Исследование и разработка электронных устройств и систем управления энергообеспечением автономных объектов

Актуальность представляемой работы определяется тем, что в последнее время существенно расширился качественно и количественно важный класс потребителей электроэнергии — автономные объекты, удаленные от электрических сетей [1,2], причем доставка энергоносителей на эти объекты технически невозможна или практически нецелесообразна.

На земной поверхности примером таких объектов могут служить автономные радиофицированные комплексы («буи»), предназначенные для целей аэронавигации, экологического, метеорологического и т. п. мониторинга и расположенные (в буквальном смысле слова -«заброшенные») в труднодоступной местности — в тайге, на Севере, особенно на побережье и островах Северного Ледовитого океана. Иногда для автономных объектов может возникнуть парадоксальная ситуация: они могут оказаться вблизи трассы мощных линий электропередачи (ЛЭП), но это обстоятельство, не облегчая проблему с точки зрения снабжения электроэнергией, сильно усложняет ее с точки зрения необходимости подавления мощных электрических помех. Особую категорию автономных объектов составляют космические аппараты. К автономным (или, как минимум, к «полуавтономным») с энергетической точки зрения объектам могут быть отнесены пограничные заставы (особенно в горной местности), геологические партии и т. п. Если же смотреть на проблему шире, — то необходимо отметить, что 70% населения Земли полностью или частично лишены возможности пользоваться электроэнергией из-за отсутствия электрических сетейтолько в России около 50% территории не имеет таких сетей.

Наиболее приемлемым видом энергии для большинства автономных объектов является энергия Солнца, и в представляемой диссертации будут рассматриваться узлы и устройства автоматизированных систем автономного энергообеспечения, базирующихся именно на солнечной энергии. Солнечная энергетика на настоящий момент является почти единственной, запасы которой совершенно неисчерпаемы (количество энергии, получаемой Землей от Солнца за один час, равно общему количеству энергии, потребляемой людьми в год) и которая одновременно с этим практически не имеет экономических ограничений.

Вполне закономерно, что разработки в области солнечной энергетики и попытки ее практического использования, особенно в США и Западной Европе, ведутся чрезвычайно интенсивно и во всем диапазоне возможных применений — от микроэлектростанций на несколько десятков ватт для различных автономных пользователей до солнечных электростанций промышленного назначения (до десятков киловатт), включая также такие применения, как космические аппараты и гелиоавтомобили.

В большинстве промышленно развитых стран разработаны и осуществляются национальные программы по развитию солнечных энергетических систем: New Sunshine Program [3] в Японии, Korean National Photovoltaic Project [4]в Корее, несколько программ, включая National Photo voltaicsProgram [5,6], в США. Общая мощность этих систем в 1999 г. составила более 150 МВт, и прогнозируется их ускоренное развитие [7].

Недостатком солнечной энергетики является сравнительно невысокая эффективность ее преобразования в электрическую, поскольку используются неэффективные, громоздкие и дорогие солнечные панели (СП). Хотя человечество не теряет надежды на изобретение в будущем других форм преобразования, пока к.п.д. солнечных панелей реально не превышает 13. 15%. При этом необходимо отметить, что СП сами по себе, без использования дополнительных элементов и устройств, в большинстве случаев не могут обеспечить поставку электроэнергии потребителю. Для выполнения этой задачи необходимо наличие контроллера, аккумулятора энергии, выходного адаптера (выходных адаптеров) и других узлов и устройств, которые в совокупности с СП и составляют систему энергообеспечения (СЭО).

В последнее время СЭО, базирующиеся на солнечной энергии, принято называть электростанциями солнечными (ЭС), и в представляемой диссертации используется именно этот термин. Роль солнечных панелей в ЭС аналогична роли генератора, например, в гидроэлектростанции, а остальные узлы и устройства электростанции солнечной (контроллер, адаптеры и т. д.) составляют автоматизированную систему управления энергообеспечением (АСУ ЭО).

Тематику настоящей диссертации составляют исследования и разработки в области АСУ ЭО автономных объектов. В этой тематике наиболее актуальными являются два основных направления:

1) Максимальное повышение эффективности АСУ ЭО. Учитывая указанный выше крайне низкий 15-процентный к.п.д. солнечных панелей, каждый лишний процент, теряемый на узлах и устройствах системы управления, может существенно снизить технические характеристики солнечной электростанции в целом. Опасность дополнительного снижения эффективности особенно велика применительно к ЭС малой мощности (до 100 Вт),.

2) Обеспечение помехозащищенности и других важнейших показателей надежности АСУ ЭО, равно как и всей электрической и радиоэлектронной аппаратуры автономных объектов в целом. Это наиболее актуально для такой аппаратуры автономных объектов, ремонт и восстановление которой часто практически невозможны без ее эвакуации с объекта. При этом «приемной антенной» для аварийно-опасных помех, как правило, являются токопроводы АСУ ЭО. Источниками аварийно-опасных помех могут являться грозовые разряды, электромагнитное излучение северных сияний, близкорасположенные мощные линии электропередачи, радиопередающие и ретрансляционные станции, электрооборудование транспортных средств и т. д.

Целью представляемой диссертационной работы является совершенствование электронных автоматических систем управления солнечными электростанциями малой мощности, предназначенными для автономных (в том числе необслуживаемых) объектов. Это совершенствование направлено на повышение эффективности автоматизированных систем управления энергообеспечением, а также на повышение помехозащищенности электрической и радиоэлектронной аппаратуры объекта в целом.

Для достижения поставленной цели в работе сформулированы и решаются следующие задачи:

— исследование существующих и возможных электронных узлов, устройств и систем управления энергообеспечением на основе солнечных панелей или батарей солнечных панелей;

— анализ структурных и электрических схем систем управления энергообеспечением автономных объектов, а также узлов и устройств, входящих в состав этих систем;

— выбор элементов и разработка структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих максимально достижимую эффективность АСУ ЭО автономных объектов;

— вывод и анализ расчетных соотношений для выбора элементов и схемотехнических решений АСУ ЭО, позволяющих снизить до допустимых значений импульсные помехи, наводимые в токопроводах;

— исследование полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН) и разработка устройств на их основе;

— анализ экономических вопросов производства и применения солнечных электростанций.

Методы исследования. В основе исследований, выполненных в диссертационной работе, лежат аналитические методы расчетов электрических и магнитных цепей, включая операторный методпреобразование Лапласа, использование основ теории полупроводниковых приборов, компьютерные расчеты. Достоверность полученных аналитических зависимостей и результатов компьютерных расчетов проверена экспериментальными исследованиями, выполненными на макетных и опытных образцах устройств АСУ ЭО.

Научная новизна настоящей диссертационной работы представлена:

— анализом и новыми техническими решениями структурных схем систем энергообеспечения, использующихся в качестве источников энергии солнечные панели;

— новыми техническими решениями электрических схем управления системами энергообеспечения на основе СП;

— схемой замещения СЭО на основе СП с учетом ЬС фильтра, ограничивающего несимметричные помехивыведенными математическими соотношениями основных параметров схемы замещения, анализом этих соотношений;

— схемотехническими решениями устройств подавления импульсных сетевых помех, оригинальность которых защищена Свидетельствами РФ на полезные модели.

Практическая ценность диссертационной работы заключается:

— в систематизации узлов, устройств и систем автоматизированного управления энергообеспечением автономных объектов, базирующихся на использовании солнечной энергии;

— в выборе компонентной базы и разработке структурных и электрических решений, обеспечивающих максимальную эффективность АСУ ЭО, базирующихся на СП;

— в разработке рекомендаций по снижению импульсных помех в АСУ ЭО- .

— в разработке устройств подавления импульсных помех на базе полупроводниковых ограничителей напряжения (ПОН).

Реализация результатов работы. Теоретические и экспериментальные результаты работы получены в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (МИРЭА), ОАО «Научно-исследовательский институт вычислительных комплексов имени М.А.Карцева» (НИИВК) и ОАО «Вычислительная техника и промышленная электроника» (ВТ и ПЭ) в ходе выполнения ОКР «Разработка устройств подавления сетевых помех и устройств защиты от перенапряжений, КЗ и пропаданий напряжения» (шифр «Защитник»), «Разработка, изготовление и поставка устройств электропитания цифрового вычислительного комплекса для изделия Л-01» (шифр «Л-01-ЦВК») и «Разработка поупроводникового преобразователя постоянного напряжения» (Шифр «Свет-ПППН») в рамках «Комплексной программы по созданию электросолнечных агрегатов электропитания, устройств и систем солнечной энергетики», утвержденной Госкомоборонпромом России 30.09.1994 г. и Федеральной целевой программы «Реструктуризация и конверсия оборонной промышленности (1996;2000 г. г.)».

Разработаны и внедрены в серийное производство на заводе «Красное Знамя» (г. Рязань) электронные устройства, входящие в автоматизированную систему управления ЭС с выходной мощностью от единиц до десятков ватт, а также устройства широкого назначения для подавления сетевых помех. Разработана и апробирована компьютерная методика оценки и повышения помехозащищенности аппаратуры автономных объектов при питании от солнечных источников электроэнергии.

