Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 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 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Reklama

Aktualności
Cykl szkoleń z zakresu programowania sterowników SIMATIC S7-300, S7-1200
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
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