Dziś jest wtorek, 7 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 4.1717 -1.28% 1EUR 4.5342 -0.59% 1GBP 5.1437 -1.14%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Produkcja w Polsce w kontekście Czwartej Rewolucji Przemysłowej
więcej
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Targi AUTOMATICON odwołane!
więcej
Targi Pneumatyki, Hydrauliki, Napędów i Sterowań KIELCE FLUID POWER
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
1 październik 2008.

Energoelektronika w odnawialnych źródłach energii i systemach generacji rozproszonej cz. 2

W każdym kroku próbkowania k wartość zadana napięcia UDCc(k) w obwodzie prądu stałego porównywana jest z wartością mierzoną UDC(k) i uchyb doprowadzany jest do regulatora RUDC, który generuje wartość zadaną składowej czynnej (równoległa do wektora napięcia sieci UL) prądu sieci IDc(k). Wartość IDc(k) po porównaniu z wartością mierzoną ID(k) doprowadzana jest do regulatora prądu RID. Podobnie wartość zadana składowej biernej (prostopadła do wektora napięcia sieci UL) prądu sieci IQc(k) porównywana jest z wartością mierzoną IQ(k) i uchyb doprowadzony do wejścia regulatora RIQ. Regulatory składowych prądu RID oraz RIQ generują składowe wektora napięcia przekształtnika Ud,Uq, które po transformacji w bloku dq/αβ z wirującego układu współrzędnych dq do stacjonarnego αβ doprowadzane są do modulatora wektorowego SVM. Modulator ten generuje sygnały (współczynniki wypełnienia) DABC sterujące tranzystorami przekształtnika AC/DC. W bloku transformacji współrzędnych dq/αβ wykorzystywana jest informacja o kącie γ położenia wektora napięcia sieci UL względem osi nieruchomego układu współrzędnych α. W ten sposób zapewniona jest synchronizacja wektora prądu względem wektora napięcia sieci, a regulatory składowych prądu RID oraz RIQ pracują z sygnałami napięcia stałego zapewniając wysokie wzmocnienie i eliminację uchybów w stanach ustalonych. Przyjmując wartość zadaną prądu biernego IDc(k) = 0 uzyskuje się pracę z jednostkowym współczynnikiem mocy cosφ = 1. Napięcie sieci może być mierzone bezpośrednio (np. za pomocą układów LEM) lub odtwarzane (w bloku Synchronizacja) na bazie pomiaru napięcia UDC i sygnałów wypełnienia tranzystorów przekształtnika DABC. Tak więc w metodzie VOC realizowane jest pośrednie sterowanie mocą pobieraną/dostarczaną do sieci poprzez niezależną regulację składowych biernej i czynnej wektora prądu sieci.
Metoda DPC (rys. 10) bazuje na zastosowaniu histerezowych regulatorów mocy czynnej i biernej, a blok modulatora zastąpiono Tablicą Łączeń.

BR>

Na podstawie porównania wartości zadanych Qc(k) i Pc(k) z wartościami estymowanymi Q0(k) i P0(k) regulatory odpowiednio mocy biernej RQ oraz czynnej RP generują sygnały bitowe dP oraz dQ, które doprowadzone - wraz z informacją o sektorze położenia wektora napięcia sieci γ względem nieruchomego układu współrzędnych αβ - do Tablicy Łączeń generują sygnały sterujące tranzystorami przekształtnika AC/DC tak, aby zredukować chwilowe uchyby regulacji mocy czynnej i biernej. Dokładność regulacji mocy zależy przede wszystkim od dokładności estymacji składowych mocy Q0(k) i P0(k). W odróżnieniu do układu sterowania metodą VOC (która pracuje na bazie wartości uśrednianych za okres próbkowania i stosuje liniowe regulatory PI), metoda DTC bazuje na regulacji wartości chwilowych i nieliniowych regulatorach histerezowych. Dlatego mimo prostej struktury (brak transformacji współrzędnych) wymaga wysokich częstotliwości próbkowania. Ponadto charakteryzuje się zmienną częstotliwością łączeń przekształtnika co utrudnia projektowanie filtrów sieciowych i zabezpieczenia elementów mocy.

