1

РЕЗЮМЕТА НА ТРУДОВЕТЕ НА ДОЦ. Д-Р ИНЖ. ВЛАДИМИР ДИМИТРОВ ЛАЗАРОВ,

ПРЕДСТАВЕНИ ЗА УЧАСТИЕ В КОНКУРС ЗА „ПРОФЕСОР“ ПО ПРОФЕСИОНАЛНО НАПРАВЛЕНИЕ “5.2. ЕЛЕКТРОТЕХНИКА, ЕЛЕКТРОНИКА И АВТОМАТИКА“,

НАУЧНА СПЕЦИАЛНОСТ „ЕЛЕКТРИЧЕСКИ МАШИНИ“ КЪМ КАТЕДРА „ЕЛЕКТРИЧЕСКИ МАШИНИ“

I. ПУБЛИКАЦИИ В СПЕЦИАЛИЗИРАНИ НАУЧНИ ИЗДАНИЯ, РАВНОСТОЙНИ НА ПУБЛИКУВАН МОНОГРАФИЧЕН ТРУД, СЪГЛАСНО ЧЛ.29 АЛ.1 Т.3 ОТ ПУРЗАД НА ТУ-СОФИЯ, ПОД ОБЩОТО ЗАГЛАВИЕ

„ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ГЕНЕРАТОРИ В СИСТЕМИ С ВЪЗОБНОВЯЕМИ ЕНЕРГИЙНИ ИЗТОЧНИЦИ“

Общи положения Основната цел на този цикъл от изследвания, показани в публикациите равностойни на публикуван монографичен труд, под общото заглавие „ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ГЕНЕРАТОРИ В СИСТЕМИ С ВЪЗОБНОВЯЕМИ ЕНЕРГИЙНИ ИЗТОЧНИЦИ“ е следната: Да се създадат условия (методи, модели, алгоритми, компютърни модели и др.) за изследване на цялата верига на преобразуване на енергията от първичния източник през енергопреобразувателната система до получаването на електрическа енергия. За постигането на тази цел са поставени следните задачи:

• - Изследване и моделиране на електрически генератори – въртящи се и статични ( фотоволтаични);

• - Изследване и моделиране на електронни преобразуватели за енергопреобразуващи системи с ВЕИ;

• - Изследване на хибридни системи;

• - Изследване за създаване и създаване на условия за експерименти, имайки предвид спецификата на обектите;

• - Решаване на някои образователни аспекти при обучението на студенти по ВЕИ.

А. ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ГЕНЕРАТОРИ ЗА ВЕИ

1. А.1. Lazarov,V., Z.Zarkov. Aspects électriques de sources d’energie renouvelables. Proc. of EPF 2006, Grenoble, France. Sess.9, pp. 6.

Разглеждат се различни видове възобновяеми източници на енергия (ВИЕ), като акцентът е поставен върху електрическата част и връзката с мрежата. Представени са основните конфигурации на синхронни и асинхронни генератори, задвижвани от вятърни турбини с регулируема и нерегулируема скорост на въртене. Променливият характер на първичните енергийни ресурси – вятърна енергия, слънчева енергия, както и все по-строгите изисквания на операторите на електроенергийните системи налагат

2

използването на силови електронни преобразуватели съвместно с електрическите генератори. В тази връзка са показани някои възможности за моделиране и управление на трифазни инвертори, свързани с електрическата мрежа. Дадени са резултати от симулации с компютърни модели, разработени от авторите, които показват работата на инверторите при различни условия – обмен на активна и реактивна мощност с мрежата и работа при несиметрични режими. С някои примери е показан опитът на “Лабораторията по възобновяеми източници на енергия – електрически аспекти” в ТУ – София в областта на мониторинга и управлението на хибридни системи с ВИЕ. Представени са резултати от експериментални изследвания на ХСВИЕ. Показани са и резултати от изследване на хибриден слънчев колектор, също разработен от авторите.

2. А.2. Димитров, Д., Е.Соколов, В.Лазаров, Г.Тодоров, П.Ризов, З.Зарков. Характеристики и електромагнитни натоварвания на автономен асинхронен генератор. Доклади на “Енергиен форум ”, том II, Варна, 2000, стр. 220-223.

В статията е представено изследване на характеристиките на трифазен асинхронен генератор в автономен режим. За обект на изследването е използван стандартен асинхронен двигател, който работи в режим на генератор. Моделът за изчисляване на статичните характеристики на асинхронния генератор със самовъзбуждане е разработен на базата на заместващата схема на една фаза от симетрична трифазна асинхронна машина, на изводите на която са свързани възбудителен капацитет и товарен импеданс. Разработеният модел позволява чрез използване само на геометрични и намотъчни данни да се направи пълно електромагнитно изчисление, включващо определяне на параметрите и изчисляване на характеристиките на генератора. С помощта на математическия модел са изчислени характеристиките на напрежението и честотата в зависимост от отдаваната активна мощност при постоянна стойност на възбудителния капацитет и на скоростта на въртене. Установено е, че с увеличаване на капацитета се разширява зоната на устойчива работа на генератора. Това обаче е съпроводено с нарастване на напрежението на празен ход, на намагнитващия ток и на индукциите във всички участъци на магнитната верига на машината. Установено е, че честотата на генерираното напрежение намалява с увеличаване на натоварването, независимо от постоянната скорост на въртене на ротора, което се дължи на увеличаването на хлъзгането в машината. Направени са изводи за максималната генерирана мощност и факта, че не е подходящо асинхронният генератор със самовъзбуждане да се използва при постоянна стойност на възбудителния капацитет. Показани са и резултати от анализа на разпределението на магнитното поле в машината с метода на крайните елементи, който показва наличието на значително насищане в някои участъци на магнитната верига.

3. А3. Димитров, Д., Е.Соколов, В.Лазаров, Г.Тодоров, З.Зарков, П.Ризов. Експериментално изследване на автономен асинхронен генератор за малка водна електростанция. Доклади на “Енергиен форум ”, том I, Варна, 2000, стр. 347-350.

