Dziś jest sobota, 4 kwiecień 2020 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 4.2396 +1.14% 1EUR 4.5792 +0.05% 1GBP 5.2164 +0.17%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Targi AUTOMATICON odwołane!
więcej
75 edycja Seminarium SUR za nami
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
21 kwiecień 2020
Targi Expopower 
więcej
23 kwiecień 2020
Seminarium EX - edycja XIV 
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
11 wrzesień 2008.

Energoelektronika w odnawialnych źródłach energii i systemach generacji rozproszonej cz. 1

Konsumpcja energii elektrycznej zarówno w kraju jak i na świecie systematycznie wzrasta i obserwuje się stały trend do wzrostu instalowanych mocy użytkowych. Wytwarzanie, dystrybucja i użytkowanie energii powinny być technologicznie wysokosprawne, a także intensyfikujące oszczędność i poszanowanie energii przez użytkowników. Deregulacja rynku energii zmniejszyła zainteresowanie inwestycjami w wielkie elektrownie, co wywołuje wzrastającą potrzebę rozwoju nowych źródeł energii. W rozwiązaniu przyszłych problemów energetycznych kluczową rolę odegrają dwa kierunki zmian technologicznych:
- Pierwszy polegający na zastępowaniu konwencjonalnych źródeł energii opartych na węglu przez odnawialne źródła energii (OZE). 
- Drugi to szerokie zastosowanie wysokosprawnych i niezawodnych przekształtników energoelektronicznych w systemach wytwarzania, przesyłu i użytkowania energii.

Dobitnym przykładem może być energetyka wiatrowa, która w ostatnim okresie dzięki zastosowaniu nowoczesnych przekształtników energoelektronicznych doznała przeobrażenia z mało znaczącego do liczącego się w systemie energetycznym OZE (Rys. 1a). Podobny rozwój obserwuje się w zakresie zainstalowanych technologii fotowoltaicznych (Rys. 1 b).

OZE pracują najczęściej w systemach Generacji Rozproszonej (GR). Przykładową strukturę GR pokazano na rys. 2. Centralnym blokiem jest przekształtnik energoelektroniczny, który stanowi sprzęg dopasowujący wejściową energię elektryczną OZE do sieci elektro-energetycznej. Wytwarzana energia elektryczna może być doprowadzona bezpośrednio do sieci lub odbiorników lokalnych.

Niezwykle ważnym blokiem systemu GR jest układ sterowania, który spełnia dwie funkcje:
* Zapewnienie maksimum mocy pobieranej z OZE w zmiennych warunkach eksploatacji,
* Doprowadzenie wytworzonej mocy do sieci elektroenergetycznej przy zagwarantowaniu:
- płynnej regulacji mocy czynnej,
- płynnej regulacji rozpływu mocy biernej pomiędzy blokami systemu GR i siecią,
- synchronizacji z siecią,
- regulację napięcia w obwodzie prądu stałego przekształtnika sprzęgającego,
- wysoką jakość mocy dostarczanej do sieci.
W dalszej części artykułu przedstawiony zostanie aktualny stan rozwoju przekształtników energoelektronicznych, ich podstawowe topologie, układy sterowania a także ich zastosowania w systemach GR z OZE.

Stan rozwoju energoelektroniki
Obserwując rynek napędów regulowanych można zauważyć, że na przestrzeni 30 lat nastąpiła 20-krotna redukcja wagi i rozmiarów przekształtników energoelektronicznych (rys. 3b) przy jednoczesnym 10-krotnym wzroście funkcjonalności i redukcji liczby komponentów (rys. 3a).

Ten olbrzymi postęp energoelektronika zawdzięcza przede wszystkim rozwojowi półprzewodnikowych elementów mocy, a także systemów sterowania na bazie systemów procesorowych (ang. Digital Signal Processor - DSP) i logiki programowalnej (ang. Field Programmable Gate Array - FPGA).

Półprzewodnikowe elementy energoelektroniczne

Systematyczny rozwój półprzewodnikowych elementów mocy w zakresie parametrów znamionowych (napięć i prądów), czasów przełączania oraz niezawodności - przy jednoczesnej redukcji ich cen 2-5% rocznie - stanowi główną siłę napędową ekspansji układów energoelektronicznych w odnawialnych źródłach energii i systemach generacji rozproszonej. W przekształtnikach elektrowni wiatrowych, morskich, fotowoltaicznych, etc. zastosowanie znajdują głównie tyrystory IGCT (ang. Integrated Gate-Commutated Thyristor) oraz tranzystory IGBT (ang. Insulated Gate Bipolar Transistor). Tyrystor IGCT stanowi połączenie tyrystora GTO (ang. Gate Turn off) z układem sterowania bramki w jednej zintegrowanej obudowie. Dzięki takiej konstrukcji uzyskuje się doskonały przyrząd o dużym obszarze pracy bezpiecznej (ang. Safe Operation Area - SOA), zredukowanych stratach łączeniowych oraz krótkim czasie odprowadzenia ładunku przestrzennego złącza.