Dlatego metoda DTC-SVM (rys. 11) łączy zalety prostej struktury bezpośredniej regulacji mocy czynnej i biernej z wykorzystaniem regulatorów liniowych PI oraz bloku modulatora SVM. W porównaniu do metody VOC posiada zredukowaną ilość trnsformacji współrzędnych. Jej zaletą jest też stała częstotliwość łączeń tranzystorów przekształtnika.
Aby zredukować negatywny wpływ zakłóceń generowanych w sieci (harmoniczne i podharmoniczne, asymetrie napięcia, etc.) do synchronizacji stosuje się odporne na zniekształcenia sygnałów układy PLL, a także prefiltrowanie sygnału napięcia sieci - metoda wirtualnego wektora strumienia (ang. Virtual Flux). Ta ostatnia stosowana jest także w układach pracujących bez czujników pomiaru napięcia sieci (ang. AC voltage sensorless control). Należy podkreślić, że wszystkie omówione metody sterowania przekształtników AC/DC zapewniają sinusoidalny kształt prądu w fazie z napięciem sieci.

Systemy przekształtnikowe w elektrowniach wiatrowych/fal morskich
Energetyka wiatrowa osiągnęła taki stopień rozwoju, że aktualnie jest akceptowana jako technologia produkcji energii elektrycznej. W okresie ostatnich 5-ciu lat światowy rynek energii wiatrowej zanotował rekordowy wzrost ponad 30% rocznie. Wśród krajów przodujących w tym zakresie znajdują się Niemcy, Dania, Hiszpania i USA. W początkowym okresie rozwoju stosowano generatory indukcyjne o stałej prędkości kątowej lub skokowo przełączalnej przez przekładnię. Jednakże dopiero wprowadzenie nowoczesnej energoelektroniki pozwoliło na rozwój turbin o płynnie regulowanej prędkości i układów sterowania pozwalających na maksymalne wykorzystanie energii wiatru. Ocenia się, że turbiny o regulowanej prędkości wyposażone w przekształtniki AC/DC/AC wytwarzają około 5% więcej energii rocznie aniżeli klasyczne turbiny (bez przekształtników) o stałej prędkości. Ponadto zastosowanie nowoczesnych sprzęgów energoelektronicznych z siecią pozwala na płynną regulację mocy czynnej i biernej, uzyskanie sinusoidalnego kształtu prądu, redukcję stresu mechanicznego i migotania napięcia. Wszystkie te zalety okupione są potrzebą instalacji przekształtnika energoelektronicznego, który zwiększa liczbę komponentów oraz komplikuje sterowanie. Przy czym całkowita cena przekształtnika energoelektronicznego szacowana jest na około 7% kosztów całej turbiny wiatrowej.
Na rys. 12. pokazano schematycznie ważniejsze systemy przekształtników AC/DC/AC stosowanych w turbinach wiatrowych o zmiennej prędkości. Praca turbiny ze zmienną prędkością kątową może być zrealizowana tylko w warunkach odprzężenia elektrycznej częstotliwości sieci od mechanicznej częstotliwości (prędkości) wirnika generatora. Zapewniają to przekształtniki AC/DC/AC z systemem sterowania wektorowego (omówionego poprzednio). Przy czym ze względu na wzrost mocy jednostkowej turbin wiatrowych do rzędu 4-5 MW, stosowane są przekształtniki trójpoziomowe z tendencją do wzrostu liczby poziomów.
Turbinę wiatrową zawierającą przekształtnik AC/DC/AC o zredukowanej mocy z generatorem indukcyjnym dwustronnie zasilanym (ang. Double-Fed Induction Generator - DFIG) pokazano na rys. 12 a. Przekształtnik złożony z dwóch trójfazowych przekształtników mostkowych połączonych baterią kondensatorów (jako magazyn energii) w obwodzie prądu stałego zasila uzwojenie wirnika, podczas, gdy uzwojenie stojana dołączone jest do sieci. Moc przekształtnika jest znacznie zredukowana w stosunku do mocy generatora, dlatego turbina nie może pracować w całym zakresie zmian prędkości od zera do znamionowej.