В статията са показани и анализирани резултати от експериментално изследване на автономен асинхронен генератор. Експериментите са проведени с асинхронна машина с мощност 5,5 kW, монтирана на стенд за физическо моделиране на група турбина-асинхронен генератор. Изследваната машина е стандартен асинхронен двигател, а възбуждането е с кондензатори, свързани на изводите му. Направено е изследване на генератора в установени режими при различни стойности на възбудителния капацитет и на скоростта на въртене. Показани са характеристиките на напрежението и честотата в зависимост от отдаваната активна мощност при постоянна стойност на възбудителния капацитет и на скоростта на въртене. Установено е добро съвпадение с характеристиките, получени по изчислителен път. Изследвани са и процесите при пускане на асинхронния генератор. Токовете и напреженията по време на процеса на самовъзбуждане са регистрирани с осцилоскоп. Изследвано е влиянието на характера на товара върху процеса на самовъзбуждане. Установено е, че пускането на асинхронен двигател с малка мощност по отношение на мощността на генератора е напълно възможно, докато пускането на по-големи асинхронни двигатели е неуспешно поради големия пусков ток и размагнитващия характер на товара.

4. А.5. Lazarov, V., L. Stoyanov, K. Bundeva, Z. Zarkov, D. Spirov. Modelling and simulation of squirrel cage induction generator. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol.59, book2, 2009, pp. 77-85.

Статията представя реализирането на модел на асинхронна машина с накъсо съединен ротор в средата на Matlab/Simulink. Представен е моделът на машината според обобщената теория на електрическите машини. От двете системи уравнения, моделиращи електромагнитните процеси в асинхронната машина, е изведен модел в пространство на състоянията с токове като променливи на състоянието. Към тази система се добавя уравнението за движение, което прави модела на асинхронната машина с накъсо съединен ротор пълен. Той е реализиран в Matlab/Simulink. Използвани са данни от

3

асинхронна машина с мощност 1.5 kW. Направени са различни симулации, които да онагледят правилната и стабилна работа на модела. Симулирани са следните сценарии: получаване на механична характеристика, рязка промяна на режима на работа (от двигател в генератор), стъпаловидна и постепенна промяна на входящия механичен момент, както и симулиране на задвижване от вятърна турбина. Накрая са представени сравнения на различни величини, получени симулационно и експериментално от две опитни постановки. Предвид направените допускания в модела сравнението показва задоволителна точност.

5. А.6. Lazarov, V., L. Stoyanov, K. Bundeva, Z. Zarkov, D. Spirov. Modelling and simulation of wound rotor induction generator. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol.59, book2, 2009, pp. 86-93.

Статията представя моделирането на асинхронна машина с навит ротор. Този тип машини се използват в различни конфигурации в роторната верига – с активни съпротивления или с електронни преобразуватели. Разглежда се първият случай. Представен е класическият електромагнитен модел на машината според обобщената теория на електрическите машини. От неговите две системи е получен модел във въртяща се синхронно координатна система в пространство на състоянията с токове като променливи на състоянието. Към тази система се добавя уравнение на движението. Пълният модел е реализиран в Matlab/Simulink, като са използвани данни от малка асинхронна машина. Представени са две симулации, потвърждаващи правилната и стабилна работа на модела – стъпаловидна промяна на входящия механичен момент и симулиране работа с вятърна турбина. В последствие е направено сравнение на статорни и роторни величини от симулации и от експерименти на две опитни постановки с различни асинхронни машини – 1.5 kW и 6 kW. Получена е задоволителна точност.

6. А.7. Lazarov, V., G. Notton, L. Stoyanov, Z. Zarkov. Modeling of Doubly Fed Induction Generator with Rotor-side Converter for Wind Energy Conversion Application. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol.60, book1, 2010, Sofia, стр. 289-298.

Статията представя моделирането на двойно захранен асинхронен генератор с електронен преобразувател откъм ротора, свързан с постояннотокова електрическа мрежа. Първоначално са описани работните режими на пълната конфигурация с електронен преобразувател откъм променливотоковата електрическа мрежа и енергийните потоци, които се обменят. Разгледани е частен случай, в който реверсивният преобразувател на напрежение откъм мрежата е заменен с постояннотокова мрежа, което не нарушава работата на конфигурацията. Представени са моделите на отделните компоненти. Асинхронната машина с навит ротор е моделирана в пространство на състоянията чрез система уравнения с потокосцепления като променливи на състоянията. Моделът на електронния преобразувател е реализиран при допускането, че електронните елементи в него са идеални ключове. Описана е работата на системата за управление на електронния преобразувател, която осигурява спазването на дадено задание за статорните мощности на асинхронната машина. Системата е реализирана в средата на Matlab/Simulink и са представени резултати от симулации на стъпаловидни изменения на заданията на статорните активна и реактивна мощности. И в двата случая се наблюдава бърза реакция на системата за управление, благодарение на което може да се оцени правилната и стабилна работа на реализирания модел.

7. А.8. Лазаров, В., Д. Роа, Д. Спиров. Ветроенергийни преобразувателни системи със синхронни генератори. Списание Екологично инженерство и опазване на околната среда, N 3 – 4, 2007, София, стр. 95-105.

Направен е преглед на състоянието на въпроса и на развитието на ветроенергийните преобразувателни системи (ВЕПС), като ударението е поставено на ВЕПС със синхронни генератори. Разгледани са различни концепции и структури. Показани са също така различни конструкции синхронни генератори (вкл. и някои с „по-екзотични” конструкции). Дадени са данни за теглото, цената вкл. и теглото и цената на мултипликатора. Направени са изводи за актуалните въпроси, подлежащи на изследване, а именно: цялата верига на преобразуване на енергията, изследване при променлива скорост на въртене, сравнение на системи с генератори с постоянни магнити и такива с електромагнитно възбуждане и др.

8. А.9. Lazarov, V., D. Spirov, Z. Zarkov, L. Stoyanov. Modelling and simulation of synchronous generator. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol.59, book2, 2009, pp. 94-101.