Tranzystory IGBT stanowią aktualnie zasadniczy element energoelektroniczny osiągając parametry znamionowe 6.5 kV, 0.6 kA (rys. 2). Dokonując porównania tyrystorów IGCT z tranzystorami IGBT w przekształtnikach stosowanych w systemach OZE i GR, można stwierdzić:
- Tranzystory IGBT mogą pracować z wyższą częstotliwością łączeń aniżeli tyrystory IGCT, dlatego mniej zakłócają sieć zasilającą;
- Dzięki konstrukcji modułowej tranzystory IGBT są mechanicznie bardziej odporne na cykliczne zmiany temperatury spowodowane zmianami obciążeń aniżeli tyrystory IGCT, które mają konstrukcję dyskową. Dlatego trwałość IGBT jest wyższa;
- Podstawową zaletą tyrystorów IGCT w stosunku do tranzystorów IGBT jest mniejszy spadek napięcia w stanie załączenia. Np. dla przyrządu 4.5 kV wynosi on około 3.0 V, co w przypadku przekształtnika o mocy znamionowej 2000 kW daje straty przewodzenia 3.2 kW na fazę. Natomiast dla tranzystora IGBT 1.7 kV mającego napięcie w stanie załączenia 5.0 V przy mocy przekształtnika 2000 kW uzyskuje się straty przewodzenia 6.67 kW na fazę.
Podsumowując należy stwierdzić, że na obecnym etapie rozwoju przyrządów półprzewodnikowych tranzystory IGBT stanowią lepszą alternatywę do budowy przekształtników energoelektronicznych ogólnego stosowania, w tym także dla systemów OZE i GR.

Topologie układów energoelektronicznych sprzęgających odnawialne źródła energii z siecią elektroenergetyczną - Przekształtniki AC/DC
Podstawowym układem energoelektronicznym stosowanym jako sprzęg pomiędzy OZE a siecią elektroenergetyczną jest przekształtnik AC/DC (prostownik aktywny) oraz jego lustrzane uzupełnienie DC/AC (falownik). Użyte razem tworzą przemiennik częstotliwości z obwodem pośredniczącym napięcia stałego AC/DC/AC (ang. back-to-back converters).
Bazowy schemat trójfazowego dwupoziomowego przekształtnika mostkowego AC/DC pokazano na rys. 5. Strona zmiennoprądowa AC dołączona jest poprzez dławiki o indukcyjności L i rezystancji R do sieci reprezentowanej przez źródła napięcia Ua, Ub, Uc. Natomiast strona stałoprądowa DC poprzez pojemność wygładzającą C dołączana jest poprzez dodatkowy przekształtnik DC/DC (fotowoltaika) lub DC/AC (elektrownie wiatrowe, morskie) do OZE. Zastosowanie diod zwrotnych dołączonych równolegle do tranzystorów IGBT pozwala - przy zachowaniu stałej wartości napięcia UDC - na zmianę kierunku prądu w części stałoprądowej, a zatem także zmianę znaku mocy i kierunku przepływu energii przez przekształtnik. Tak, więc przekształtnik AC/DC jest idealnym sprzęgiem systemów OZE i GR z siecią, gdyż zapewnia dwukierunkowy przepływ energii.

Jednakże wraz ze wzrostem mocy jednostkowej - dla uzyskania ekonomicznych rozwiązań umożliwiających pracę przy wyższych napięciach i prądach - stosowane są przekształtniki wielopoziomowe, wśród których wyróżnia się następujące ważniejsze topologie:
- Przekształtniki z diodami poziomującymi połączonymi z punktem neutralnym (ang. Neutral Point Camping - NPC), 
- Przekształtniki z kondensatorami o zmiennym potencjale (ang. Flying Capacitors - FLC),
- Przekształtniki z kaskadowym (szeregowym) połączeniem mostków jednofazowych (ang. Cascaded Single-Phase H-Bridge - CH-B).
Wspólną cechą wymienionych topologii jest (teoretycznie) możliwość budowy przekształtników o dowolnej liczbie poziomów, mimo że w praktyce ich realizacja może być - zależnie od topologii - mniej lub bardziej złożona. Przykładowe topologie trójpoziomowe przekształtników NPC, FLC oraz CH-B pokazano odpowiednio na rys. 6, 7 i 8.

 

Natomiast porównanie topologii wielopoziomowych w odniesieniu do ilości poziomów n, ilości tranzystorów IGBT, diod mocy, kondensatorów oraz ilości izolowanych źródeł i pomiarów napięcia stałego zestawiono w Tabeli I.

