Experimental studies of the effect of a hybrid inverter on power quality

Full Text

Введение

В настоящее время во многих странах развивается децентрализованная система электроснабжения, основными источниками энергии в которой являются альтернативные источники на базе ветряных и солнечных электростанций. В состав таких источников входят различные устройства, позволяющие преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, работа которых основана на беспрерывной коммутации полупроводниковых ключей [1]. Режимы работы таких преобразователей различны и определяются требованиями для конкретных условий. Различают источники бесперебойного питания (UPS), которые постоянно подключены к системе переменного тока и производят заряд накопителей энергии, а разряд осуществляется только в случае аварийной ситуации для обеспечения электроэнергией ответственных потребителей [2]; автономные инверторы [3] (stand alone, off-grid), которые обеспечивают потребителей электроэнергией в автономном режиме независимо от централизованной системы электроснабжения, содержащие накопители энергии для питания потребителей в случае отсутствия солнца или ветра; сетевые инверторы (grid-tied, on-grid), которые при отсутствии накопителей энергии подключены к централизованной системе электроснабжения, способные работать параллельно с сетью и излишки выработанной энергии передавать в сеть; гибридные инверторы (hybrid), которые совмещают в себе преимущества автономных и сетевых инверторов, имеют в своем составе накопители энергии и могут работать синхронно с энергосистемой для выдачи дополнительной мощности в сеть и потребителям [4, 5]. Кроме этого, все виды инверторов при наличии накопителей энергии функционируют в режиме заряда батарей, характеристика которого зависит от типа подключаемых накопителей энергии.

Диапазон параметров автономных инверторов более скромен: максимальные токи и напряжения редко превосходят нескольких тысяч ампер и несколько сотен вольт. Диапазон параметров гибридных устройств достаточно широкий: от нескольких ампер до десятков тысяч ампер, от десятков вольт до сотен тысяч вольт.

Интеграция альтернативных источников энергии и различных технологий распределенной генерации в электрических сетях приводит к увеличению разнообразия сети, включая интеллектуальные сети, и приводит к ужесточению требований различных стандартов. Ограничения для качества электроэнергии от альтернативных источников энергии и систем распределенной генерации приведены в стандартах многих стран. Среди требований - работа с определенным коэффициентом мощности (близко к единице), ограниченный гармонический состав генерируемого тока, непрерывная работа устройства при искажении напряжения и т.д. Большинство из этих требований могут быть удовлетворены применением специальных преобразовательных устройств с соответствующими системами управления. Поэтому системы распределенной генерации используют силовые электронные преобразователи для адаптации генерируемых параметров мощности к требуемым параметрам электрической сети. Дополнительной проблемой является то, что многие производители гибридных инверторов определяют генерируемый спектр и амплитуду гармоник для синусоидального напряжения питания и номинальной нагрузки. Но в настоящее время напряжение питающей сети не является синусоидальным и включает в себя гармонические составляющие по напряжению.

Гибридные преобразователи энергии по своему функциональному назначению способны работать параллельно с энергосистемой. При этом различные конфигурации инверторов позволяют обеспечивать выдачу электроэнергии в сеть с минимальным влиянием на качество напряжения в сети [6]. Это в свою очередь связано со стоимостью внедряемого оборудования. На данный момент самыми распространёнными способами повышения качества вырабатываемой электроэнергии в сеть от гибридных преобразователей является L и LCL фильтры на вводе устройства [7]. Фильтрующая способность LCL-фильтров значительно выше, чем у простого L-фильтра. Поэтому LCL-фильтр более популярен на практике. Фильтры LCL позволяют уменьшить габариты фильтра и обеспечивают более эффективную фильтрацию тока высших гармоник относительно фильтра L. Однако известно, что функционирование таких фильтров может приводить к возникновению резонансных явлений на частотах высших гармоник, свойства которых связаны с параметрами питающей сети. Поэтому правильный расчет параметров фильтра LCL важен для обеспечения стабильной работы гибридных инверторов напряжения. Существует несколько способов расчета этих параметров, однако, все они должны учитывать: максимальное снижение высших гармоник, вызванное процессом переключения, с минимальными габаритами фильтра и потреблением реактивной мощности. Кроме этого, известно, что добавление фильтров может приводить к возникновению резонансных явлений на частотах высших гармоник, связанных с параметрами питающей сети.