Статията представя моделирането на синхронен генератор в средата Matlab/Simulink. Първоначално е описан принципът и начинът за преобразуване на трифазната реална синхронна машина във фиктивна двуфазна. Дадени са необходимите моделиращи уравнения. Впоследствие е получен програмният модел в пространство на състоянията. Използвани са потокосцепления като променливи на

4

състоянието. Пълният модел се получава с добавянето на уравнението за движение. Той е реализиран в Matlab/Simulink с данни от 1.5 kW синхронен генератор. Представени са симулационни резултати от рязка промяна на входящия механичен момент и от промяна, имитираща входящ момент от вятърна турбина. Наблюдава се работа, отговаряща на теоретичните очаквания.

9. А.10. Лазаров, В. Електрически генератори за ветроенергийни преобразувателни системи. Списание „ Енергиен форум”, бр.11/12, 2013, стр. 45-51.

Статията представлява преглед на развитието и последните достижения в областта на електрическите генератори за ветроенергийни преобразувателни системи (ВЕПС). Направен е анализ на увеличаването на мощността на генераторите и тенденцията за намаляване на цените им през последните 10 години. Същото е направено и за вятърните турбини. Показани са по-подробни анализи на разходите за производството и инсталирането на вятърни генератори с малка и голяма мощност. Представени са основните конструкции на вятърни генератори, както и сравнение на параметрите на различни типове електрически генератори, използвани във ВЕПС. Показани са конструктивни особености на електрическите генератори. Проследена е тенденцията за намаляване на специфичната маса на машините и мултипликаторите през последните години. Представени са най-често използваните конфигурации на ВЕПС при фиксирана и променлива скорост на въртене. Направени са сравнения на цените и на други важни показатели на ВЕПС с различни конфигурации и различни типове генератори. Представено е и авторско изследване на к.п.д. на различни типове ВЕПС.

10. А.11. Lazarov, V., Z. Zarkov, T. Puleva, D. Spirov, L. Stoyanov. Modeling environment for research of renewable energy sources operation in power limited energy systems. Journal Advances in Bulgarian Science, vol. 1, NCID 2008, Bulgaria, pp. 24-31.

Статията представя инфраструктурния проект „Моделираща среда за изследване на работата на възобновяеми енергийни източници, работещи в енергийна система с ограничена мощност”, финансиран от МОНМ. В рамките на този проект е създадена мрежа от съществуващи лаборатории (които работят самостоятелно), обединени от широка изследователска програма, целяща изграждането на съответни научни инфраструктури. Изследванията в проекта имат теоретико-експериментален характер за всеки екип поотделно. Основната им цел е да се изследва цялата верига на преобразуване на енергията в някои агрегати, използващи възобновяеми енергии. Проследява се веригата на преобразуване на енергията, започвайки от първичната енергия, преминавайки през енергийните преобразуватели и тяхното управление и се стигне до свързването им с мрежата. Изследването e съсредоточено върху системи, произвеждащи електрическа енергия чрез преобразуване на енергията на: водата (водноелектрически централи), вятъра (ветрогенератори), слънцето (фотоволтаични генератори). Отделя се внимание и на проучването на първичния енергиен потенциал и по-специално на слънчевата и вятърната енергия. В нашия случай основно внимание е обърнато на структурите на стендовете за физическо моделиране на вятърни централи със синхронни и асинхронни генератори и електронни преобразуватели. Разработването на тези стендове от колектив под ръководството на автора има за цел разширяване на обхвата на лабораторията по „Възобновяеми източници на енергия”

Б. ЕЛЕКТРОННИ ПРЕОБРАЗУВАТЕЛИ ЗА ВЕИ

11. Б.1. Schaeffer, C., S. Catellani, D. Dimitrov, V. Lazarov, Z. Zarkov. Low voltage three phase inverter using IGBT. Proc. of International conference ELMA'99, Varna, Bulgaria, 1999, pp. 168-177.

Извършено е проектиране и изследване на трифазен инвертор за ниско напрежение с IGBT транзистори, разработен в кат. „Електрически машини“ на ТУ-София и предназначен за задвижване на електрокари с асинхронни двигатели. Представени са съображенията за избор на транзистори за инвертора. Направено е задълбочено изследване на загубите в активните елементи на инвертора. Предложен е теоретико-експериментален подход за изчисляване на загубите при различни режими на работа на транзисторите. Загубите са разделени на загуби в проводимо състояние и комутационни загуби. Извършени са експериментални изследвания на загубите в транзисторите и диодите и са предложени апроксимиращи зависимости. Разработена е специална програма в Excel за изчисляване на загубите в елементите на инвертора при използване на синусоидална ШИМ за управление на транзисторите. Изчислени са зависимостите на различните видове загуби в транзисторите и диодите при различни условия на работа на инвертора. Показани са и резултати от експериментално изследване на реализирания инвертор.

5

12. Б.2. Lazarov, V., Z. Zarkov, Ch. Schaeffer, S. Catellani. Commande rapprochée des transistors IGBT de puissance. Actes du Colloque International TTFNE’2002, Albena, Bulgarie, 2002, pp. 239-244 (en Français).

Докладът представя проектирането и изследването на драйвер за мощни IGBT транзистори, работещи при ниско напрежение и големи токове. Предложена е схемата на драйвер за мощен IGBT. Разработеният драйвер заедно с мощния IGBT модул е симулиран с помощта на програмата PSpice. Създадени са модифицирани модели на мощния IGBT и антипаралелния диод на базата на моделите в PSpice, данните от производителя и експериментални данни. Драйверът включва и схема за защита от късо съединение на транзистора, която работи на принципа на детектиране на десатурацията на транзистора. Схемата на драйверът е реализирана и са проведени експериментални изследвания при различни условия на работа, които показват много добро съвпадение със симулационните резултати. Това потвърждава адекватността на създадения модел на схемата и на силовите електронни елементи.

13. Б.3. Lazarov, V., Z. Zarkov, D. Apostolov. Grid connected PWM inverters for RES. Proc. of Int. Conf. ICATE’2004, Craiova, Romania, 2004, pp. 319-324.

В статията е представено изследване на работата на трифазен инвертор, захранен от източник на постоянно напрежение, отдаващ енергия в електрическата променливотокова мрежа. Инверторът е предназначен за свързване на генератори, използващи ВЕИ, към мрежата. Използван е векторен модел на управление в dq координатна система. Предложени са алгоритъм и структурна схема на управляваща система и „развързани регулатори“, които позволяват отделно и независимо регулиране на активната и реактивната мощност, обменяни между преобразувателя и мрежата. Разработени са съответни математични и компютърни модели на регулаторите и силовата част на инвертора и са направени симулации на Matlab Simulink. Резултатите от симулациите доказват възможността за управление на реактивната мощност, независимо от активната. Това има приложение в системи, осигуряващи компенсация на реактивна енергия. Така разработеният модел и алгоритъм лесно могат да бъдат програмирани в едночипов микропроцесор за управление на инвертор.

14. Б.4. Lazarov, V., D. Roye, Z. Zarkov, D. Spirov. Analysis of DC Converters for Wind Generators. Journal Facta Universitatis, Series: Electronics and Energetics, vol. 22, August2009, Nis, Serbia, pp. 235-244.

В статията е представен модел на електронен преобразувател, състоящ се от диоден токоизправител и DC/DC повишаващ преобразувател и работещ съвместно със синхронен генератор. Системата е предназначена за използване във вятърен генератор с променлива скорост на работа. Моделите са разработени в Malab/Simulink и PSPICE среди. Моделираните преобразуватели са реализирани и е проведено експериментално изследване. Показани са сравнения между резултатите от симулациите и експериментите и е намерено много добро съвпадение между тях. Симулирана е формата на тока и напрежението на синхронния генератор, както и токовете и напреженията в електронния преобразувател при различни режими на работа. Направена е оценка на загубите в преобразувателя в зависимост от натоварването на базата на данни от производителите на електронните елементи и измервания. Направено е експериментално измерване на загубите в генератора при работа с диодния изправител и при работа с активен товар и е оценено понижаването на к.п.д. при работата с диодния изправител. Направен е хармоничен анализ на тока на генератора.

15. Б.5. Lazarov, V., Z. Zarkov, H. Kanchev. Grid-Connected Single-Phase Inverter for Renewable Energy Sources. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol.59, book2, 2009, pp. 122-130.

Статията е посветена на изследването на еднофазен инвертор, предназначен за свързване на генератори, използващи ВИЕ, с електрическата мрежа. Обосновани са принципите на обмена на енергия между инвертора и мрежата и за съгласуване на входящата и изходящата мощност с цел поддържане на енергийния баланс на системата. Разработен е компютърен модел на инвертора, който позволява работа при промяна на входящата мощност чрез промяна на изходния ток на инвертора. Моделът включва силовата част на инвертора, управлявана с ШИМ, регулатор на постоянното напрежение на входа на инвертора, регулатор на изходния ток, модул за синхронизиране с мрежата на базата на PLL. Използвана е програмна среда Matlab/Simulink. Представени са резултати от симулациите, които демонстрират адекватността на модела и неговата работоспособност при промяна на входящата мощност. Разработена е програма за работа в реално време за микропроцесорна система dSPACE, с която са проведени експериментални изследвания. Резултатите от симулациите и експериментите доказват физическата адекватност на модела и позволяват неговото използване като елемент в системи за производство на електроенергия от ВИЕ.

6

16. Б.6. Лазаров, В., З. Зарков, Д. Спиров. Моделиране на активен изправител за ветроенергийна система със синхронен генератор. Годишник на Технически университет - София, том 60, книга 1, 2010, София, стр. 321-331.

Създаден е компютърен модел в среда Matlab/Simulink на активен трифазен токоизправител с ШИМ съвместно със синхронен генератор, предназначен за работа във вертрогенератор с променлива скорост на въртене. Моделът включва модели на генератора и активния изправител, заедно с регулаторите на тока и на постоянното напрежение на изхода на изправителя. Регулаторът на тока на генератора работи в dq координатна система с отделно регулиране на активната и реактивната съставка на тока. Избраният метод на ориентиране на координатната система е по напрежението на генератора (Voltage Oriented Control). Схемата за синхронизация използва фазово-заключена система – PLL. Разработените регулатори на напрежението и на токовете следят достатъчно точно заданията при изменение на скоростта на генератора и при изменение на товара. Регулаторът на постоянното напрежение осигурява правилен баланс между мощностите на генератора и товара. Регулаторите на тока осигуряват много добра форма на тока, а филтърът потиска високочестотните пулсации от модулацията и така се осигурява работа на синхронната машина при най-добри условия. Разработеният модел позволява да се регулира и реактивната мощност, обменяна с генератора, ако това е необходимо. Показани са резултати от симулации с разработения модел при променлива скорост на въртене на генератора и при промяна на товара. Тези резултати доказват работоспособността и адекватността на модела. Той може да бъде използван за разработване на реална система за управление на активен изправител за синхронен генератор.

17. Б.7. Lazarov, V. Electric power converter systems for wind and solar power plants, Proceedings of International Scientific Conference EE&AE’2013, Rousse, pp. 476-487.

Статията представлява преглед на развитието и последните достижения в областта на електронните преобразуватели за вятърни и фотоволтаични електрически генератори, работещи в паралел с мрежата. Разгледани са основните конфигурации на ветроенергийни преобразувателни системи (ВЕПС), които се използват в настоящия момент и тенденциите за развитието им. Показани са редица схеми на електронни преобразуватели, работещи съвместно с асинхронни генератори с накъсосъединен ротор, с двойно захранени асинхронни генератори и със синхронни генератори с електромагнитно възбуждане и с постоянни магнити. Представени са възможностите за увеличаване на мощността на ВЕПС посредством паралелно включване на електронни преобразуватели, многофазни генератори или многомашинни системи. Изтъкнати са предимствата на разпределените системи по отношение на надеждността и ефективността на преобразуване на енергията. Засегнати са и някои съвременни решения при електронните преобразуватели, предназначени за фотоволтаични електроцентрали.

В. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ГЕНЕРАТОРИ ЧРЕЗ МЕТОДА „ВХОД – ИЗХОД”

18. В.1. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov. Study of small scale wind turbine productivity according to wind speed distributions and power curves. 10th World Renewable Energy Congress, WREC X 2008, Proceedings, Glasgow, Scotland, pp. 2259-2264.

