г., 19 - 20 сентября 2013 г., 17 - 18 ноября 2017 г., 19 декабря 2019 г.;

- восьмой Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» 2017 г.;

- международных конференциях «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ - 24 (2011 г.), ММТТ - 26 (2013 г.).

Полученные результаты при выполнения гранта, выделенного «Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере» победителям конкурса «УМНИК» (договор №11020р/17111) стали основной для поиска и исследования в диссертационной работе.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 19 научных работ, в числе которых три статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Луков, Д.Ю. Двунаправленный трехпортовый высокочастотный DC-DC конвертор / Ю.М Голембиовский, Д.Ю. Луков, М.Г. Коваль // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. - 2018. - Т.21. №1 - С.100-105.

2. Луков, Д.Ю. Анализ схемотехнического решения повышающего DC-DC конвертора с высокочастотным преобразованием / Ю.М Голембиовский, Д.Ю. Луков // Практическая силовая электроника. -2016. -№4 (64). - С.28-35.

3. Луков, Д.Ю. Автономный однофазный инвертор с высоким качеством выходного напряжения / Ю.М Голембиовский, Ю.Б. Томашевский, А.А Щербаков, Д.Ю. Луков, А.В. Старков // Вестник ЮжноУральского государственного университета. Серия: Энергетика. - 2018. -Т.18. №1. - С.75-81.

Статьи в изданиях, входящих в международную реферативную базу данных и систему цитирования Scopus:

1. Lukov, D.Yu. Balansing of the magnetization reversal mode of the bidirectional three-port DC converter / D.Yu. Lukov, E.E. Mirgorodskaya, Yu. M. Golembiovsky, Yu. B. Tomashevskiy, N.P. Mityashin //21th International conference on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2020. June 29 -Jule 3, 2020.

2. Lukov, D.Yu. Multi-level voltage inverter with structure invariant to the number of levels of the output curve / E.E. Mirgorodskaya, N.P. Mityashin,

Yu. B. Tomashevskiy, Yu. M. Golembiovsky, D.Yu. Lukov // 21th International conference on micro/nanotechnologies and electron devices EDM 2020. June 29 -Jule 3, 2020.

3. Lukov, D.Yu. Features of the DC Microgrid realization / Yu.M. Golembiovsky, D.Yu. Lukov, Yu.B. Tomashevsky // 2018 International conference on actual problems of electron devices engineering, APEDE 2018. -2018. - P.310-316.

Патенты и свидетельства программ для ЭВМ:

1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № RU 2017614548, 19.04.2017 «Программа управления высокочастотным DC-DC инвертором». Заявка № 2017610682 от 26.01.2017

2. Патент на изобретение: RU 2662791 С1, 31.07.2018. «Инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс локальной сети с разнородными источниками энергии». Заявка №2017105492 от 21.02.2017.

Публикации в других научных изданиях:

1. Луков, Д.Ю. Моделирование полномостового повышающего DC-DC конвертора / Д.Ю. Луков, Б.Ю Порозов // Доклады академии военных наук. - 2013. ОАО «КБ Электроприбор» - №3(58)

2. Луков, Д.Ю. Двунаправленный преобразователь для пуско-зарядных устройств / А.А Железов, Д.Ю Луков, Б.Ю. Порозов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. тр. XXVI междунар. науч. конф.: том12. -Саратов, 2013.

3. Луков, Д.Ю. Расчет параметров программируемой адаптивной задержки ШИМ - контроллера с фазовым сдвигом / Д.Ю Луков, Б.Ю. Порозов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-26: сб. тр. XXVI междунар. науч. конф., том12. - Саратов, 2013

4. Луков, Д.Ю. Анализ инвертора с синусоидальной формой выходного напряжения при работе на нелинейную нагрузку./Д.Ю Луков, Б.Ю Порозов // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-24: сб. тр. XXIV междунар. науч. конф. - Пенза, 2011, T10. - С. 111-114

5. Луков, Д.Ю. Особенности проектирования практической схемы двухтактного инвертора./ Д.Ю. Луков, Б.Ю Порозов // Проблемы управления, обработки и передачи информации (АТМ - 2011): сб. тр. II междунар. науч. конф. - Саратов, 2011.

6. Луков, Д.Ю. Расчет основных компонентов корректора коэффициента мощности / Б.Ю Порозов, Д.Ю Луков //Радиотехника и связь. Сборник научных трудов. -2009. - С. 315-321.

Тезисы с очным докладом:

7. Луков, Д.Ю. Двунаправленный преобразовательный комплекс DC MicroGrid / Д.Ю. Луков, Ю.М. Голембиовский // Девятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций. Саратов: СГТУ им Гагарина Ю.А. - 2017, С. 231-232. ISBN 978-5-7433-3177-2

8. Луков, Д.Ю. Инвертор с синусоидальной формой выходного напряжения для возобновляемых источников энергии / Д.Ю. Луков, Б.Ю Порозов // Сборник восьмого Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций, 19-20 сентября. - Саратов: Буква, 2013. - 427с.

9. Луков, Д.Ю. Двунаправленный сетевой преобразователь для зарядно - разрядных устройств./ Д.Ю. Луков, Б.Ю. Порозов // Сборник восьмого Саратовского салона изобретений, инноваций и инвестиций, 19-20 сентября. - Саратов: Буква, 2013. - 427с.

10. Луков, Д.Ю. Автомобильный инвертор для питания потребителей энергии напряжением 220В 50 Гц / Д.Ю. Луков, Б.Ю. Порозов // Пятый Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, 8-10 февр. 2010 г. - Саратов, 2010, Ч. 2.