Практическая реализация результатов работы подтверждена прилагаемыми к диссертации актами внедрения.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. По результатам анализа структурных схем электронных систем управления энергообеспечением автономных объектов сформулированы рекомендации к применению базовых структур.

2. Схемотехника специального преобразователя постоянного напряжения и мостового инвертора с выходным синусоидальным напряжением 220В — 50Гц позволяет исключить громоздкий низкочастотный выходной трансформатор.

3. Контроллеры и зарядные устройства наиболее перспективны при использовании специально разработанных схемпри этом исключается необходимость выравнивания напряжений на отдельных элементах аккумуляторных батарей.

4. Анализ несимметричных импульсных помех, воздействующих на аппаратуру автономного объекта, а также полученные аналитические выражения позволяют ограничивать помехи в пределах допустимых значений за счет выбора параметров режекторного дросселя и других компонентов схемы замещения.

5. Предложенные в работе устройства подавления импульсных помех, построенные на базе полупроводниковых ограничителей напряжения, рекомендуются к повсеместному применению в сетях постоянного и переменного тока.

6. Анализ экономических аспектов конструирования и внедрения в промышленность солнечных электростанций типа ЭС-2 для автономных объектов позволяет сделать вывод об экономической целесообразности разработки и производства электростанций рассматриваемого класса.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и обсуждены:

— на Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-98», Москва, февраль 1998 г.;

— на Второй Международной конференции «Моделирование интеллектуальных процессов проектирования и производства», г. Минск (Беларусь), ноябрь 1998 г.;

— на Международной конференции стран СНГ «Молодые ученыенауке, технологиям и профессиональному образованию для устойчивого развития: проблемы и новые решения», Москва, ноябрь 1999 г.;

— на научно-технической конференции «Энергосбережение на рубеже веков», Москва, декабрь 1999 г.;

— на Второй Всероссийской научно-технической конференции «Устройства и системы энергетической электроники УСЭЭ-2000», Москва, март 2000 г.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 6 печатных работ. Результаты диссертации защищены двумя Свидетельствами РФ на полезную модель (получены положительные решения о выдаче Свидетельств).

Выводы по главе 4.

1. Рассмотрены технические аспекты проекта организации производства солнечных электростанций малой и средней мощностив разработке бизнес-плана этого проекта участвовал автор диссертации. Оценены возможности формирования научно-производственной кооперации по реализации проекта.

2. Определена близкая к оптимальной номенклатура и конфигурация солнечных электростанций малой и средней мощности, а также составляющих их узлов и устройств.

3. Наиболее «продвинутыми» с точки зрения промышленного выпуска являются модели электростанций ЭС-2 и ЭС-2А.

4. Показана экономическая целесообразность разработки и производства солнечных электростанций рассматриваемого класса.

Заключение

.

В ходе исследований, расчетов и макетирования по теме диссертационной работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Выполнен обзор принципов построения энергообеспечения автономных объектов при использовании в качестве первичных источников электропитания панелей и анализ проблем солнечных электростанций малой мощности.

2. Проведен анализ электронных систем и устройств управления энергообеспечением автономных объектов, по результатам которого рекомендовано к применению несколько базовых структурных схем.

3. Проанализированы электрические схемы высокочастотных инверторов, что позволило разработать инвертор с выходным синусоидальным напряжением 220 В — 50 Гц при использовании для питания инвертора формирователя однополярных полусинусоид.

4. Рассмотрены схемы контроллеров и зарядных устройств. Предложены способы их объединения в целях включения нескольких солнечных панелей и аккумуляторных батарей без применения симметрирующих устройств для аккумуляторных батарей. Разработано специальное устройство — регулятор заряда и защиты. '.

5. Приведены результаты разработки и освоения в мелкосерийном производстве солнечных электростанций типа ЭС-2.

6. Выполнен анализ импульсных помех естественного и искусственного происхождения, воздействующих на аппаратуру автономного объекта при питании потребителей электроэнергии от солнечных панелей.

7. Получены соотношения для выбора параметров основных элементов схемы замещения системы управления энергообеспечением автономного объекта с питанием от солнечной батареи. Указанные соотношения подтверждены компьютерными расчетами переходных процессов.

8. Разработаны новые устройства подавления сетевых помех на основе полупроводниковых ограничителей напряжения, защищенные положительными решениями о выдаче Свидетельств РФ на полезные модели.

9. Показана экономическая целесообразность разработки и производства солнечных электростанций рассматриваемого класса.