untitled

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

iniejszy artykuł omawia budowę
systemów hybrydowych fotowol-

taiczno-wiatrowych przy zastosowa-
niu nowoczesnych energoelektronicz-
nych urządzeń przekształtnikowych.

Układy zasilania wykorzystujące od-

nawialne źródła energii można podzie-
lić zasadniczo na dwa podsystemy:

współpracujące z siecią elektro-
energetyczną, zwane dalej on-grid,

niewspółpracujące z siecią zasila-
jącą energetyki zawodowej, zwane
dalej wyspowymi lub off-grid.
Jeżeli w układzie zasilania wykorzy-

stywane jest więcej niż jedno źródło
pierwotne, np. baterie słoneczne (mo-
duły fotowoltaiczne), i generator wia-
trowy - mówimy o hybrydowym połą-
czeniu obydwu źródeł. Z drugiej stro-
ny takie układy zasilania można po-
dzielić ze względu na wymagania za-
silanych odbiorów na:

układy o najwyższych wymaga-
niach jakościowych, zasilanie gwa-
rantowane, bezprzerwowe,

układy o określonym dobowo cza-
sie pracy i inne.
Do pierwszej grupy zaliczyć można

np. siłownie telekomunikacyjne, układy
zasilania teletransmisyjnych stacji prze-
kaźnikowych, układy zasilania obiektów
szpitalnych lub też znaków drogowych lą-
dowych i morskich o działaniu ciągłym.
Drugą grupę stanowią obiekty niewy-
magające ciągłego zasilania np. układy
oświetleniowe, znaki sygnalizacyjne,
systemy pompujące wodę i inne.

Należy tutaj dodać, że prawie za-

wsze siłownie wykorzystujące od-
nawialne źródła energii budowa-
ne są dzięki połączeniu dwóch źró-
deł: pierwotnego – na przykład ba-
terii słonecznej, i wtórnego, którym
zawsze jest bateria chemiczna. Wy-
jątkiem są tutaj układy siłowni, któ-
rych jedyną rolą jest przekazywanie
energii do elektroenergetycznej sie-
ci zasilającej, przykładem mogą być
farmy wiatraków wytwarzające ener-
gię, która przekazywana jest bezpo-
średnio do energetycznej sieci zasi-
lającej. Zadaniem baterii akumula-
torów w hybrydowych układach za-
silania jest pokrycie deficytu ener-
gii ze źródeł pierwotnych. W syste-
mach zasilania gwarantowanego od-
biory najczęściej dołączone są bez-
pośrednio do zacisków tejże baterii,
bez żadnych urządzeń pośredniczą-
cych. W układach o działaniu okre-
sowym bateria pełni funkcje ma-
gazynu energii, która może zostać
spożytkowana w dowolnym mo-
mencie, praktycznym przykładem
może tu być oświetlenie nocne zna-
ków drogowych, nocą zasilane z ba-
terii akumulatorów, które ładowane
są w dzień ze źródła, jakim jest bate-
ria słoneczna.

Jako że nośniki energii odna-

wialnej – słońce i wiatr – są nieste-
ty w pewnej mierze nieprzewidywal-
ne, istnieje niezerowe prawdopodo-
bieństwo niedoboru energii w sys-

temie, pochodzącej ze słońca i wia-
tru, przy jednoczesnym pełnym wy-
ładowaniu baterii chemicznej. Ma to
szczególne znaczenie dla systemów
zasilania gwarantowanego, gdzie
przerwa w zasilaniu jest z definicji
niedopuszczalna. Konieczne wydaje
się zatem zastosowanie dodatkowego,
w pełni niezależnego, źródła energii,
którym może być generator spalino-
wy lub też ogniwo paliwowe zasilane
wodorem. Zastosowanie ogniwa pa-
liwowego ma na celu wyeliminowa-
nie generatora spalinowego, co przy
założeniu ekologicznego pozyskiwa-
nia wodoru powoduje, że ogniwo pa-
liwowe jest źródłem czystym ekolo-
gicznie.

Na rysunku 1 przedstawiono przy-

kładowy schemat blokowy hybrydo-
wego systemu zasilania, wykorzystu-
jący jako pierwotne źródła energii
moduły fotowoltaiczne PV i genera-
tor wiatrowy WG. Źródłem wtórnym
jest bateria akumulatorów BAT.

Dodatkowo w skład systemu wcho-

dzą następujące podzespoły:

przetwornica DC/DC 1 – jej zada-
niem jest zapewnienie dopasowa-
nia napięcia ogniw fotowoltaicz-
nych do wymaganego napięcia na
zaciskach baterii chemicznej i re-
gulacja mocy maksymalnej odda-
wanej przez baterie słoneczne,

przetwornica AC/DC 1 – zada-
niem tego układu jest przekształ-
cenie napięcia przemiennego z ge-

neratora wiatrowego do poziomu
wymaganego na zaciskach baterii
chemicznej,

G – generator spalinowy,

FC – ogniwo paliwowe zasilane
wodorem,

przetwornica AC/DC 2 – zadaniem
tego układu jest zasilanie odbio-
rów i ładowanie baterii akumula-
torów za pomocą generatora spa-
linowego G,

przetwornica DC/DC 2 – zadaniem
tego urządzenia jest zasilenie od-
biorów i ładowanie baterii akumu-
latorów z ogniwa paliwowego FC,