11. Луков, Д.Ю. Малогабаритный бестрансформаторный источник питания мощностью до 1 кВт / Д.Ю. Луков, Б.Ю. Порозов // Пятый

Саратовский салон изобретений, инноваций и инвестиций, 8-10 февр. 2010 г. - Саратов, 2010, Ч. 2.

В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 75%.

Внедрение результатов исследований:

Разработанное схемотехническое решение, методика и алгоритм управления признаны эффективными и внедрены в производственную деятельность ООО «Компания АЛСиТЕК» (г. Саратов)

Структура диссертации: Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и одного приложения. Основная часть диссертации изложена на 152 страниц, содержит 100 рисунков и 3-х таблиц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ДЛЯ МИКРОЭНЕРГОСИСТЕМ

В данной главе проведен анализ микроэнергосистем, функционирующих в автономных режимах и совместно с центральной сетью энергоснабжения, включающих объекты с возобновляемыми источниками энергии. Показано, что микроэнергосистемы с передачей и потреблением на постоянном токе имеют перспективное применение, особенно если в системе имеются накопители и источники возобновляемой энергии (ВИЭ).

Проведен анализ архитектур схемотехнического построения силовых преобразовательных каскадов для систем с переменным током. Представлен обзор мультипортовых высокочастотных конверторов постоянного тока.

1.1 Современное состояние и перспективы развития

микроэнергосистем

В введение указывалось, что в настоящее время микроэнергосистемы преимущественно реализованы с передачей электроэнергии на переменном токе. Типовая структурная схема микроэнергосистемы с передачей и потреблением на переменном токе показана на рисунке 1.1.

Как видно из рисунка 1.1 источники распределенной генерации (НЭЭ, ВГУ, ФЭП) подключены к промышленной сети через силовые преобразователи - инверторы. Выходная частота напряжения этих устройств должна быть синхронизирована с частотой промышленной сети.

Из рисунка 1.1 видно, что при передаче электроэнергии по сети переменного тока до потребителя (светодиодный светильник, телевизор, инверторный холодильник, накопитель ЭЭ автомобиля с электрической тягой), электрическая энергия, выработанная объектами ВИЭ, претерпевает 4 - х кратное преобразование, т.е первый каскад DC/AC инвертора осуществляет повышение напряжения и контроль отбора мощности от ФЭП, второй каскад осуществляет инвертирование напряжения с частотой равной частоте промышленной сети. Далее энергия поступает на импульсные

источники питания потребителей и снова происходит процесс выпрямления, как правило, со звеном активной коррекции мощности в первом каскаде AC/DC выпрямителя и понижение постоянного напряжения (сотни вольт) на более низкое с гальванической развязкой. Таким образом, общие потери могут составлять до 30% от общей генерируемой ВИЭ энергии.

Рисунок 1.1. Микроэнергосистема с передачей и потреблением на

переменном токе

Работа генераторных установок дизельных (ДГУ) или газовых тоже должна иметь синхронизацию с промышленной сетью. Ввиду того, что нагрузка в такой микроэнергосистеме носит переменный характер, газо/дизель генераторные установки будут работать в неоптимальном режиме, расходуя лишний объем газа или дизельного топлива по причине того, что в генераторе должна сохраняться постоянная скорость вращения для поддержания частоты напряжения на его выходе. Кроме того, в микроэнергосистеме может появиться избыточная генерация энергии возобновляемыми источниками, и работа газовой/дизельной генераторной установки уже будет проходить в режимах, близких к «холостому ходу», со

всеми вытекающими отсюда последствиями (перерасход топлива, снижение моторесура двигателя и т.д).

Поскольку ВИЭ и системы накопления ЭЭ генерируют энергию на постоянном токе, а также учитывая, что большинство современных бытовых и промышленных электроприборов (электроприемников) потребляют электроэнергию в виде постоянного тока, значительно возрос интерес к микроэнергосистемам на постоянном токе (или к комбинированным) с целью повышения энергоэффективности как выработки, так и генерации энергии.[18, 26, 27, 28, 60. 61, 62, 75, 78, 83, 87, 92].

Типовая архитектура локальной сети на постоянном токе с элементами распределенной генерации показана на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2. Микроэнергосистема с передачей и потреблением на

постоянном токе

Микроэнергосистема на постоянном токе (рисунок 1.2) включает в себя двунаправленные и однонаправленные электрические преобразователи AC/DC, DC/DC и DC/AC, которые объединяют между собой различные источники энергии: промышленную централизованную сеть переменного

тока, ВГУ, ДГУ, ФЭП, НЭЭ, а также потребители постоянного /переменного тока.

Применение общего активного выпрямителя, при энергоснабжении микроэнергосистемы от резервной дизель/газовой генераторной установки позволит значительно удешевить последнюю в целом, за счет отсутствия дорогостоящей механической системы синхронизации с промышленной сетью. Кроме того, при применении активного выпрямителя появляется возможность обеспечить регулировку оборотов двигателя дизель/генераторной установки в зависимости от баланса мощности в микроэнергосистеме. Регулировка оборотов двигателя позволит увеличить моторесурс двигателя и снизить расход топлива в моменты времени, когда ВИЭ обеспечивают значительный приток мощности в микроэнергосистему или в период действия низкого тарифа на ЭЭ, получаемую от промышленной сети переменного тока [37, 59, 72]

Таким образом, микроэнергосистема с распределенной генерацией, основанной на возобновляемых источниках энергии и передачей электроэнергии на постоянном токе, является более гибкой, эффективной, а значит и привлекательнее по сравнению с микроэнергосистемой с передачей на переменном токе.