Do zasadniczych zalet topologii wielopoziomowych w porównaniu do przekształtników dwupoziomowych należą:
- mniejsza zawartość harmonicznych napięcia zarówno po stronie zmiennoprądowej jak i tętnień po stronie stałoprądowej,
- mniejsze wartości filtrów i elementów pasywnych,
- redukcja strat łączeniowych oraz niższy poziom zakłóceń elektromagnetycznych (ang. Electromagnetic Interference - EMI) dzięki mniejszym wartościom napięć komutowanych.
Mimo, że straty w stanie przewodzenia przekształtników wielopoziomowych są większe, to jednak całkowita sprawność jest wyższa i zależy od stosunku strat łączeniowych do strat przewodzenia. Oczywiście przekształtniki wielopoziomowe posiadają też wady: większa ilość elementów mocy, skomplikowane sterowanie i zabezpieczenia, konieczność stabilizacji napięcia punktu neutralnego (NPC) oraz izolowane napięcia zasilania (CH-B). Jednakże możliwość budowy modułowej oraz standaryzacja w postaci bloków funkcjonalnych (ang. Power Electronic Building Blocks - PEBB) powoduje, że cena/kW przekształtników wielopoziomowych systematycznie maleje, co przy wzrastającej niezawodności czyni ich atrakcyjnymi dla systemów GR i OZE.

Układy sterowania i monitoringu
Systemy mikroprocesorowe
Początkowo do sterownia układów energoelektronicznych wykorzystywane były standardowe mikroprocesory, które wymagały dobudowania otoczenia w postaci przetworników analogowo - cyfrowych, układów modyfikacji sygnałów sterujących poprzez generowanie czasu martwego (ang. Dead Time) dla zabezpieczenia gałęzi przekształtnika przed zwarciem, itp. Obecnie producenci sterowników rozszerzają swoją ofertę o układy specjalizowane do zastosowań energoelektronicznych i napędowych. Znalazły tu zastosowanie procesory sygnałowe DSP nowej generacji. Przykładem mogą być firmy Analog Devices i Texas Instruments. Specjalizacja takich układów polega na wyposażeniu procesora DSP w dodatkowe elementy jak:
- przetworniki analogowo - cyfrowe,
- generator sygnałów PWM,
- generator czasu martwego,
- wejście czujnika impulsowo - obrotowego.
Rozwój tego typu układów zmierza w kierunku zwiększenia mocy obliczeniowej oraz zintegrowania w nich jeszcze więcej dodatkowych funkcji. W większości są to układy 16-bitowe jednak ostatnio firma Texas Instruments wprowadziła 32-bitowe układy serii TMS320F28xx. Dzięki temu oraz dzięki dużej prędkości (do 150 MHz) istnieje możliwość implementacji bardziej skomplikowanych algorytmów, oraz efektywnego wykorzystania do programowania takiego procesora języka wysokiego poziomu, w tym przypadku języka C. Tabela I przestawia porównanie przykładowych procesorów dedykowanych do zastosowań energoelektronicznych i napędowych. Równocześnie ze specjalizowanymi sterownikami DSP dynamicznie rozwijają się scalone układy programowalne FPGA. Początkowo systemy FPGA używano do zastąpienia podstawowych układów logicznych w prostych zastosowaniach, gdzie projektowanie wspomagano komputerowo (ang. Computer Aided Design - CAD).

Jednakże wraz z rozwojem zarówno technologii wysokiej skali integracji (ang. Very Large Scale Integration - VLSI) jak też oprogramowania (ang. Very high speed integrated circuit Hardware Description Language - VHDL) systemy FPGA stosowane są do realizacji bardzo złożonych funkcji. Aktualnie w jednym układzie scalonym realizowane są pełne układy cyfrowe zawierające np. jednostkę arytmetyczno-logiczną (ang. Arithmetic Logic Unit - ALU), pamięci, systemy sprzęgające i komunikacyjne. Również w energoelektronice układy FPGA zyskały na znaczeniu, gdyż charakteryzują się dużym stopniem swobody projektowania. Dlatego często stosowane jest łączenie FPGA z DSP, co pozwala na optymalizację całej struktury.
Struktury układów sterowania przekształtników AC/DC
Dla zapewnienia stabilnej i odpornej na zakłócenia od strony sieci pracy sprzęgów energoelektronicznych AC/DC stosowane są zawansowane metody sterowania na bazie orientacji wektorów:
- Metoda sterowania napięciowo zorientowanego (ang. Voltage Oriented Control - VOC),
- Metoda bezpośredniej regulacji mocy (ang. Direct Power Control - DPC),
- Metoda bezpośredniej regulacji mocy z modulatorem wektorowym (ang. Direct Power Control with Space Vector Modulation - DPC-SVM).
Bazowy schemat blokowy i wykres wektorowy wyjaśniający zasadę sterowania przekształtnika AC/DC metodą VOC przedstawia rys. 9.

Marian P. Kaźmierkowski

Źródło: Nowa elektrotechnika
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl