Новая элементная база СБЭ

Для улучшения эксплуатационно-технических характеристик (КПД, показателей надёжности, быстродействия систем управления и защиты) в структуре СБЭ необходимо применять новую элементную базу. В качестве электромеханических генераторов электроэнергии необходимо использовать бесконтактные электрические машины, синхронные генераторы с возбуждением от постоянных магнитов и асинхронные генераторы емкостного возбуждения. Развитие силовых электронных приборов, применяемых в системах управления бесконтактных генераторов, а также значительное уменьшение удельной массы конденсаторов возбуждения и компенсации реактивной мощности значительно улучшили их характеристики в сравнении с контактными электрическими машинами (КПД повысился на 5−7%, а ресурс непрерывной работы увеличился в 2−3 раза) [10, 11].

Применение в составе автономных инверторов однофазно-трёхфазных трансформаторов с вращающимся магнитным полем позволит уменьшить количество силовых электронных приборов в схеме преобразования и стабилизации напряжения, упростить систему управления, уменьшить уровень электромагнитных помех, создаваемых полупроводниковыми приборами при коммутации, и в целом повысить КПД и показатели надёжности преобразователя напряжения постоянного тока [12, 13]. При использовании в их конструкции автономных инверторов промежуточного звена повышенной частоты тока значительно улучшатся массогабаритные показатели [14].

Хороший технический эффект достигается при использовании в составе ветроэлектрической установки непосредственных преобразователей частоты в качестве стабилизатора напряжения и частоты тока. Это позволяет упростить механическую конструкцию редуктора частоты вращения вала ветроколеса за счёт исключения автоматической системы стабилизации частоты вращения [15, 16]. Принцип работы непосредственных преобразователей частоты позволяет осуществлять независимую стабилизацию напряжения и частоты тока генератора ветроустановки [17].

Использование в составе СБЭ комбинированных силовых коммутационных аппаратов, выполненные на силовых электронных приборах, в конструкции которых исключены дугогасительные камеры и, осуществляющих коммутации, и электромеханических контактов, работающих в основном режиме при подключении источников к потребителям, значительно увеличивает ресурс, надёжность и быстродействие таких аппаратов [18].

Перспективным является направление разработки универсальных статических преобразователей (УСП) электроэнергии, работающих в режимах инверторов, выпрямителей, конверторов и преобразователей частоты и способных пропускать через себя потоки энергии в обоих направлениях. УСП представляет собой устройство, содержащее блоки силовых управляемых электронных приборов, фильтров, системы управления и защиты, коммутационные аппараты, трансформаторный блок. Особенностью работы системы управления УСП является то, что она выполняет свои функции по нескольким алгоритмам таким образом, что преобразователь может работать в режиме любого типа преобразователя. Применение УСП в составе СБЭ позволит уменьшить число статических преобразователей электроэнергии и повысит эффективность работы системы в аварийном режиме путём адаптивного изменения структуры силовых цепей и режимов работы УСП [19].

На рисунке 4 представлен один из вариантов структурно-схемного решения СБЭ с использованием УСП, который разработан на базе обобщённой схемы, приведённой на рисунке 2 (на рисунке 4 не показаны АИЭ и внешняя сеть). При питании потребителей электрической энергии от ветроэлектрической установки универсальный статический преобразователь УСП1 может работать в режиме выпрямителя (тогда она подключается к шине ШГП2) или в режиме стабилизатора напряжения переменного тока (тогда она подключается к шине ШГП1). УСП2 работает в режиме выпрямителя, когда основными источниками электроэнергии для потребителей являются ВИЭ и в режиме инвертора — когда источники электроэнергии подключаются к шине ШГП1.