Экспериментальные исследования

Для оценки влияния гибридного инвертора на качество электроэнергии в точке общего подключения были проведены исследования в лабораторных условиях с применением трехфазного гибридного инвертора и аккумуляторной батареи. Инвертор был подключен к электрической сети на параллельную работу для питания нагрузки в виде активного сопротивления. Применялся гибридный инвертор МАП Hybrid.

Внешний вид лабораторной установки представлен на рис. 1.

 

Рис. 1. Гибридный инвертор МАП Hybrid

Fig. 1. MAP Hybrid hybrid inverter

 

Электрическая принципиальная схема гибридного инвертора МАП Hybrid представлена на рис. 2.

 

Рис. 2. Электрическая принципиальная схема гибридного инвертора

Fig. 2. Electrical schematic diagram of a hybrid inverter

 

Параметры лабораторной установки представлены в таблице. Исследовались режимы заряда АКБ и выдачи мощности в сеть при двух вариациях сопротивления системы. При этом к установке была подключена линейная нагрузка в виде активного сопротивления мощностью 4.5 кВт. Выдаваемая мощность от инвертора варьировалась в пределах от 500 Вт до 2 кВт в режиме генерации электроэнергии в сеть, и в пределах от 50 до 300 Вт в режиме заряда АКБ.

В результате лабораторных исследований были получены зависимости суммарных гармонических искажений тока (THDI) при различных режимах работы инвертора и сопротивлениях системы. На рис. 3 представлена зависимость выходной мощности инвертора и THDI выходного тока инвертора от времени.

 

Таблица

Параметры лабораторной установки

Table. Laboratory bench parameters

Наименование элемента	Параметры и значения
Электрическая сеть	U0 = 220 В, Zф01 = 0.8 Ом, Zф02 = 2.8 Ом,
Гибридный инвертор	Pном = 9 кВт, Uном = 220/12 В
Линейная нагрузка	Pном = 4.5 кВт, Uном = 220 В
Конденсаторная установка	Qном = 2.5 квар, Uном = 220 В

 

Рис. 3. Зависимость выходной мощности инвертора и THDI выходного тока от времени

Fig. 3. Dependence of the output power of the inverter and THDI of the output current on time

 

Из графика видно, что с увеличением выходной мощности инвертора снижается THDI выходного тока. Аналогичная зависимость была получена и для режима заряда АКБ. В этом случае гармонический состав тока соответствует режиму работы шестипульсного выпрямителя, а искажения в токе уменьшаются при увеличении потребляемой мощности.

 

Рис. 4. Зависимость THDI выходного тока инвертора от мощности заряда/разряда и сопротивления петли фаза-ноль

Fig. 4. Dependence of THDI of the output current of the inverter on the charge / discharge power and phase-zero loop resistance

 

На рис. 4 представлен график, характеризующий THDI выходного тока инвертора в различных режимах работы (заряд АКБ и выдача мощности в сеть) в зависимости от сопротивления петли фаза-ноль.

Из графика видно, что в рассматриваемых режимах THDI выходного тока инвертора уменьшается при подключении дополнительного сопротивления в линию, т.е. при увеличении сопротивления системы.

Основные результаты и выводы:

1. Напряжение на выходе инвертора остается постоянным, что объясняется типом инвертора, у которого на выходе напряжение не изменяется, как у источника напряжения.
2. Искажение тока на выходе инвертора зависит от выдаваемой мощности: большое искажение тока при низкой выходной мощности, но при увеличении выходной мощности искажение тока быстро уменьшается.
3. При отсутствии фильтра сопротивление системы незначительно влияет на искажение выходного тока инвертора: с увеличением сопротивления системы THDI выходного тока инвертора снижается.
4. Влияние искажений от инвертора на распределительную сеть зависит от сопротивления системы: если сопротивление системы возрастает, то влияние искажения напряжения от инвертора становится выше и наоборот, уменьшение сопротивления системы приводит к снижению искажения напряжения в сети, т.е. уменьшению влияния искажений от инвертора.

