Удосконалення гібридної фотоелектричної системи з акумуляторною батареєю для потреб локального об'єкту

Abstract

Дисертаційна робота присвячена вдосконаленню гібридної фотоелектричної системи для потреб локального об’єкту із забезпеченням: сумісності з енергосистемою за гармоніками, вирівнюванням споживання в часі з обмеженням пікового та виключення експорту енергії в мережу, підвищення ступеню використання фотоелектричної енергії на споживання зі зменшенням витрат на електроенергію. В дисертації отримано такі нові наукові результати: 1. Отримав розвиток принцип управління фотоелектричною системою з завданням значення активної потужності, що споживається з мережі, за прогнозом фотоелектричної генерації з формуванням стану заряду акумуляторної батареї та зміною механізму перемикання регуляторів та введенням зворотного зв’язку за потужністю навантаження, що забезпечує підвищення ступеню споживання фотоелектричної енергії та зменшення витрат на електроенергію. 2. Запропоновано використання в контурі регулювання струму інвертору зворотного зв’язку за струмом конденсатора вихідного фільтру з модифікацією структури фільтру за визначенням параметрів, що сприяє забезпеченню відповідності стандарту струму в точці підключення до мережі в разі несинусоїдальної напруги. 3. Удосконалено математичну модель акумуляторної батареї за рахунок врахування зміни режимів заряду та значень струму розряду, що підвищує точність відтворення характеристик, що надані виробником. 4. Розвинуто принципи реалізації модульної структури моделі системи з відокремленням незмінної частини та модуля формування завдання, що побудовані з врахуванням режимів функціонування. Ведення модуля формування завдання дозволяє в прискореному режимі до основного циклу моделювання визначити параметри управління та завдання потужності. У першому розділі проведено аналіз існуючих рішень щодо гібридних фотоелектричних систем для самоспоживання локальних об’єктів. Виконано дослідження стану існуючих рішень сучасних гібридних інверторів. Проаналізовано стан розробок щодо реалізації перетворювального агрегату та системи керування гібридною фотоелектричною системою з акумуляторною батареєю. Оцінено можливості використання багатофункціональних мережевих інверторів для забезпечення електромагнітної сумісності з мережею відповідно стандартам. Показано, що наявність конденсатору вихідного фільтра в умовах несинусоїдності напруги, яка припускається стандартом, призводить до погіршення гармонійного складу струму в точці підключення до мережі. Виконано аналіз систем регулювання перетворювального агрегату фотоелектричних систем та алгоритмів управління розподілом енергії в системі електроживлення локального об’єкту. Проведено аналіз стану щодо математичного моделювання електромагнітних та енергетичних процесів в фотоелектричних системах з акумуляторною батареєю. На підставі виконаного аналізу сформульовано завдання для вирішення. У другому розділі розглянуто структури перетворювального агрегату фотоелектричної системи з багатофункціональним мережевим інвертором за мостовою та каскадною схемами. Показано, що за підтримання коефіцієнта потужності близького до 1 в точці підключення до мережі, з мережі споживається лише активна потужність. Це створює передумови для управління потужністю, що споживається. Обґрунтовано визначення параметрів силових кіл та напруги на вході мережевого інвертора з урахуванням припустимих за стандартом значень вищих гармонік напруги мережі. Розглянуто можливість компенсації вищих гармонік струму, обумовлених відповідними гармоніками напруги мережі. Показано, що це досягається зміною структури вихідного фільтру мережевого інвертора за відповідних параметрів його елементів в поєднанні з компенсуючим зв’язком за струмом фільтру в контурі регулювання струму та введенням до блоку завдання струму сигналу струму конденсатору фільтру. Виконано аналіз АЧХ і ФЧХ фільтру та обґрунтовано параметри зі зменшенням фазового зсуву фільтру до 90°, що дозволяє зменшити вдвічі сталу фільтру в колі зв’язку за струмом конденсатору вихідного фільтру. Це сприяє компенсації гармонік більш високого порядку. З урахуванням отриманих рішень розроблені математичні моделі в Matlab для досліджень електромагнітних процесів в системі "мережа – перетворювальний агрегат – навантаження" з урахуванням несинусоїдальної напруги для схеми багатофункціонального мостового інвертора, а також в разі використання послідовного з’єднання інверторів. Результати моделювання підтверджують можливість підтримання якості струму мережі за значення THDig ≤5% практично у всьому діапазоні його змінювання. Третій розділ присвячений реалізації управління з завданням потужності, що споживається з мережі. Обґрунтовано доцільність управління за прогнозом генерації фотоелектричної батареї та відомим (розрахунковим) графіком потужності навантаження з завданням потужності, що споживається з мережі. В якості цільової функції управління обрано графік стану заряду акумуляторної батареї з завданням контрольних точок та обмеженням глибини розряду. Це забезпечує контрольований заряд незалежно від рівня генерації фотоелектричної батареї з обмеженням глибини розряду та забезпеченням максимального споживання фотоелектричної енергії для зменшення енергії, що споживається з мережі. Розглянуто структуру системи регулювання перетворювальним агрегатом із змінною структурою регуляторів за прив’язки режимів роботи та перемикань регуляторів до формування стану заряду акумуляторної батареї. Запропоновано в режимі заряду з постійною напругою в разі близьких значень потужності, що споживається з мережі, і потужності навантаження здійснювати перемикання каналу керування фотоелектричною батареєю в режим максимальної потужності з вмиканням каналу регулювання потужності, що зменшує значення потужності мережі відносно заданого. Використовується виміряне значення потужності навантаження і вводиться обмеження щодо потужності мережі, що забезпечує максимальне використання фотоелектричної енергії на споживання із зменшенням споживання енергії з мережі. Показано, що реалізація управління передбачає використання трьох каналів регулювання в разі роботи паралельно з мережею і четвертий канал з регулятором напруги навантаження в автономному режимі зі зміною налаштування контуру регулювання струму. За цього в каналі регулювання струму фотоелектричної батареї використовується кероване обмеження за максимальним струмом, що виключає перемикання в режим короткого замикання. Показано доцільність реалізації автономного режиму з регулюванням потужності навантаження (зниженням напруги до 10%) в разі заряду акумулятору за постійної напруги, коли потужність фотоелектричної батареї є близькою до максимально можливого значення. Це значення визначається за поточним значенням виміряного струму короткого замикання фотоелектричної батареї. Це дозволяє підтримувати заряд акумулятора певний час за наявності фотоелектричної генерації. Запропоновані сценарії управління та обґрунтована методика визначення завдання активної потужності, що споживається з мережі, згідно прийнятої тарифікації оплати за електроенергію. Встановлено, умови коли за середньомісячної генерації на рівні літа перехід з сценарію за одним тарифом на тризонний забезпечує більше зниження витрат на електроенергію. Четвертий розділ присвячений математичному моделюванню енергетичних процесів фотоелектричної системи для добового циклу роботи. Виконано уточнення опису моделі. Це стосується: введення незалежної змінної, яка визначає задане значення потужності, що споживається з мережі; введення оцінювання ступеню використання фотоелектричної енергії з безпосереднім визначенням енергії, що генерується, та використовується на споживання; врахуванням зміни режимів функціонування; визначення вихідної потужності інвертору в години вечірнього піку навантаження з урахуванням завдання потужності мережі, що дозволяє розглядати різні сценарії функціонування за різної тарифікації оплати за спожиту з мережі електроенергію. Розглянуто математичну модель акумулятору з підвищенням точності відтворення характеристик заряду і розряду до 3% відносно характеристик виробника, що надаються в графічній формі. Обґрунтовано компонування структури моделі енергетичних процесів з відокремленням модулю формування завдання, який здійснює розрахунок параметрів управління в прискореному масштабі часу до початку основного циклу моделювання. Розрахунок здійснюється для визначеного набору сценаріїв. Дана структура є достатньо гнучкою щодо змінювання сценаріїв. Виконано моделювання за прийнятих сценаріїв управління для різних умов і графіків навантаження. Результати моделювання показали, що при формуванні графіку стану заряду акумулятора визначальним є середнє значення потужності на інтервалах часу. Підтверджено можливість підвищення ступеню використання фотоелектричної енергії на 6.6% в разі змінювання алгоритму з регулюванням завдання потужності в зоні заряду акумулятору з постійною напругою. За прийнятих умов це забезпечило зменшення споживання з мережі на 3.3-5%. Також підтверджено можливість зниження витрат на електроенергію в разі переходу з сценарію для одного тарифу на тризонну тарифікацію. Для розглянутого конкретного використання зниження становить 8.7 %.