1.2 Архитектура полупроводниковых преобразователей для микроэнергосистем с распределенной генерацией

В микроэнергосистемах с распределенной генерацией и передачей электроэнергии на переменном токе, показанной на рисунке 1.1 , связующим звеном между централизованной сетью и накопителем ЭЭ или источником возобновляемой энергии, является DC/AC преобразователь (инвертор). Выходные параметры инвертора (частота, напряжение) определяет стандарт, принятый в конкретном государстве. В нашей стране качество энергии, выдаваемое преобразователями должно соответствовать ГОСТ 32144-2013 [9]. Особенности формирования качественного синусоидального напряжения

(частотой от 40 до 400 Гц.) и работа инверторов на различные типы нагрузок, в том числе и нелинейную, рассматривались в [8, 34, 38, 47].

При проектировании DC/AC инвертора с выходной частотой 50Гц и напряжением 220/230В, работающего от низковольтных источников энергии, инженер сталкивается с выбором архитектуры его построения и, в первую очередь, с выбором способа повышения низкого напряжения в высокое. Существуют два распространенных способа повышения напряжения [5, 14, 24, 25, 45, 46, 48. 53, 58, 70, 74]:

- повышение напряжения за счет трансформатора, работающего на низкой выходной частоте инвертора, как правило 50/60 Гц. (рисунок 1.3 -архитектура DC/AC);

- повышение напряжения за счет высокочастотного трансформатора с промежуточным звеном постоянного тока (рисунок 1.4 -архитектура DC-DC/AC).

Рисунок 1.3. Архитектура инвертора с низкочастотным повышающим

трансформатором

Рисунок 1.4. Архитектура инвертора с промежуточным высокочастотным

преобразованием

Каждая архитектура обладает своими достоинствами и недостатками. Например, для схемы, показанной на рисунке 1.3 характерны:

- высокие удельные массогабаритные показатели;

- большие значения текущих токов в первичной обмотке, которые обуславливают значительную величину статических потерь;

- прерывистая форма тока по низковольтной шине постоянного тока V1, что в свою очередь требует установки на входе значительной емкости электролитического конденсатора С1, с низким эквивалентным последовательным сопротивлением (анг. яз. термин Equivalent Series Resistance, ESR.).

- высокая стоимость

К достоинствам схемы можно отнести:

- надежность;

- большую перегрузочную способность;

- низкий уровень электромагнитных помех.

Архитектура DC-DC/AC, показанная на рисунке 1.4, обладает следующими недостатками:

- высокий уровень электромагнитных помех; высокий уровень динамических потерь;

- меньшую надежность, вследствие большего количества преобразований и переключений, по сравнению с архитектурой DC/AC (рисунок 1.3);

- меньшую перегрузочную способность.

К достоинствам можно отнести:

- превосходные массогабаритные показатели;

- уменьшенные величины токов пульсации на низковольтной стороне.

- низкая стоимость

В микроэнергосистемах с распределенной генерацией и передачей электроэнергии на постоянном токе, показанной на рисунке 1.2, видно, что связующим звеном между централизованной сетью постоянного тока и накопителем ЭЭ или источником возобновляемой энергии, является DC/DC конвертор. В связи с тем, что разница уровня напряжения между накопителями ЭЭ или источниками ВИЭ и распределительной шиной постоянного тока очень значительна, необходимо применять DC/DC конверторы с трансформаторным повышением/понижением напряжения.

Анализ построения мощных DC/DC конверторов, работающих при большой разнице входного/выходного напряжения рассматривались в работах [39, 57, 68, 81]. Как видно из работ, основным требованием к DC/DC конверторам, является использование как можно меньшего количества ключей на низковольтной стороне, вследствие большего значения протекающих токов. Поэтому выбор останавливается на однотактной или двухтактной схеме с выводом нулевой точки первичной обмотки силового высокочастотного трансформатора. Схема DC/DC-преобразователя, построенного на базе инвертора, со средней точкой первичной обмотки силового трансформатора, представлена на рисунке 1.5.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Луков Дмитрий Юрьевич, 2022 год

- X -

24.955 24.96 24.965 24.97 24.975 24.98

Time (ms)

24.985

24.99

24.995

25

Рисунок 2.17. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC/DC конверторе со связанными индуктивностями при D1= D2=0.35

Рисунок 2.18. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC-DC конверторе со связанными индуктивностями при D1= D2=0.5

Рисунок 2.19. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC/DC конверторе со связанными индуктивностями при D1= D2=0.65

Из временных диаграмм рисунков 2.17-2.19 видно, что пиковые значения токов !ыл и !ы.2 в связанной индуктивности L1 имеют одинаковую величину и пульсируют с удвоенной частотой преобразования При коэффициенте заполнения D1=D2=D=0.5 пульсация входного тока стремится к нулю. Зависимости пульсации входного тока Л^пж-пик) и Л^.цпик-пик) от коэффициента заполнения D=D1=D2 показаны на рисунках 2.20 а, б соответственно.

Кроме того, амплитуда пульсация Л^.цпи^пик) и Л1ы.2(пик-пик) зависит от коэффициента магнитной связи k связанной индуктивности L1. Зависимость амплитуды пульсации входного тока Л1П(пик-пик) и пульсация тока Л1ыл (пик-пик) мягнито-связанной индуктивности L1 от коэффициента связи k при разных коэффициентах заполнений D=D1=D2, показаны на рисунке 2.21а и 2.21б соответственно.