Статията изследва производителността на вятърни генератори с малка мощност – до 60 kW при различни характеристики на мястото на инсталиране. Изменението на вятъра на дадено място може да се представи чрез вероятностно разпределение на Вейбул, което се характеризира с два основни параметъра – формообразуващ коефициент и средна скорост на вятъра. Изследвано е влиянието на промяна на тези два параметъра върху формата на разпределението, както и върху някои специфични скорости на вятъра: най-вероятна, носеща максимална енергия и др. Направен е анализ на пазара на ветрогенераторите с малка мощност и от него са подбрани 8 типа машини с различни криви на мощността. Освен това са разгледани и 3 теоретични модела за моделиране на тази характеристична крива. Единадесетте криви на мощността са подложени на различни разпределения на Вейбул, макар някои от тях да са нереалистични, и е оценена тяхната производителност. От получените резултати може да се подбере ветрогенератор според неговата производителност.

19. В.2. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov. Productivity of medium wind generators according to wind Weibull distribution: application to various Bulgarian sites. Journal Ecological Engineering and Environment Protection, vol. 4/2008, NSEEEP, Bulgaria, pp. 65-71.

7

Статията разглежда оценката на производителността на ветрогенератори с малка мощност като се разглежда теоретичен и практически аспект. За теоретичния анализ се използва разпределение на Вейбул като се променят характерните за дадено място параметри – формообразуващ коефициент и средна скорост на вятъра. Онагледено е влиянието на промяната на тези параметри върху формата на вероятностното разпределени на Вейбул. От 59 криви на мощността на малки ветрогенератори са подбрани 8 типови, които обобщават останалите. За тези 8 генератора са определени производителностите при различни стойности на средната скорост и формообразуващия коефициент. От анализа на резултатите се определят генераторите, достигнали най-големи стойности на произведената енергия. За практическия анализ на осемте типа ветрогенератори се използват реални метеорологични данни от 8 метеорологични станции в България. Представен е техният вятърен потенциал и е изчислена произведената енергия за една година от различните вятърни генератори. Наблюдава се разлика в типовете ветрогенератори, достигнали максимална производителност. Това се дължи на различните параметри на разпределението на Вейбул на осемте метеорологични станции от тези, при които се наблюдават максимумите при теоретичния анализ. За пример на разнообразието на малките ветрогенератори са показани изчислените годишни енергии за всички 59 машини.

20. В.3. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov. Productivity of small wind turbines for various wind potentials conditions: Application in Bulgaria and Corsica. International Journal of Renewable Energy Technology, Inderscience, vol. 1, No 3, 2010, pp. 237-255.

Статията обобщава работата на екипа по оценката на производителността на ветрогенератори с мощност до 60 kW. Представено е вероятностното разпределение на Вейбул и влиянието на формообразуващия коефициент и средната скорост на вятъра. Разнообразието на кривите на мощността на малките ветрогенератори не позволява тяхното моделиране с класическите модели на Палабазер, Чанг или линеен модел. От 59 криви са подбрани 8 типови. За тези 8 генератора е оценена производителността за годината при различни условия, отразявани чрез промяна на параметрите на разпределението на Вейбул, което позволява определянето на генераторите с по-голям енергиен добив. След това са представени енергийните потенциали на вятъра на тринадесет метеорологични станции в България и Корсика, Франция. С реалните данни за скоростта на вятъра е изчислена годишната произведена енергия от осемте генератора. Резултатите показват, че ветрогенератор тип 3 е с най-добри качества, докато при теоретичното изследване с разпределението на Вейбул той не е сред водещите. Накрая е представено разнообразието на произведената енергия от всички 59 ветрогенератора за тринадесетте метеорологични станции.

21. В.4. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov, S. Diaf, N. Heraud. Seasonal variation of PV efficiency for various technologies and module inclinations. Journal Ecological Engineering and Environment Protection – Special issue “Renewable Energy Sources”, vol. 1/2009, NSEEEP, Bulgaria, pp. 12-19.

В статията са представени различни модели на фотоволтаични модули. Моделите се различават според вида на моделираната технология (кристален и/или аморфен силиций, медноиндиев диселенид), отразяването на влиянието на температурата на околната среда и моделирания параметър (коефициент на полезно действие или мощност). Петте представени модела са сравнени с експериментални данни от опитна постановка в Университет на Корсика, Франция. Въз основа на това сравнение е подбран модел на Дюриш, който отразява влиянието на околната температура и различие в технологията на фотоволтаичния панел. Това дава възможност да се покажат повърхнини, илюстриращи изменението на коефициента на полезно действие на панелите при различни стойности на температурата и слънчевата радиация за 4 различни технологии – моно и поликристален силиций, аморфен силиций и медноиндиев диселенид. След това е представен алгоритъм за преобразуване на данните за слънчевата радиация върху хоризонтална повърхност в такива върху наклонена повърхност. Това дава възможност да се оцени слънчевата радиация на 30, 50 и 70 º наклон. Тези стойности позволяват изчисление и илюстриране на изменението на коефициента на полезно действие на фотоволтаични панели, разположени в София и Аячо на 3-те вида наклон. Получените графики представят изменението на к.п.д. на четирите технологии през годината. За да се онагледи влиянието на наклона на модулите върху коефициента на полезно действие, са представени фигури за всяка технология при различни наклони от 0 до 70 º със стъпка от пет градуса. Наблюдават се прилики между изменението на кривите за моно и поликристален силиций и медноиндиев диселенид, докато тези за аморфен силиций се различават поради различното влияние на температурата върху тази технология.

22. В.5. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov, N. Heraud. Optimal Sizing of PV Array and Inverter for 4 PV Technologies and Module Inclination. 24-th European Photovoltaic Solar Energy Conference, 21-25 September 2009, Hamburg, Germany, pp.3646-3651.

