Исследование проблем качества электроэнергии и технологий управления на терминалах распределительных трансформаторов в солнечных зарядных станциях

1. Введение

В качестве ведущего разработчика систем распределения фотovoltaических зарядных станций, я глубоко занимаюсь исследованиями в области управления качеством электроэнергии. В условиях перехода на новые источники энергии, фотovoltaические зарядные станции становятся все более важными, однако крупномасштабная интеграция PV-систем создает проблемы с качеством электроэнергии. Распределительный трансформатор, как ключевой узел, остро нуждается в решениях. Несмотря на существующие исследования, остаются пробелы в технологии управления, учитывающей характеристики PV и сложные условия. В данной статье акцентируется внимание на управлении качеством электроэнергии на этом узле, включая анализ проблем, проектирование технологий и проверку на примерах для обеспечения стабильности системы.

2. Анализ проблем качества электроэнергии на стороне распределительного трансформатора
2.1 Характеристики работы фотovoltaических зарядных станций

Фотovoltaические зарядные станции состоят из систем генерации PV-энергии и зарядных устройств. PV-системы преобразуют солнечную энергию через панели и инверторы для подключения к сети. Выход PV-систем является прерывистым и изменчивым из-за интенсивности света и температуры — слабый при низкой освещенности, высокий в солнечные дни; температура также влияет на эффективность панелей.

Зарядные устройства имеют динамически меняющиеся нагрузки. Поведение пользователей при зарядке случайно, время и мощность зарядки варьируются — например, резкий скачок после рабочего дня или гибкое планирование, что усложняет прогнозирование нагрузки. Эти факторы являются ключевыми при проектировании.

2.2 Основные проблемы качества электроэнергии

После подключения к сети на стороне распределительного трансформатора возникают такие проблемы, как колебания напряжения/мерцание, гармоники и несимметрия трехфазного напряжения. Колебания напряжения вызваны прерывистостью PV и изменениями нагрузки, что может привести к мерцанию. Гармоники от инверторов искажают напряжение, увеличивая потери и старение оборудования. Неравномерное подключение зарядных устройств вызывает несимметрию трехфазного напряжения, снижая срок службы трансформатора. Эти распространенные проблемы требуют целевых решений.

2.3 Причины проблем качества электроэнергии

Проблемы возникают из-за совокупности факторов: прерывистость и изменчивость PV, случайность нагрузки, нелинейность трансформатора (насыщение сердечника, утечки обмоток) и проблемы эксплуатации сети (неравномерные трехфазные нагрузки). Проектирование должно комплексно учитывать эти факторы для разработки соответствующей схемы управления.

3. Технология управления качеством электроэнергии на стороне распределительного трансформатора
3.1 Технология управления на основе компенсационных устройств

Общие компенсационные устройства имеют свои особенности: реактивные конденсаторы (простые, но медленные), SVC (динамичные, но склонные к гармоникам) и STATCOM (быстрые, точные, с подавлением гармоник). При проектировании я оптимизирую емкость и расположение (например, близко к низковольтной стороне трансформатора) для повышения эффективности.

3.2 Оптимизация качества электроэнергии с помощью стратегий управления

Продвинутые стратегии улучшают управление: нечеткое управление (обрабатывает нелинейные и неопределенные задачи), нейронные сети (самообучение для точности) и предиктивное управление по модели (оптимизация через прогнозирование). Для колебаний напряжения я разработал алгоритм регулирования на основе нечеткой логики, который, как показали симуляции, эффективно подавляет колебания.

3.3 Комплексная схема управления

Схема объединяет модули сбора данных, принятия решений и компенсации. Она формирует замкнутый цикл: данные выявляют проблемы, подбирают стратегии и устройства, корректируют параметры. Я руководствуюсь схемой проектирования, подходящей для сценариев зарядных станций.

4. Анализ практических случаев применения
4.1 Введение в случай

На крупной промышленной площадке фотovoltaическая зарядная станция с сложными нагрузками сталкивается с серьезными проблемами качества электроэнергии на стороне трансформатора из-за колебаний нагрузки на площадке и прерывистости PV, что влияет на оборудование и стабильность сети. Я активно участвую в реализации схемы.

4.2 Применяемая схема

Используется выбор компенсационных устройств под конкретные условия и кооперативная стратегия управления на основе нечеткой логики и предиктивного управления. Нечеткое управление генерирует начальную компенсацию, а предиктивное управление ее оптимизирует. Я обеспечиваю, чтобы дизайн соответствовал местным условиям.

4.3 Оценка эффекта

Мониторинг после внедрения показал улучшение качества электроэнергии: колебания напряжения снизились до ±3%, THD уменьшился ниже 4%, а несимметрия трехфазного напряжения до 5%. Экономически, годовые затраты на обслуживание сократились примерно на 200 000 йен, а доход увеличился примерно на 300 000 йен. Социально, стабильность сети поддерживает предприятия промышленной площадки, что подтверждает эффективность.

5. Заключение

Разработанная комплексная схема управления, объединяющая компенсацию и стратегии, эффективно улучшает качество электроэнергии. Однако управление в сложных условиях может быть еще более оптимизировано. Будущие усилия будут направлены на предоставление зрелых технологий для управления качеством электроэнергии на фотovoltaических зарядных станциях, обеспечивая стабильность сети.