0.00 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6 0.7 0.8 0.9 Б

а)

1,0 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Б

б)

Рисунок 2.20. Зависимость относительной пульсации входного тока Л1т(пик-пик) и тока в фазе Л^.цпи^пик) от коэффициента заполнения D

а)

70 60 50 40

£

30 20 10 0

0.5 0.6 0.7 0.8 0.84 0.88 0.92 0.96 0.98 0.99 ^

б)

Рисунок 2.21. Зависимость амплитуды пульсации входного тока Л1т(пик-пик) и тока индуктивности Л1Ы1(пик-пик) от коэффициента связи к

Проведённые на имитационной модели исследования показали, что при к, стремящемся к 1, уменьшается величина постоянной составляющей тока намагничивания сердечника трансформатора. Однако при этом возрастает уровень пульсации входного тока. Из приведенных на рисунке 2.21а зависимостей видно, что при к = 0,99 и Э = 0,35 амплитуда пульсация входного тока будет составлять более 50% от постоянной составляющей входного тока.

Величину коэффициента связи к, а следовательно и величину накопительной индуктивности, определяет зазор в центральном керне сердечника (Рисунок 2.14а), выполняемого при производстве с определенной точностью. Кроме того, конструктивные варианты намотки катушек также вызовут технологический разброс коэффициента связи к. Из зависимостей рисунков 2.21 а-б следует, что при изменении коэффициента связи с 0,96 до 0,98 разброс пульсации тока может составлять более 25 %.

С целью нивелирования данной зависимости рассмотрим новый вариант модели инвертора с двумя индукторами Индуктор L1 -накопительный, а индуктор L2 - магнито- связанный, у которого коэффициент связи приближен к 1. Т.е. магнитные потоки двух полуобмоток максимально сцеплены. Схема DC/DC конвертора постоянного тока с чередованием фаз и магнито-связанным индуктором, выполненного на двух раздельных сердечниках, показана на рисунке 2.22.

Анализ электромагнитных процессов, проходящих в конверторе постоянного тока с чередованием фаз и магнито-связанным индуктором на двух раздельных сердечниках (рисунок 2.22), проведем на имитационной модели в пакете MATLAB/Simulink [3, 15, 16, 35, 69]. Имитационная модель показана на рисунке 2.23. Параметры индукторов L1 и L2 показаны на рисунке 2.24 ниже.

Рисунок 2.22. DC -DC конвертор с чередованием фаз с двумя индукторами. L1 - накопительный, L2 - магнито-связанный

Multimeter

Рисунок 2.23. Имитационная модель конвертора с чередованием фаз и двумя

индукторами

Рисунок 2.24. Параметры индукторов L1 и L2 при имитационном

моделировании

Временные диаграммы управления ключами УТ1 - УТ4 будем рассматривать в трех режимах, при коэффициенте заполнения D=D1=D2 < 0.5, D=D1=D2=0.5 и D=D1=D2 >0.5.

За один полный период преобразователь может принимать четыре состояния (рисунок 2.25) в зависимости от комбинации «активных» транзисторов/диодов. Эти состояния обозначены римскими цифрами в верхней части временных диаграмм электромагнитных процессов рисунков 2.26-2.28. При переходе к эквивалентным схемам активные сопротивления индукторов L1, L2, трансформатора Т и сопротивление каналов открытых транзисторов УТ1-УТ4 приняты равными нулю.

а)

б)

ъ

состояние III

в)

г)

Рисунок 2.25. Эквивалентные состояния двухфазного конвертора постоянного тока с двумя индукторами

OFF ON

OFF

16 < 15 14

10

5

го О -5 -10

2 0

» .2 -1 -6

0.5 < О -0.5

I 1 II III ! II i 1 II III II III

1 1 1 1 ; 1 1 1 1 1 1

GVT2 1 1 1 I ■ GVT1 i i \ 1 til 1 > i i GVTI i i ---GVTI -

GVT2 -CVT2 ---GVT3

! GVT3 | GVT4 ! \ GVT3 j \ ' i tu2 i i

GVT4

1 1 1

4IL1 vA v4 -1 LI -1 L2.1 ---IL2.2

\y\ /. v\ // AIL2.1 AIL2.2

I 1 \

1 1 1

r---- напряжение на -U L2.I

V2/2 ... ---U L2.2

V2/2

на индукюре L2.1

i i 1 1 i i i

1 1

-1 ....

у VI - V2/2

напряжение на

VI-V2 / "

l 1 1 1

.—к—\ Tlmag 1 1 . 1 ПК намагничивании нервичнои обмотки трансформатора Т - -1 magT

1 1 N. Т -Imag^^ -

24.955 24.96 24.965 24.97 24.975 24.98 24.985 24.99 24.995 25

Time (ms)

Рисунок 2.26. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC/DC конверторе с двумя индукторами при D1=D2=0.35

1 1 1 1 1

напряжение на "i— li l1 j~

v1-v2 ✓

1 1 1

^ 1 Imag^^^ Ток намагничивании нер^ичний ___ ппчш ки 1 ранеформа I upa 1 ^^^^ _ 1-1 magT

— "Г 1

24.955 24.96 24.965 24.97 24.975 24.98 24.985 24.99 24.995 25

Time (ms)

Рисунок 2.27. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC/DC конверторе с двумя индукторами при D1=D2=0.5

Time (ms)

Рисунок 2.28. Временные диаграммы электромагнитных процессов в DC/DC конверторе с двумя индукторами при D1=D2=0.65

Таким образом, имеем: при D1=D2 < 0,5 - преобразователь проходит состояния I, II и III, при D1=D2 > 0,5 - преобразователь проходит состояния I, III и IV и при D1=D2 = 0,5 преобразователь проходит состояния I и III и состояние II в короткий промежуток времени, обусловленный «метрвым» временем. В этом коротком промежутке времени, ток проводят внутренние диоды транзисторов УТ1 и УТ3.