8

Статията представя методология за оптимално оразмеряване на инвертора във фотоволтаична система, свързана с електрическата мрежа, вземайки предвид влиянието на следните фактори: технология на фотоволтаичните модули, техния наклон, вида на инвертора и местоположението на инсталацията. Използван е моделът на Дюриш за моделиране на фотоволтаичните панели, тъй като той позволява изчисляването на коефициента на полезно действие на 4 различни технологии фотоволтаични модули. Представени са влиянието на температурата и слънчевата радиация върху модули от четирите технологии. Реализиран е енергиен модел на инвертор, използващ данни от производителя. От товарните криви на 21 инвертора са подбрани три типични, различаващи се по големината на загубите на празен ход и зависещи от натоварването. Представени са резултати от изследването на влиянието на различните фактори, които позволяват определянето на оптимални съотношения между мощността на фотоволтаичната инсталация и на инвертора. Разглежданите местоположения оказват минимално влияние, поради което влиянието на местоположението може да се пренебрегне. Подобна е ситуацията и при наклона на модулите освен в граничните случаи на хоризонтални и вертикални. Видът на фотоволтаичната технология и на инвертора оказват по-съществено влияние и въз основа на получените резултати са определени по две съотношения за трите типа инвертори – едно за технологиите монокристален и поликристален силиций и медно-индиев диселенид и друго за аморфния силиций.

Г. ХИБРИДНИ СИСТЕМИ

23. Г.1. Dimitrov, D., V. Lazarov. Renewable energy sources and the possibility of utilising them in Bulgaria. Proceedings of International Conference ELMA'96, Varna, Bulgaria, 1996, pp. 75-81.

Статията е писана в контекста на негативното отношение в България към възобновяемите енергийни източници и реализирането на ТЕМПУС проект 07894 по ВЕИ. В този контекст са показани някои екологически предимства от внедряването на ВЕИ в България, както и преглед на съществуващи схеми през призмата на реализация на лаборатория по ВЕИ. Синтезирана е и обобщена схема на хибридна система, към която авторите ще се връщат не веднъж. Дадена е и идея за интердисциплинарните модулни курсове, които бяха реализирани в края на проекта. Същевременно накрая са направени препоръки за ускореното внедряване на ВЕИ. Интересното е, че някои от тези препоръки са актуални и днес. Например систематичното проучване на първичните ресурси не е осъществено. Няма създаден център, който целенасочено да се занимава с въпросите на ВЕИ.

24. Г.2. Driviere, J., F.Massouh, A.Laborie, D.Dimitrov, V.Lazarov, E.Sokolov, Z.Zarkov, K.Varsamov, I.Dobrev. Renewable energy sources hybrid system. Proceedings of International Conference ELMA'99, Varna, Bulgaria, 1999, pp. 226-236.

Представена е хибридна система с възобновяеми източници на енергия, разработена в рамките на ТЕМПУС проект 07894. Системата включва: цифрова метеорологична станция, вятърен генератор, мотор–генераторни групи, задвижвани с честотни управления, фотоволтаични модули със зарядни устройства, акумулатори, вакуумен топлинен колектор с циркулационни помпи и система за мониторинг и контрол. Системата е гъвкава и позволява изследването на различни ситуации и мониторинг в реално време. Може да се изследва поведението на системата като цяло, както и на отделните й елементи. Предназначена е за обучение на студенти и за изследователска работа с докторанти.

25. Г.3. Lazarov, V., Z. Zarkov. Monitoring of renewable energy sources hybrid system. Proceedings of International Conference ICATE’2002, Craiova, Romania, pp. 224-229.

В статията са представени подход и реализация на система за мониторинг (наблюдение) на хибридна система с възобновяеми източници на енергия. На базата на съвременни технологии са реализирани схеми на датчици, конфигурирана е система за измерване от National Instruments и е разработен софтуер, който осъществява мониторинг в реално време, събиране на информация в база данни и визуализация на резултатите. Програмата, разработена от авторите е самостоятелен софтуер с два основни модула: за мониторинг на състоянието на системата в реално време; и база данни, в която се натрупват данните при работата на програмата. Програмата е разработена на Delphi 5 посредством използване на набора от ActiveX контроли на Component Works 3.0 от National Instruments. В статията са показани и възможностите на системата за оценка на енергийния потенциал и за измерване на мощността на първичните източници, както и резултати от експериментални изследвания. Разработеният програмен продукт се използва за обучение на студентите от ЕФ и ФФОЕ на ТУ-София.

9

26. Г.4. Zarkov, Z., V. Lazarov. Energy balance of a hybrid renewable energy sources system. Proceedings of International Conference ICATE’2004, Craiova, Romania, 2004, pp. 291-296.

В статията са показани резултатите от изследването на една автономна хибридна система с ВИЕ, намираща се в Лабораторията по ВИЕ (електрически аспекти), кат. „Електрически машини“, Електротехнически факултет на ТУ-София. Посредством метеорологична станция и система за мониторинг, разработена от авторите, е проследена и регистрирана работата на хибридната система за едно денонощие. Измерени са токовете, напреженията и мощностите на енергийните преобразуватели и консуматорите на енергия в системата. Направен е баланс на енергиите – първичната – от слънцето, произведената от отделните енергийни източници и консумираната от потребителите. Предложен е подход и е направен баланс на енергията, запасена/изконсумирана от акумулатора за едно денонощие. Изчислена е ефективността на системата по отношение на усвоената слънчева енергия. Независимо, че представените резултати са за едно денонощие, подходите и методите, предложени от авторите, могат да се използват за произволни периоди от време на работа на ХСВИЕ. Резултатите са показателни за поведението на автономните ХСВИЕ и могат да бъдат използвани за оптимизация на системата според различни критерии.

27. Г.5. Lazarov,V., G. Notton, Z. Zarkov, I. Bochev. Hybrid Power Systems with Renewable Energy Sources – Types, Structures, Trends for Research and Development. Proceedings of International Conference ELMA2005, Sofia, Bulgaria, 2005, pp. 515-520.