Стоит отметить, что в лабораторных условиях не удалось получить значения THDU на выходе инвертора [8], что объясняется достаточно мощной сетью и инвариантностью этого показателя для рассматриваемых условий.

Разработка алгоритма выбора методов и средств по снижению влияния гибридных инверторов на искажение напряжения питающей сети

На основании полученных результатов был разработан алгоритм выбора методов и средств по обеспечению электромагнитной совместимости при работе нагрузки и гибридного инвертора с накопителем энергии, позволяющий снизить влияние гибридных инверторов на искажение напряжения питающей сети [9]. Блок-схема алгоритма представлена на рис. 5.

 

Рис. 5. Блок-схема алгоритма выбора методов и средств по снижению влияния гибридных инверторов на искажение напряжения питающей сети

Fig. 5. Block diagram of the algorithm for choosing methods and means to reduce the effect of hybrid inverters on the voltage distortion of the supply network

 

Суть алгоритма заключается в следующем.

Первоначально необходимо провести измерения показателей качества электроэнергии в части гармонических искажений по току и напряжению в точке подключения гибридного инвертора к сети. Подразумевается подключение промышленного гибридного инвертора к сети через силовой трансформатор. Главным показателем, характеризующим влияние инвертора на искажение в напряжении сети, является коэффициент искажения по току, так как если он соответствует более строгим стандартам IEC и IEEE, то и искажения в напряжении будет в пределах нормативных значений. На основании полученных результатов исследований было выявлено, что повышение выходной мощности инвертора приводит к снижению искажения выходного тока, что целесообразно осуществить в случае наличия резерва по мощности инвертора и накопителя энергии. Далее при несоответствии показателей качества электроэнергии нормативным требованиям, применяются другие методы по ограничению искажений напряжения и тока на выходе инвертора: построение устройств на основе многоуровневых инверторов напряжения и применение фильтров высших гармоник. После приведения показателей по току в нормируемые пределы влияние на искажение напряжения сети будет минимально. Однако если искажение напряжения сети превышает нормируемые значения (например, в случае наличия искажения сети до подключения гибридного инвертора), то необходимо провести расчеты по снижению сопротивления системы с помощью возможного варьирования положения отпаек вводного силового трансформатора, так как уменьшение сопротивления системы приводит к уменьшению искажения в напряжении на выходе трансформатора. В случае, если искажение напряжения сети до сих пор превышает нормируемые значения, то режимы работы гибридного инвертора не оказывают влияние на искажение напряжения в сети, поэтому необходимо применение сторонних мероприятий, не связанных с работоспособностью инвертора напряжения.

Заключение

В работе исследовались несколько режимов работы гибридного инвертора с оценкой показателей качества электроэнергии. Получены зависимости THDI на выходе инвертора от выходной мощности для линейной нагрузки. Предложен алгоритм выбора методов и средств по обеспечению электромагнитной совместимости при работе нагрузки и гибридного инвертора с накопителем энергии, позволяющий снизить влияние гибридных инверторов на искажение напряжения питающей сети.

About the authors

Ya. E. Shklyarskiy

Saint Petersburg Mining University

Author for correspondence.
Email: s175070@stud.spmi.ru

DSc in Engineering

Russian Federation, Saint Petersburg

A. N. Skam'in

Saint Petersburg Mining University

Email: s175070@stud.spmi.ru

PhD in Engineering

Russian Federation, Saint Petersburg

O. S. Vasil'kov

Saint Petersburg Mining University

Email: s175070@stud.spmi.ru
Russian Federation, Saint Petersburg

References

Supplementary files