Моделирование нано-грид сетей постоянного тока бытовых потребителей

Проведено моделирование бытовой электросети постоянного тока потребителя с небольшой установленной мощностью. Для этого на основе классификации бытовых электроприемников были разработаны компьютерные модели установившегося и переходного режимов наиболее распространенных электроприборов при функционировании в сети постоянного тока. Затем полученные модели использовались для анализа режимов работы совокупности электрприборов в рамках обобщенной нано-грид сети постоянного тока потребителя малой мощности. Кроме того в рамках исследований был разработан опытный образец DC-DC преобразователя для построения автономной сети постоянного тока на базе аккумуляторных батарей.

Цели проекта:
1. оценка эффективности функционирования бытовых электроприборов при питании на постоянном токе
2. популяризация идеи использования питания на постоянном токе в сетях с генерацией на базе возобновляемых источников энергии
Задачи проекта:
1. Экспериментальное исследование режимов работы различных типов бытовых электроприборов на постоянном токе.
2. Компьютерное моделирование переходного и установившегося режимов работы сети постоянного тока.
3. Создание экспериментального образца повышающего DC-DC преобразователя для сопряжения сети постоянного тока с аккумуляторными батареями установок возобновляемых источников энергии

В настоящее время сети постоянного тока перестали быть специфическим решением для автономных систем электроснабжения транспортных средств или оперативных цепей систем управления и находят широкое применение при питании центров хранения данных, систем телекоммуникационного оборудования и энергосберегающего освещения. В данной работе делается попытка развить данные тенденции и предложить еще одну сферу применения сетей постоянного тока - при организации бытовых нано-грид сетей с интегрированными установками возобновляемых источников энергии. Особенностью подобных сетей является работа их отдельных участков на постоянном токе, что делает возможным полный перевод функционирования нано-грид сети в режим постоянного тока

Методология работы подразумевает экспериментальные и теоретические исследования функционирования бытового электрооборудования, входящего в состав нано-грид сети, на постоянном токе. 

Экспериментальная часть включает в себя тестирование работы различных электроприборов в установившемся и переходном режимах при питании от лабораторного программируемого источника напряжения. Данное оборудование позволяет имитировать требуемый режим сети, измерять характеристики тестируемого электроприбора и затем обрабатывать полученные измерения на компьютере.

Теоретическая часть состоит в компьютерном моделировании характеристик бытового электрооборудования в установившемся и переходном режимах с возможностью последующего использования моделей при расчете потоков мощности, потерь напряжения и прочих параметров режима сети постоянного тока. Для каждого электроприбора измеряется вольт-амперная характеристика в установившемся режиме, которая затем используется для моделирования переходного режима. Проверка корректности разработанных компьютерных моделей производится путем их сравнения с экспериментально измеренными характеристиками тестируемого электрооборудования.

Также проводятся опытно-конструкторские работы по созданию образца DC-DC преобразователя, служащего источником питания постоянного тока.

В результате проведенных исследований режимов функционирования бытового электрооборудования на постоянном токе:

1. Проведена классификация бытовых электроприемников по степени адаптированности к питанию постоянным током. Всю номенклатуру электроприборов можно подразделить на 4 группы, в которые входят электронагревательная (чайники, нагреватели), электродвигательная (холодильники, пылесосы), осветительная (компактные люминесцентные и светодиодные лампы) и электронная нагрузки (бытовая электроника, компьютерная техника). Среди данных нагрузок только электроприборы с асинхронными двигателями и лампы с электромагнитным ПРА не приспособлены к нормальному функционированию на постоянном токе. 

2. Проведены экспериментальные исследования работы на постоянном токе электронагревательных, осветительных и электронных нагрузок, в результате чего построены модели, позволяющие рассчитывать устновившийся и переходной режимы нано-грид сети постоянного тока. Электронагревательная нагрузка характеризуется линейной вольт-амперной характеристикой активного сопротивления; энергосберегающая осветительная и электронная нагрузки - нелинейной вольт-амперной характеристикой нагрузки постоянной мощности. Это влияет на их поведение в переходном режиме. При просадке напряжения реакция электронагревательного оборудования заключается в аналогичном снижении тока, в то время как переходные характеристики тока энергосберегающей и электронной нагрузок имеют более сложную форму с интервалом нулевого тока. Учет данных особенностей позволяет рассчитывать параметры режима совокупностей электроприборов в рамках нано-грид сетей постоянного тока.

3. Создан опытный образец преобразователя постоянного напряжения, позволяющегося использовать аккумуляторные батареи установок возобновляемых источников энергии для питания бытовых электроприборов на постоянном токе. Изготовленный образец построен на базе двухтактного преобразователя постоянного напряжения 12 - 230 В и позволяет питать нагрузки суммарной мощностью 200-300 Вт, что примерно соответствует суммарной мощности электронной и энергосберегающей осветительной нагрузок. Преимуществами данного преобразователя по сравнению с традиционно используемым инвертором являются низкая стоимость и повышенная энергоэффективность.

 

1. D. Salomonsson and A. Sannino, "Load modelling for steady-state and transient analysis of low-voltage DC systems," in IET Electric Power Applications, Sept. 2007.
2. D. Salomonsson and A. Sannino, “Low-voltage dc distribution system for commercial power systems with sensitive electronic loads,” IEEE Transactions on Power Delivery, Jul. 2007.
3. D. Boroyevich, I. Cvetković, D. Dong, R. Burgos, F. Wang and F. Lee, "Future electronic power distribution systems a contemplative view," Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2010 12th International Conference on, Basov, 2010.
4. A. Sannino, G. Postiglione and M. H. J. Bollen, "Feasibility of a DC network for commercial facilities," Industry Applications Conference, 2002. 37th IAS Annual Meeting. Conference Record of the, Pittsburgh, PA, USA, 2002.

A DC power supply modeling of small-scaled customer is considered. Based on the classification of electrical equipment Simulink-based models of typical household devices operating in steady and transient states under DC voltage were developed. Derived models were used to analyze the aggregate operation of a group of loads within a DC nano-grid of small-scaled customer. Furthermore a prototype of DC-DC converter was designed thus enabling the development of a battery-based DC nano-grid.