Ogólnie można stwierdzić, że stosunek między mocą znamionową przekształtnika i generatora (turbiny) wynosi połowę zakresu zmian prędkości wirnika; tzn. na przykład zmiana prędkości 60% wokół prędkości synchronicznej (50 Hz) wymaga przekształtnika o mocy 30% mocy znamionowej generatora. Dodatkowo do redukcji mocy znamionowej również straty całkowite przekształtnika są mniejsze, przy czym regulacja mocy jest taka sama jak w układach z przekształtnikiem o mocy znamionowej (rys. 12 a i b). Z uwagi na to, że przekształtnik dołączony jest do uzwojenia wirnika, zawartość harmonicznych prądu (generowanych w wyniku pracy impulsowej) w stojanie dołączonym do sieci jest zredukowana.
Turbinę wiatrową zawierającą przekształtnik AC/DC/AC o znamionowej mocy z generatorem indukcyjnym klatkowym (ang. Squirel Cage Induction Generator - SCIG) i przekładnią mechaniczną pokazano na rys. 12 b. W tym systemie generator jest w pełni odsprzężony od sieci. Energia wytwarzana przez generator SCIG jest prostowana do obwodu pośredniego prądu stałego zawierającego baterię kondensatorów i następnie po przekształcaniu w energię prądu przemiennego o odpowiednich parametrach dostarczana do sieci.
Turbinę wiatrową zawierającą przekształtnik AC/DC/AC o znamionowej mocy z wielobiegunowym generatorem synchronicznym o magnesach trwałych (ang. Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) bez przekładni mechanicznej pokazano na rys. 12. Eliminacja przekładni mechanicznej z systemu owocuje szeregiem zalet: redukcja całkowitych rozmiarów, niższe koszty inwestycyjne i obsługi, zwiększona niezawodność dzięki usunięciu mechanicznych części wirujących.

Turbinę wodną Kaplana zawierającą przekształtnik AC/DC/AC z wielobiegunowym generatorem synchronicznym o magnesach trwałych (ang. Permanent Magnet Synchronous Generator - PMSG) bez przekładni mechanicznej pokazano na rys. 13. W elektrowniach wykorzystujących energię fal morskich aktualnie stosuje się mniejsze moce jednostkowe rzędu 300 - 500 kW. Generatory indukcyjne DFIG z pierścieniami w wirniku nie są stosowane ze względu na warunki pracy. Dlatego generatory synchroniczne PMSG są korzystne dzięki swoim ważnym zaletom w stosunku do indukcyjnych: wyższa sprawność, wyższa gęstość mocy i odporna budowa wirnika.

Systemy przekształtnikowe w elektrowniach fotowoltaicznych
W ostatnim 20-leciu moc zainstalowanych na świecie elektrowni fotowoltaicznych (ang. Photovoltaic - PV) wzrastała systematycznie o 20-25% rocznie. Działo się to głównie dzięki redukcji kosztów, a siłą napędową rozwoju były: wzrost sprawności ogniw fotowoltaicznych, poprawa technologii produkcji, wzrost niezawodności, opłacalna skala produkcji. W Unii Europejskiej założony na 2010 cel 3 GW energii odnawialnej z PV będzie osiągnięty już w tym roku. Podobnie w Japonii gdzie założono jako cel w 2010 uzyskać 4.8 GW. Należy zauważyć, że wzrost zainstalowanych mocy elektrowni PV odwzorowuje dokładnie wzrost mocy elektrowni wiatrowych z opóźnieniem około 12 lat (rys. 1a i 1b). To pozwala przewidywać dużą przyszłość elektrowni fotowoltaicznych.
Dołączenie do sieci modułów PV obwarowane jest wieloma normami, które definiują takie parametry jak: jakość energii, wykrywanie pracy wyspowej (ang. islanding operation), uziemienia, etc. W warunkach pracy wyspowej przekształtnik jest odłączany od sieci i zasila tylko odbiory lokalne (rys. 14 b). Może to powodować problemy w beztransformatorowych układach większej mocy, gdyż falownik jednofazowy dołączony do przewodu fazowego i neutralnego stanowi system uziemiony po stronie sieci. W ogólności moduły PV mogą być dołączone do sieci (rys. 14 a ) lub pracować wyspowo (rys. 14 b).