Для проверки результатов моделирования было проведено исследование тока намагничивания первичной обмотки трансформатора Т на двух макетных образцах с раздельными индукторами L1 и L2 по схеме имитационной модели рисунка 2.7 и двумя индукторами - накопительным L1 и магнито-связанным L2, собранного по схеме имитационной модели рисунка 2.23.

На первом макетном образце индуктивности L1 и L2 имеют значения 22 мкГн и 20 мкГн соответственно, на втором - 5 мкГн и 200 мкГн соответственно, коэффициент связи к = 0.985. Осциллограммы тока первичной обмотки трансформатора первого и второго макетных образцов показаны на рисунках 2.29 и 2.30 соответственно.

.............

...............

.............

......

СМ

Math Off

750mVBw М 5.00>jls ПЕХТ f 600mV

CH2 Freq

50.97kHz

Рисунок 2.29. Ток первичной обмотки трансформатора макетного образца с

раздельными индукторами.

Рисунок 2.30. Ток первичной обмотки трансформатора макетного образца с

магнито-связанным индуктором.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают результаты имитационного моделирования, выявляющего наличие постоянной составляющей тока первичной обмотки силового трансформатора T инвертора в составе двунаправленного DC/DC конвертора. Для указанных параметров индуктивностей L1 и L2 разница между амплитудами положительной и отрицательной полуволн первичного тока составляет 1.35 А и возрастает с увеличением мощности нагрузки.

Наличие постоянной составляющей может приводить к одностороннему насыщению сердечника трансформатора, появлению переменной составляющей напряжения на шине постоянного тока конвертора и срабатыванию компаратора защиты по току ШИМ контроллера.

На рисунке 2.31 показаны регулировочные характеристики в относительных единицах. Диаграмма 1 (сплошная линия) это зависимость отношения напряжения V2 (среднеквадратичное значение (анг.яз термин RMS)) к напряжению V1 (среднеквадратичное значение (анг. яз термин RMS)) от коэффициента заполнения при D1=D2=D. Диаграмма 2 (пунктирная линия) отношение величины напряжения V3 (среднеквадратичное значение) к величине напряжения V1 (среднеквадратичное значение) от коэффициента заполнения D1=D2=D.

Рисунок 2.31. Регулировочные характеристики DC/DC конвертора с

раздельными индукторами

2.3 Схемотехническое решение трехпортового конвертера

постоянного тока

Рассмотренные в разделах 2.1 и 2.2 топологии DC/DC конверторов и электромагнитные процессы, происходящие в них, позволяют предложить схемотехническое решение, показанное на рисунке 2.32, основанное на двух полномостовых инверторах, как наиболее универсальных с точки зрения направления потоков энергии, которое дополнительно включает два индуктора L1 (накопительный) и L2 (магнито-связанный), высокочастотный трансформатор T, фильтрующие емкости C1 - C3 портов 1- 3 соответственно, индуктор Lac, роль которого может выполнять индуктивность рассеяния трансформатора T. Ключи S1, S2 предназначены для подключения к сети постоянного тока. К первому порту подключается накопитель электрической

энергии (НЭЭ), который может быть как потребителем, так и источником энергии. Ко второму порту подключаются фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), которые могут быть только источниками энергии. К третьему порту подключается шина постоянного тока, от которой, при необходимости, нужно осуществлять заряд аккумуляторной батареи.

Рисунок 2.32. Двунаправленный трехпортовый высокочастотный конвертер

постоянного тока

Детальный анализ и имитационное моделирование будет проведено в главе 3.

Выводы по главе 2

1) Проанализированы и построены временные диаграммы электромагнитных процессов протекающих в конверторах постоянного тока на основе двухфазного

повышающего/понижающего конвертера со связанными индуктивностями и с гальванической изоляцией на основе двух полномостовых инверторов. Проведенный анализ конвертеров постоянного тока с двунаправленным потоком мощности является базой для синтеза нового схемотехнического решения

трехпортового конвертера с частичной гальванической развязкой имеющий двунаправленный поток мощности.

2) При создании двунаправленных многопортовых DC/DC конверторов необходимо учитывать разброс параметров накопительных индукторов, который может привести к появлению постоянной составляющей тока намагничивания силового трансформатора, возникновению пульсации на шине постоянного тока, подключенной к выходу конвертора, нарушению нормальной работы других устройств, подключаемых к шине постоянного тока, а также к увеличению сечения магнитопровода для исключения его насыщения.

3) Устранение указанных нежелательных явлений может быть обеспечено заменой двух накопительных индукторов в схеме конвертора одним, с двумя магнито-связанными обмотками.

4) Уменьшение постоянной составляющей тока намагничивания силового высокочастотного трансформатора в DC/DC конверторе достигается увеличением коэффициента взаимосвязи обмоток накопительного индуктора. При этом происходит возрастание пульсаций входного тока конвертора (и токов обмоток накопительного индуктора).

5) Сглаживание входного тока и токов обмоток накопительного индуктора обеспечивается введением в цепь низковольтного входного источника DC/DC конвертора дополнительной индуктивности, величина которой достаточно мала и не приводит к увеличению массогабаритных показателей конвертора.

6) Сформирована схемотехника построения двунаправленного трехпортового конвертора постоянного тока, в которой к первому порту подключается накопитель электрической энергии, ко второму порту фотоэлектрический преобразователь и к третьему порту -

шину постоянного тока, которой может являться сеть постоянного

тока.

ГЛАВА 3. РЕЖИМЫ РАБОТЫ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРЕХПОРТОВОМ ВЫСОКОЧАСТОТНОМ КОНВЕРТОРЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ФАЗОВЫМ И ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

В данной главе представлен разработанный алгоритм управления трехпортовым конвертором постоянного тока, совмещающий два вида модуляции: широтно - импульсную и фазоимпульсную. Показаны электромагнитные процессы, полученные в результате имитационного моделирования в среде MATLAB/SimuHnk.

3.1 Принцип с фазовым и широтно-импульсным управлением в двунаправленном трехпортовом конвертере постоянного тока

На рисунке 3.1 приведены идеализированные сигналы управления ключами и образующееся напряжение на первичной обмотке трансформатора T (рисунок 2.32, точки а - б). Регулирование величин напряжения и тока на клеммах подключения НЭЭ и ФЭП осуществляется четырьмя сигналами управления GVT1-GVT4 ключей УГ1-УГ4 соответственно, причем два сигнала управления работают в комплементарной паре с длительностью импульса ^ и ^ с периодом Ts. Комплементарная пара сигналов управления GVT1, GVT2 является ведущей для пар GVT3, GVT4 и GVT5, GVT6. Сигналы управления GVT3, GVT4 сдвинуты по отношению к GVT1, GVT2 на постоянный фиксированный угол Ф1, равный 180°. Сигналы управления GVT5, GVT6 имеют регулируемый фазовый сдвиг Ф2. Сигналы управления GVT7, GVT8 синхронизируются от пары GVT5, GVT6 и имеют между собой фиксированный фазовый сдвиг, равный 180° и изменяемый фазовый сдвиг Ф3.

Кроме того, сигналы пар управления GVT5-GVT6 и GVT7-GVT8, имеют регулируемую длительность импульса ^ и соответственно, с парафазным режимом управления. Длительности импульсов управления ^ и

1:и4 определяются как логическое произведение длительности сигналов управления диагонально расположенных ключей, т.е

¿и3 = СКГ5 = СКГ8 = вУТ! & вУТА ¿и4 = вУТб = = СКГ2 & вУТЗ В режиме синхронного выпрямления сигналы управления ОУТ5, ОУТб ключей УТ5,УТ6 имеют начальный фазовый сдвиг от ведущей пары, равный нулю, а сигналы управления ОУТ7, ОУТ8 ключей УТ7,УТ8 имеют фиксированный фазовый сдвиг, равный 180° относительно пары сигналов ОУТ5, ОУТб.

Рисунок 3.1. Сигналы управления ключами двунаправленного трехпортового

DC/DC конвертора

Стабилизация напряжения и тока порта 3 (шина ЭС Микрогрид) осуществляется за счет фазового сдвига Ф3 между парой управляющих сигналов GVT5, GVT6 и GVT7,GVT8. Фазовый сдвиг Ф3 определяет поток энергии от накопителя (НЭЭ) к шине постоянного тока (ЭС микрогрид).

Стабилизация напряжения на шине подключения ФЭП осуществляется за счет фазового сдвига Ф2 между группой управляющих сигналов GVT1 -GVT4 и GVT5 - GVT8. Фазовый сдвиг Ф2 определяет поток энергии от шины постоянного тока (ЭС микрогрид) к шинам НЭЭ (порт 1) и ФЭП (порт 2) при этом величина напряжения и тока на шине ФЭП будет определяться длительностью ^ и ^ управляющих импульсов транзисторных пар УГ1, VT2 и VT3, VT4 соответственно.

Идеальная регулировочная характеристика стабилизатора портов 1 и 2 имеет вид:

V*С2=^, (ЗЛ)

где УОС1 - напряжение порта 1, УОС2 - напряжение порта 2, Э = Э1= Э2 - коэффициент заполнения импульсов управления ключами УГ2 и УГ4, который равен отношению длительности импульса ^ к периоду Ts.

Таким образом, управляя коэффициентом заполнения Э можно обеспечить поддержание напряжения на порту 2, равное напряжению на клеммах солнечного модуля, при котором обеспечивается максимальный отбор мощности, а регулирование фазовых сдвигов Ф2 и Ф3, будет перераспределять поток энергии между портами 1, 2 и 3.

3.2 Имитационное моделирование трехпортового конвертора постоянного тока с двунаправленным потоком энергии

С целью исследования электромагнитных процессов, протекающих в трехпортовом двунаправленном конверторе, создадим имитационную модель в среде МА^АВ^тиНпк. [, 3, 15, 16, 35, 69].

Имитационная модель (Рисунок 3.2) содержит: источники DC1, DC2 (PV array) и DC3, имитирующие аккумуляторную батарею, солнечную батарею и выходное напряжение шины постоянного тока соответственно, развязывающие диоды VD1 и VD2, сопротивления Rin1, Rin3 имитирующие внутренние сопротивления источников DC1, DC3 соответственно, эквивалентное сопротивление нагрузки Rl в сети постоянного тока, индукторы накопительные L1, L3, магнито-связанный индуктор L2, трансформатор T, два инверторных моста на транзисторах VT1-VT4 и VT5-VT8, систему управления Control System. Блоки Constant 1, 2 и 3 служат для задания коэффициента заполнения D, и фазовых сдвигов Ф2 и Ф3 соответственно. Блоки Constant 4, 5 служат для задания уровня инсоляции в

л

Вт/м и температуры солнечного элемента в градусах Цельсия.