The dissertation work is devoted to improving the hybrid photovoltaic system for local facility needs with the provision of: compatibility with the power system in terms of harmonics, equalization of consumption over time with peak limiting and elimination of energy export to the grid, increasing the degree of use of photovoltaic energy for consumption with reducing electricity costs. The following new scientific results were obtained in the dissertation: 1. The principle of PV system management with active power value task, which is consumed from the grid, according to the PV generation forecast with the formation of the state of charge of the battery and a change in the switching mechanism of the regulators and the introduction of feedback on load power, which ensures an increase in the degree of consumption of photovoltaic energy and a reduction in electricity costs was developed. 2. It was proposed to use feedback on the current of the output filter capacitor in the inverter current control loop with a modification of the filter structure by definition of parameters, which helps ensure compliance with the current standard at the point of connection to the grid at a non-sinusoidal voltage. 3. It was improved the mathematical model of the battery by taking into account changes in charge modes and discharge current values, which increases the accuracy of reproducing the battery characteristics provided by the manufacturer. 4. The principles of implementing the modular structure of the system model with the isolation of the unchanged part and the task creation module, built taking into account the operating modes, were developed. Maintaining the task creation module allows to quickly determine the control parameters and power tasks before the main modeling cycle. In the first section, the analysis of existing solutions of hybrid photovoltaic systems for self-consumption of local facilities was carried out. A study of the state of existing solutions for modern hybrid inverters was carried out. The state of developments for the implementation of a converter unit and a control system for a hybrid photovoltaic system with a storage battery was analyzed. The possibilities of using multifunctional grid inverters to ensure electromagnetic compatibility with the grid in accordance with the standards were assessed. It is shown that the presence of an output filter capacitor in conditions of non-sinusoidal voltage allowed by the standard leads to a deterioration in the harmonic composition of the current at the point of connection to the grid. An analysis of control systems for the converter unit of photovoltaic systems and algorithms for controlling energy distribution in the power supply system of a local facility was carried out. An analysis of the state of mathematical modeling of electromagnetic and energy processes in photovoltaic systems with a battery was carried out. Based on the analysis performed, tasks for solution were formulated. In the second section, the structures of the converter unit of a photovoltaic system with a multifunctional grid inverter using bridge and cascade circuits was considered. It is shown that by maintaining the power factor close to 1 at the point of connection to the grid, only active power is consumed from the grid. This creates the prerequisites for managing power consumption. The determination of the parameters of power circuits and the voltage at the input of the grid inverter was justified, taking into account the values of higher harmonics of the grid voltage that are permissible according to the standard. The possibility of higher current harmonics compensation caused by the corresponding harmonics of the grid voltage was considered. It is shown that this is achieved by changing the structure of the output filter of the grid inverter with the appropriate parameters of its elements in combination with a compensating connection for the filter current in the current control loop and entering a filter capacitor current signal into the current setting block. The analysis of AFC and PFC of the filter was carried out and the parameters were justified with a decrease in the phase shift of the filter to 90°, which makes it possible to halve the filter constant in the coupling circuit by the current of the output filter capacitor. This contributes to the compensation of a higher order harmonics. The possibility of using circuits with series connection of inverters was considered and the single-channel structure of the control system with a slave current control loop using a current deviation channel common to all inverters and changing the external controller according to the operating mode was improved. When operating in parallel with the grid, it is a current (voltage) regulator; in autonomous mode, it is a load voltage regulator, while the photovoltaic battery operates in a mode close to a short circuit, as a current source. Taking into account the obtained solutions, mathematical models were developed in Matlab for studying electromagnetic processes in the system «grid – converter unit – load» taking into account non-sinusoidal voltage for a multifunctional bridge inverter circuit, as well as in the case of using a series connection of inverters. The simulation results confirm the possibility of maintaining the grid current quality at a value of THDig≤5% in almost the entire range of its variation. The third section is devoted to the implementation of control with setting power consumption from the grid. The expediency of control based on the photovoltaic battery generation forecast and the known (calculated) load power schedule with setting the power consumption from the grid was substantiated. The graph of the battery charge state with setting control points and limiting the depth of discharge was selected as the target control function. This provides controlled charging regardless of the generation level of the PV array, limiting the depth of discharge and ensuring maximum PV energy consumption to reduce energy consumption from the grid. The structure of a converter unit control system with a changing structure of regulators is considered when linking operating modes and switching regulators to the formation of the storage battery state of charge. It was proposed in the charging mode with a constant voltage, in the case of close values of power consumption from the grid and load power, to switch the control channel of the photovoltaic battery to the maximum power mode with the inclusion of a power control channel, which reduces the grid power value of relative to the specified one. The measured load power is used and grid power capping is introduced, ensuring maximum PV energy utilization per consumption while reducing energy consumption from the grid. It is shown that the control implementation involves the use of three regulation channels in the case of operation in parallel with the grid and the fourth channel with the load voltage regulator in autonomous mode with a change setting of the current control loop. In this case, in the PV current control channel, a controlled maximum current limitation is used, which prevents the PV from switching to short circuit mode. The feasibility of implementing an autonomous mode with load power adjustment (voltage reduction to 10%) is shown in the case of battery charging at a constant voltage, when the PV power is close to the maximum possible value. This value is determined from the current value of the measured short-circuit current of the photovoltaic array. This allows to maintain battery charge at a certain time in the presence of photovoltaic generation. Control scenarios are proposed and a methodology for determining the task of active power consumed from the grid according to the accepted tariff for electricity payment is substantiated. It was established that with average monthly generation at the level of summer, the transition from the one-tariff scenario to the three-zone one provides a greater reduction in electricity costs. The fourth section is devoted to the mathematical modeling of the photovoltaic system energy processes for the daily work cycle. The model description was refined. This applies to: entering an independent variable that determines the set value of power consumption from the grid; introduction of an assessment of the photovoltaic energy degree of use with a direct determination of the generated energy and used for consumption; taking into account changes in operating modes; determination of the output inverter power during the evening peak load hours, taking into account the grid power task, which allows to consider different operating scenarios with different tariffs for electricity payment consumed from the grid. A mathematical model of a battery is considered with an increase in the accuracy of reproducing charge and discharge characteristics up to 3% in relation to the manufacturer's characteristics provided in graphical form. The layout of the structure of the model of energy processes in the system with the division of the task formation module, which carries out the calculation of control parameters in an accelerated time scale before the start of the main modeling cycle, is justified. The calculation is performed for a specific set of scenarios. This structure is flexible enough for changing scenarios. Simulation under accepted control scenarios for various conditions and load schedules was performed. The simulation results showed that during the forming a graph of the battery charge state, the determining factor is the average power value at time intervals. The possibility of increasing the degree of utilization of photovoltaic energy by 6.6% in case of changing the algorithm with regulating the power setting in the battery charging zone with a constant voltage, has been confirmed. Under the accepted conditions, this ensured a decrease in consumption from grid by 3.3-5%. The possibility of reducing electricity costs during moving from a single tariff scenario to a three-zone tariff system has also been confirmed. For the specific use considered, the decrease is 8.7%.