Klasyfikacja topologii przekształtników PV może być dokonana z kilku punktów widzenia np.: ilość stopni przekształcania, umiejscowienia kondensatorów separujących, stosowania transformatorów oraz rodzaju przekształtnika dołączającego system do sieci. Ogólnie wśród systemów falownikowych wyróżniamy konstrukcje: falowniki centralne (ang. central inverters), modułowe (ang. module-oriented inverters) i falowniki łańcuchowe (ang. string inverters). Falowniki centralne połączone są równolegle lub/i szeregowo po stronie prądu stałego DC. Falowniki modułowe połączone są najczęściej szeregowo po stronie prądu stałego DC i równolegle po stronie prądu przemiennego. Takie topologie stosowane są w elektrowniach o mocy do kilku MW.

Ostatnio rozwinięto topologie łańcuchowe, które łączą zalety falowników centralnych z modułowymi. Kilka modułów PV połączonych szeregowo tworzy łańcuch o mocy rzędu 2 kW i napięciu 125 - 750 V. Na rys. 15 pokazano przykładowe schematy jedno- i trójfazowe.
Natomiast rys. 16 pokazuje przykładowy schemat wewnętrzny przekształtnika łańcuchowego.

Każdy moduł PV posiada indywidualny przekształtnik DC/DC ze sterowaniem, które indywidualnie optymalizuje maksymalny pobór energii (ang. Maximum Power Point Tracker - MPPT). Wszystkie przekształtniki DC/DC dołączone są poprzez obwód pośredni prądu stałego z falownikiem sprzęgającym w jednofazowym układzie pół-mostkowym do sieci (rys. 16). Falownik pół-mostkowy wymaga podwójnego napięcia obwodu prądu stałego VDC oraz podwójnej częstotliwości łączeń, aby uzyskać te same właściwości jak układ pełnego mostka. W układach trójfazowych (rys. 15 a ) stosowane są trójfazowe przekształtniki mostkowe (rys. 5). Chcąc rozbudować system do określonej mocy, wystarczy dołączyć nowy łańcuch z dowolnym przekształtnikiem DC/DC. Ostatnio obserwuje się tendencje do stosowania falowników wielopoziomowych.

Badania eksperymentalne
Na rys. 17 pokazano schemat blokowy stanowiska laboratoryjnego zbudowanego w Instytucie Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej do badań (w zmniejszonej skali mocy) sprzęgu energoelektronicznego generatora synchronicznego o magnesach trwałych (ang. PMSM) oraz indukcyjnego klatkowego (IM) z siecią elektroenergetyczną.

Zastosowano typowe rozwiązanie stosowane w elektrowniach wiatrowych: przekształtnik trójpoziomowy z diodami poziomującymi oraz filtrem LCL od strony sieci. Pozwala ono na wszechstronne badania w różnych warunkach pracy systemu: statycznych, dynamicznych jak też współpracy obu typów generatorów na sieć. Do sterowania w czasie rzeczywistym zastosowano system procesorowy bazujący na karcie DS 1104 firmy dSPACE oraz systemie FPGA - Altera FLEX 10K120.

Na rys. 18 a pokazano oscylogram pracy generatora indukcyjnego w stanie ustalonym. W układzie zastosowano sterowanie metodą DPC-SVM (patrz rys. 11). Należy zwrócić uwagę, że prąd fazowy ma kształt sinusoidalny i jest w fazie przeciwnej do napięcia sieci (praca generatorowa).

Zakończenie i wnioski
W artykule omówiono bloki sprzęgów energoelektronicznych stosowanych w odnawialnych źródłach energii (OZE) pracujących w systemach generacji rozproszonej (GR). Przedstawiono podstawowe topologie przekształtników dwu- i wielo-poziomowych, metody sterowania wektorowego przekształtników AC/DC, a także zaprezentowano rozwiązania stosowane w elektrowniach wiatrowych, wodnych pozyskujących energię z fal morskich oraz fotowoltaicznych. Podano oscylogramy pomierzone na stanowisku eksperymentalnym z trójpoziomowym przekształtnikiem AC/DC/AC o topologii z diodami poziomującymi (NPC).
Jak wynika z prezentowanego przeglądu energoelektronika odgrywa dominującą rolę w budowie i realizacji OZE oraz stanowi bazę dla hybrydowych systemów GR. Jej rozwój w nadchodzącej dekadzie będzie w decydującym stopniu wpływał na budowę i użytkowanie OZE i systemów GR.

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