Рисунок 3.2. Имитационная модель трехпортового двунаправленного DC/DC

конвертора в среде MATLAB/Simulink

На рисунке 3.3 представлена внутренняя схема блока Control System. Блок PWM Generator_50kHz осуществляет выдачу 4 - х сигналов управления. Блоки Delay 1-4 формируют задержки сигналов, задаваемые блоком constant_2. Блоки Delay 5-8 формируют задержки сигналов, задаваемые блоком constant_3. Блоки Delay VT1 -VT8 осуществляют задержку переднего фронта на время равное «мертвому времени» стойки транзисторов. Типовое необходимое «мертвое время» для современных MOSFET транзисторов составляет 30-300 нсек. Примем в нашем случае 250 нсек.

Рисунок 3.3. Блок Control system в имитационной модели

Для последующего описания происходящих процессов рассмотрим следующие режимы функционирования в зависимости от фазовых сдвигов Ф2 и Ф3:

1) Ф2 = 0 и Ф3 = >0 - режим повышения. Направление потока энергии идет от источников V1, V2 к V3;

2) Ф2 = 0 и Ф3 = 0 - режим понижения - повышения. Направление потока энергии зависит от уровня амплитудного значения напряжения источников VI, У2 по отношению к У3;

3) Ф2 = >0 и Ф3 = 0 - режим понижения. Направление потока энергии идет к источникам VI, V2 от У3;

На рисунках 3.4-3.12 показаны временные диаграммы управляющих сигналов транзисторами УТ1 - УТ8 в различных режимах работы при параметрах коэффициента заполнения Б = 0,35, Б = 0,5, Б = 0,65, и фазовых сдвигов Ф2 и Ф3. Эпюр снизу на рисунках 3.4 - 3.12 показывает суммарное время открытых диагонально расположенных ключей (УГ1-УГ4, УГ2-УГ3, УГ5-УГ8 и УГ6-УГ7).

На рисунках 3.13а-ц показаны цифрами от 1 до 22 эквивалентные схемы с 22-мя состояниями (комбинациями) проводящих ток полупроводниковыми элементами. Данные состояния помечены на рисунках 3.4-3.12.

а)

б)

Рисунок 3.4. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

D =0.35, Ф2=0, Ф3=45° ф и Ф3=90° (б)

Рисунок 3.5. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

D =0.35, Ф2=0°, Ф3=0°

Рисунок 3.6. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

Б =0.35, Ф2=45°, Ф3=0°

Рисунок 3.7. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

Б =0.5, Ф2=0°, Ф3=45°

Рисунок 3.8. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

D =0.5, Ф2=0°, Ф3=0°

Рисунок 3.9. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при

D =0.5, Ф2=45°, Ф3=0°

б)

Рисунок 3.10. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов при Б =0.65, Ф2=0°, Ф3=45° (а) Ф3= 90° (б)

Рисунок 3.11. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов

при D =0.65, Ф2=0°, Ф3=0°

Рисунок 3.12. Временная диаграмма управляющих сигналов транзисторов

при D =0.65, Ф2=45°, Ф3=0°

а)

б)

в)

г)

д)

е)

ж)

з)

и)

к)

л)

м)

н)

о)

п)

р)

с)

у)

х)

ц)

Рисунок 3.13. Эквивалентные состояния трехпортового двунаправленного

конвертора постоянного тока

3.3 Электромагнитные процессы в трехпортовом конверторе

постоянного тока

Для исследования электромагнитных процессов нам необходимо задать исходные данные для расчета компонентов модели, которые сведем в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

№ наименование Ед. измер. значение

1 Диапазон напряжения аккумуляторной батареи В 10-15

2 Номинальное напряжение аккумуляторной батареи В 12

3 Уровень солнечной инсоляции Вт/м2 1000

4 Температура ячеек солнечного модуля °С 25

5 Подключаемая мощность солнечных модулей Вт 1200

6 Номинальное напряжение шины постоянного тока В 385

7 Требуемая пульсация тока по шине АКБ, пик-пик А 10

8 Частота преобразования fs кГц 50

9 Индуктивность накопительного реактора Ь1 мкГн 5

10 Индуктивность накопительного реактора Ь3 мкГн 50

11 Индуктивность магнито-связанного индуктора, Ь2 мкГн 200

12 Коэффициент трансформации - 6:76

50 40

g30 *

о Н 20

10

0

1500

а юоо

3

S 500

—* \ , \ \ \10 °С

\ 45 \25 "О °с \ \

у \ \ \ \ -V-ь-J

о

10

15 20 25

Напряжение (В)

30

35

40

---*--- j^I25 N\

1 1 1 1 I i\ I ' 1 \ i 1 \ i 1 \ i 1 \i V \ \ \ \ \ \ \ \ \

——■" 1 1 1 1 1 i 1 Л 1 i \ 1 1 \ 1 1 \ i i \j \ \ \ \ \ \ \ \ \ > 1 L

20 25

Напряжение (В)

30

35

40

Рисунок 3.14. Вольт-амперные характеристики массива солнечных модулей марки American Solar Wholesale ASW-245M включенных 5 параллельно

при инсоляции в 1000Вт/мА2

Вольт-амперные характеристики показывают, что точка напряжения, при которой будет обеспечиваться максимальный отбор мощности при изменении температуры солнечного элемента (ячейки) от 10°С до 45 °С находится в диапазоне 28 - 34 В. Максимальный ток, который способен выдать массив из 5 включенных параллельно модулей, при инсоляции в

л

1000Вт/м составит, примерно 42 Ампер.