Статията представя обзор на различни хибридни системи, класифицирани по различни критерии, както и някои резултати от теоретични и експериментални изследвания. След дефиниране на понятието „хибридна система с възобновяеми източници на енергия” е представена класификация на хибридните системи според следните критерии: наличие на конвенционален източник, вида на получената енергия, наличие на запасяващо устройство, номинална мощност и др. Интерес представляват хибридните системи, произвеждащи електроенергия. Ето защо са представени различни структури на такива системи. Обърнато е внимание на методите за проектиране, оптимизиране и управление на електрически хибридни системи с възобновяеми източници на енергия. представени са резултати от приложението на тези методи върху система от ветрогенератор, дизелов генератор и запасяващо устройство. Накрая са показани експериментални резултати от гъвкава хибридна система, изградена в Лабораторията по екология и възобновяеми източници на енергия към катедра „Електрически машини” при ТУ-София. Представени са изменението на произведената и консумираната енергия за един ден, и енергийният баланс на системата.

28. Г.6. Notton, G., V.Lazarov, Z. Zarkov, L. Stoyanov. Optimization of hybrid systems with renewable energy sources: trends for research. Proceedings ISEIM’2006 (IEEE Xplorer), Ajaccio, France. pp. 144-149.

Статията представя оразмеряване и оптимизация на компонентите на хибридна система с възобновяеми източници на енергия. Направена е класификация на възможните оптимизационни задачи. Представени са възможните критерии за оптимизация и от какво зависят те. Накратко са описани 3 програмни продукта, позволяващи моделиране на хибридни системи и симулиране работата им. Представен е примерен алгоритъм за управление на хибридна система състояща се от фотоволтаично поле, ветрогенератор, дизелов генератор и батерия. Разгледани са два примера за оптимизация на хибридна система, състояща се от възобновяем източник на енергия, дизелов генератор, батерия товар и електронни преобразувател и регулатор. Двата случая се различават по вида на използвания възобновяем източник – първо се разглежда фотоволтаично поле, а впоследствие ветрогенератор. Показаните резултати позволяват определяне на оптималните граници за заряд и разряд на батерията в хибридната система. Накрая са представени резултати от работата на гъвкава хибридна система, намираща се в Технически университет – София. Въз основа на получените резултати и направения анализ са определени някои бъдещи тенденции в оптимизирането на хибридни системи.

29. Г.7. Stoyanov, L, G.Notton, V.Lazarov. Optimisation des systèmes multi-sources de production d’électricité à énergies renouvelables. CDER – Revue des énergies renouvelables, vol. 10, n. 1, CDER2007, Algeria, pp. 1-18 (en Français).

Статията разглежда хибридна система с фотоволтаични панели, дизелов генератор и батерия. Представени са аргументите за използването на подобен тип хибридни системи, като например ограничен достъп до електричество на определени райони, повишаване на сигурността и други. Разгледани са предимствата и недостатъците на трите възможни конфигурации на фотоволтаична хибридна система – последователна (където източниците са свързани към обща постояннотокова шина), паралелна (с две шини, присъединяващи източниците) и с комутация (позволява работата на системата както като паралелна

10

структура, така и като последователна). От тях е избрана серийната конфигурация поради нейната простота на управление. Такава система е моделирана и е симулирана нейната работа за една година в Аячо, Корсика. Разгледани са различни конфигурации с цел да се определи оптималното оразмеряване на системата от енергийна гледна точка. Резултатите показват, че размерът на фотоволтаичното поле оказва по-съществено влияние върху енергийните показатели на системата, отколкото капацитетът на батерията. Освен това може да се заключи, че капацитетът на батерията, осигуряващ автономност на захранването повече от 2-3 дни, не е целесъобразен. Накрая е направен икономически анализ на различните конфигурации, който показва голямо увеличение на стойността на произведен киловатчас при прекалено големи стойности на капацитета на батерията. Това потвърждава заключенията от наблюдението на енергийните параметри на системата при нейното оразмеряване.

30. Г.8. Lazarov, V., G. Notton, L. Stoyanov. Steps toward a generalized design approach of renewable energy hybrid systems. Proceedings of SIELA 2007, vol. II, pp. 49-56.

Статията представя изследване на предимствата и недостатъците от използването на термични колектори за директно задоволяване на нуждите на топлинните консуматори, вместо използването на електрически източници. Реализирани са модели на термичен колектор и фотоволтаичен модул. Всеки от моделите може да отразява работата на различни технологии – термичните колектори са: без покритие, плосък покрит и с вакуумни тръби, а фотоволтаичните модули са от: монокристален, поликристален и аморфен силиций. Разгледани са различни комбинации от термичен колектор и източник на електрическа енергия, като се променя инсталираната мощност на термичните колектори от 0 до 100 % от товара. Електрическият източник са фотоволтаични модули и ветрогенератори. В първия случай е оценена площта на инсталацията и респективно нейната цена. Изчисленията са направени за различни температури на околната среда. Получените резултати показват предимството от задоволяване на нуждите на товара от термични колектори, като с увеличаване на техния дял площта и стойността на инсталацията намаляват. Това е валидно за всички комбинации от термични колектори и фотоволтаични модули с изключение на случая с непокрит термичен колектор и ниска температура на околната среда (-5 ºC), където коефициентът на полезно действие на фотоволтаичните модули е по-висок от този на термичния колектор. Когато електрическият източник е ветрогенератор са направени изчисления при различни температури на околната среда и различни стойности на слънчевата радиация. Резултатите показват предимство на използването на термични колектори при високи стойности на слънчевата радиация, докато при по-ниски стойности изменението на цената на инсталацията зависи от температурата на околната среда. Разгледани са възможностите за реализация на хибридна система с термични колектори с мощност 45 % от товара, докато останалите се покриват от електрически източник на енергия при два хипотетични сценария – намаляване на цената на фотоволтаичните модули и създаването на хибриден термичен колектор. В първия случай използването на фотоволтаични модули става по-изгодно в сравнение с ветрогенераторите. При направените хипотези за работата на хибридния колектор той се явява неизгодно решение. Все пак това може да се промени при дадено технологично решение, което да увеличи коефициента на полезно действие и да намали цената.

31. Г.9. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov. Ressources solaires et éoliennes – sont-elles si complémentaires ? Application à la Bulgarie et la Corse. Revue « Liaison Energie–Francophonie », num. 79, IEEF 2008, Canada, pp. 80-84 (en Français).