На рисунках 3.15-3.16 показаны временные диаграммы электромагнитных процессов в различных режимах работы преобразователя, полученные в результате имитационного моделирования. Сопротивление нагрузки RL=100 Ом. На рисунках обозначено:

GVT1-GVT8 и Ivt1 - Ivt8 - сигналы управления транзисторами VT1-VT8 и токи протекающие в них соответственно;

Uw1, Iw1 и Uw2, Iw2 - Напряжение и ток первичной и вторичной обмотки трасформатора Т сооответсвенно;

UL1 и IL1 - напряжение и ток индуктора L1

Ucd - напряжение в точках c и d моста на транзисторах VT5-VT8.

Рисунок 3.15. Временные диаграммы электромагнитных процессов для D =0.35, Ф2=0, Ф3=45°.При этом величины токов и напряжений за период преобразования в установившемся режиме составили И = -90A, Ш= 12,23В, !2 = 41,1A, U2= 19,41В, I3 = -0,875^ U3=384,9В.

ФЗ

слтГ " ¡Г (л 12 .....сут! " " " " "| 1глт2

СУТ1

X

СУТЗ

СЛТ4

|СУТЗ~ ¡1 СУТ4

| с;\ тб | ;"" слтУ" | [ ¡суте I ¡"суп":

СУТ5 I

СУТ8

с.уг7

СУТ8

- --СУП

-СУТ2

---(,\|3

-СУТ4

---СУТ5

-СУТ6

---СУТ7

-ОУТ8

100 50

<

о

-50 100 50

<

О

-50 100 50 О -50

-100 4 2 О

« -2 -4 -6

2 О

< -2 -4 -6

< О -5

5 О -5

---ыз -М4 \

' \ ' N А / V / <

\ - V V , > \ \ г

\| \Г V' \Г

ч /\ / \ -Uwl ---1»1

\ —г-/ 1— Л _ -1- —/ |— Л _

- \ и__\ Ш_

ГП-+-Г 4 / Г71--^—Г --/—Г \ у

--1 ----1 ---^ ---- - --1 — и 1 1

---1Ь

/ А ---М5

/ ■ ' 1 _______д_ -Мб

/ I / 1 / 1 / / 1

» / Л / \

/ ч / V

V

Л /1 ---IV17

л / 1 / 1 -1М8

/ 1 / •

1 ✓ • / / / / / /

1/ I'

-1™2

/ \ /' \ / \---1«2

Л -г-1 /'"11

/ ~ч V ~Ч \Г-

V' V /

-иссГ[

19.95 19.96 19.97 19.98 19.99 20

"Пте (пк)

Рисунок 3.16. Временные диаграммы электромагнитных процессов для D =0.35, Ф2=0, Ф3=90°. При этом величины токов и напряжений за период преобразования в установившемся режиме составили И =-31,11 A, Ш= 12,08В, !2 =41,13 ^ Ш= 18,62В, I3 0,97= A, Ш=384,9В.

л Г 1 Г 1 1 -иы

---ИЛ

\ * . __ -и>у2 ---1>у2

\ г у--' >Гч. Г У"'^

ч\> * 4>ч / *

|-1Лс<1

1. А л. л

V Г г V........

1 <

19.95 19.96 19.97 19.98 19.99 2»

Типе (1Ш)

Рисунок 3.17. Временные диаграммы электромагнитных процессов для D =0.35, Ф2=0°, Ф3=0°. При этом величины токов и напряжений за период преобразования в установившемся режиме составили И = -140,4A, Ш= 12.36В, !2 = -41,09^ U2= 19,76В, I3 = -2,614^ U3= 349.9В.

1=-1-1-|ф?-|-1-1- ---СУП

С\Т1 ;1 с\т2 СУП СУТ2 | СУТ1 ,г ---СУТЗ

л_______ ; Г.УТЗ ¡1 с\Т4 |; СУТЗ || СУТ4 || -СУТ4 ---С.УТ5

1 | СУТ6 | ! с\Т5 \ СЛТ6 1 ■ С\Т5 1 ! -СУТ6

1 СЛТ7 1 СЛТ8 | СУТ7 1 СЛТ8 | ; -ОУТ8

- " " " \ - ' " \ > -1)>у2 ---1>у2

/ -1— Ж

>Г-» г^ 7и N чг

/ - «.„ ^ / " ~ ^ ^ /

_ 1 1 1—1 0(1

-

г

1 1 1

|

19.95 19.96 19.97 19.98 19.99 20

Типе (те)

Рисунок 3.18. Временные диаграммы электромагнитных процессов для D =0.35, Ф2=45°, Ф3=0°.При этом величины токов и напряжений за период преобразования в установившемся режиме составили И = -219,6A, Ш= 12,57В, !2 = 41,07^ Ш=20,3 В, I3 =-5,613 A, Ш=384,9В.

---GVTl

ФЗ 1

GVTl ;| GVT2 |i GVT1 f » GVT2 |; GVTl

I1 GVT3 i| GVT4 GVT3 il GVT4 l; -GVT4 ---GVT5

;| GVT6 |, CATS 1 GVT6 I) GVT5 II -<;VT6

Ii GVT7 il GVT8 : G\T7 '1 GVT8 || -GVT8

---Ivtl

4 \ 1 \ ! \ -I\t2

: t 4 /

1 1 1

100

< 50

о

100

< so

о

100 so о

-50 -100

о