Статията представя мрежата за обмен PECO и един резултат постигнат от изследвания в нейните рамки. Става въпрос за изследване на взаимното допълване на първичните потенциали на слънчева и вятърна енергии на различни места в България и Франция. Представени за 13 станции, за които е проведено изследването. Подбрани са критерии, които да позволят оценката на взаимното допълване, а именно коефициент на корелация, произведение на енергиите и тяхното отношение. Последните два параметъра позволяват оценката на енергийния потенциал на съответното място. Предложеният метод за сравнение на енергиите на вятъра и слънцето е приложен в два времеви интервала – средномесечни стойности през годината и средно часови стойности от денонощието от месеците през годината. Показани са резултати от две станции, където има и където няма взаимно допълване, както и два месеца, които показват, че при използване на втория времеви интервал няма станция, която да гарантира допълване на двата типа енергии.

32. Г.10. Notton, G., V. Lazarov, L. Stoyanov. Complementarity of solar and wind sources: application in Bulgaria and Corsica. 10th World Renewable Energy Congress, WREC X 2008, Proceedings, Glasgow, Scotland, pp. 2254-2258.

Статията изследва взаимното допълване на слънчевата и вятърната енергии. За целта са подбрани 13 метеорологични станции в България и Корсика, Франция. Първо е изследван техния енергиен потенциал за двата типа енергии. След това са избрани два времеви мащаба, в които да се определи взаимното допълване. В първият случай се разглеждат средномесечните стойности на енергиите в годишен мащаб.

11

Оценката на взаимното допълване и енергийния потенциал се осъществяват посредством съответно коефициент на корелация и отношението на двете енергии. Формулите за тяхното изчисляване са показани в текста. Представени са резултатите за всички 13 станции като се наблюдава взаимно допълване само в 4 от случаите, от които само 2 (Ерса във Франция и Плевен в България) има задоволителен енергиен потенциал. Във втория случай се разглеждат средночасовите стойности за даден час от денонощието за месец от годината. Изчисленията са направени за всички месеци и за цялата година и са представени посредством фигури с балони, чиито диаметър отговаря на произведението на двете енергии и дава допълнителна информация за енергийния потенциал на мястото. От фигурите се вижда, че от 13-те станции липсват такива, за които всеки месец да се наблюдава взаимно допълване между двете енергии през деня. Направен е анализ на максималните и минималните стойности за трите параметъра и са показани измененията на двата типа енергии в двата гранични случая.

33. Г.11. Stoyanov, L., G. Notton, V. Lazarov, M. Ezzat. Wind and solar energies production complementarity for various Bulgarian sites. Revue des Energies Renouvelables, numéro spécial “Séminaire Méditerranéen sur l’Energie Eolienne SMEE'2010”, CDER 2010, Algeria, pp. 311-325.

Статията представя изследване на взаимното допълване на произведената енергия от фотоволтаични системи и ветрогенератори с електрическата консумация на българско село. Целта е да се определи оптимална хибридна система от два типа възобновяеми източници на енергия и идеално запасяващо устройство според 4 различни критерия – минимална разлика между произведена и консумирана енергия, брой на часовете, в които част от товара е останала без захранване, времетраенето на прекъсванията в захранването и незадоволената енергия. Разгледани са два режима на работа – когато хибридната система покрива целия товар (автономен режим) и когато тя покрива само върховите натоварвания за деня (в паралел с електрическата мрежа). Използвани са метеорологични данни от 8 български станции, благодарение на които се изчислява произведената енергия от фотоволтаичната система и ветрогенераторите. Номиналните мощности на двата типа генератори се променят в търсене на оптималното решение според желания критерии. Представените резултати показват големи количества енергия, преминаващи през идеалното запасяващо устройство, което потвърждава нуждата от въвеждането на реално такова в хибридната система.

34. Г.12. Lazarov, V, G. Notton and L. Stoyanov Grid Connected Multi-Source System Sizing, Proceedings of Symposium Electromotion – EPE Chapter (IEEE Xplorer) – OS 10, 2009, Lille, France.

Статията представя оразмеряване на енергийна система с три източника на енергия, свързана към електрическата мрежа. Използвани са фотоволтаични модули от четири различни технологии, ветрогенератор и микроводноелектрическа централа. Трите елемента са моделирани посредством модели тип „вход-изход”, което позволява определянето на произведената енергия от тях. За изчисляването на произведената и респективно продадена енергия се използват метеорологични данни от Плевен, България. Разгледани са 5 различни сценария за да се определят оптималните инсталирани мощности на различните генератори. За критерий се взема получената печалба от системата според разглеждания сценарии. Резултатите показват, че въпреки по-ниската изкупна цена на произведената енергия водните централи имат предимство в случаите, когато първичният потенциал позволява да работят на пълна мощност целогодишно. При разглежданите изкупни цени на произведеното електричество и първичен потенциал се наблюдава предимство на ветрогенераторите в енергийната система.

35. Г.13. François, B., V. Lazarov, G. Notton, L. Stoyanov, Z. Zarkov, H. Kanchev. Energy Flows Management of a Hybrid System with Renewable Energy Generators. Proceedings of the Technical University – Sofia, vol. 59, book2, 2009, pp. 102-109.

В статията е представен обзор на проблемите при осигуряването на непрекъснато захранване на автономна система, включваща възобновяеми източници на енергия (ВИЕ). Представени са технологии, които могат да бъдат използвани за компенсиране флуктуациите на енергията, произведена от ВИЕ. Имайки предвид непостоянния характер на мощността от ВИЕ, са разгледани различните стратегии за управление на генераторите и енергозапасяващите средства в една автономна система. Концепциите за управление на една децентрализирана енергийна система са различни от тези за управление на една конвенционална йерархична енергийна система, макар и да съществуват известни прилики в основните принципи. Управлението на енергийните потоци в една хибридна система, според режима на работа и според наличността на първичните ресурси изисква разрешаването на сложни задачи за оптимизация и технико-икономически анализ. Представени са опитни резултати, които показват, че с добре изчислени мощности на генераторите и селективно изключване на някои товари, когато това е възможно и необходимо, може да се постигне стабилна работа на хибридната система в който и да е режим на работа:

12

пълна автономия или изнасяне на електроенергия към мрежата. Важен аспект, който изисква допълнителни изследвания е възможността за моментно преминаване от авт