AC/DC 2 – sieciowy zespół pro-
stownikowy, umożliwiający za-
silanie odbiorników i ładowanie
baterii z sieci elektroenergetycz-
nej prądu przemiennego AC 230 V,

DC/AC 1 – układ falownikowy
przekazujący energię z baterii aku-
mulatorów do sieci elektroener-
getycznej prądu przemiennego
AC 230V,

DC/AC 2 – falownik zasilający odbio-
ry prądu przemiennego AC 230 V,

KSN – komputerowy system nad-
zoru i sterowania nadrzędnego,
którego głównym zadaniem jest
kontrola stanu baterii akumulato-
rów oraz regulacja rozpływu prądu
z poszczególnych źródeł oraz prą-
du ładowania baterii.
Wszystkie przedstawione na sche-

macie źródła energii i współpracują-
ce z nimi układy przekształtniko-

dwukierunkowy układ

przekazywania energii

w hybrydowych

systemach zasilania

mgr inż. Robert Samborski – Instytut Łączności w Warszawie, Zakład Energetyki Łączności Z5

Rozwój techniki i technologii w ostatnim dziesięcioleciu, w dziedzinie fotowoltaiki i ener-
getyki odnawialnej, w połączeniu z ciągłym wzrostem cen konwencjonalnych nośników
energii powoduje stale rosnące zainteresowanie odnawialnymi źródłami energii, jaki-
mi są słońce i wiatr.

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

we połączone są ze sobą za pomocą
członów diodowych „większy-niż”.
Przy tego typu połączeniu wystę-
puje wiele problemów z równomier-
nym, proporcjonalnym w danej chwi-
li do możliwości danego źródła, roz-
pływem prądów pomiędzy poszcze-
gólnymi źródłami. Wymaga to budo-
wania zaawansowanych układów re-
gulatorów dedykowanych do danego
typu przetwornicy oraz specjalistycz-
nych kontrolno-sterujących układów
sterowania nadrzędnego. Należy tu-
taj dodać, że wszystkie przedstawio-
ne na rysunku 1 elementy składowe
systemu nigdy nie występują jedno-
cześnie.

W systemach wyspowych jako do-

datkowe niezależne źródło energii
występuje generator spalinowy G lub
ogniwo paliwowe FC, nie występuje
natomiast zespół prostownikowy
AC / DC 2 oraz falownik przekazujący
energię do elektroenergetycznej sie-
ci zasilającej. W systemach typu on-
grid sytuacja jest odwrotna, dodat-
kowe niezależne źródło zastępowa-
ne jest właśnie elektroenergetyczną
siecią zasilającą, z której energia po-

bierana jest w momencie jej niedobo-
ru ze źródeł pierwotnych (przetworni-
ca AC/DC 2). Nadwyżki energii w sys-
temie przekazywane są do tej sieci za-
silającej (przetwornica DC/AC 1).

Jako główne źródło rezerwowe

stosowana jest prawie zawsze che-
miczna bateria akumulatorów. Do-
tyczy to w szczególności systemów
wyspowych, jak i systemów typu
on-grid. W momencie niedoboru
energii ze źródeł pierwotnych lub
też jednoczesnej awarii sieci zasilają-
cej, w przypadku systemów on-grid
odbiorniki zasilane są z baterii. Obec-
nie w nowoczesnych systemach zasi-
lania stosowane są baterie ołowiowo-
kwasowe w obudowie hermetycznej
z elektrolitem w postaci żelu lub też
uwięzionym w macie szklanej (VRLA,
AGM). Stosowane są jeszcze czasami
baterie klasyczne, w obudowie szczel-
nej z elektrolitem płynnym, ale rzad-
ko, a to ze względu na specjalne wa-
runki techniczne, jakie musi spełniać
pomieszczenie, w którym bateria jest
eksploatowana.

Baterie typu VRLA w stosunku do

baterii klasycznych są znacznie mniej

uciążliwe dla otoczenia, gazy proceso-
we z baterii wydostają się na zewnątrz
tylko w stanach awaryjnych przez spe-
cjalny wentyl bezpieczeństwa. Podczas
normalnej pracy baterii VRLA wszyst-

kie gazy rekombinują wewnątrz bate-
rii, nie mając kontaktu z atmosferą.

Oprócz wielu zalet, jakie cechu-

ją nowoczesne baterie ołowiowo-
kwasowe, należy wymienić także
ich wady:

pożądana stała temperatura po-
mieszczenia baterii najlepiej
20°C (eurobat), (każde 9°C powy-
żej 20°C skraca okres życia baterii
o ok. 50%),

konieczna temperaturowa korekcja
napięcia buforowania 3-8 mV/°C/
ogniwo,

ochrona przed głębokim rozłado-
waniem i przeładowaniem (szcze-
gólnie AGM),

duża dokładność stabilizacji na-
pięcia buforowania < ± 1%,

mała zawartość pulsacji w napię-
ciu przekształtnika ładującego ba-
terie ± 2,5 % wartości podstawo-
wej, przy obciążonym od 5-100 %
przekształtniku badanym bez za-
łączonej baterii (eurobat).
Obecnie produkowane energoelek-

troniczne urządzenia zasilające za-
pewniają zarówno korekcję tempera-
turową, jak i właściwą, dopuszczalną
pulsację prądu ładowania lub też na-
pięcia w stanie buforowania.

Rys. 1 Przykładowy schemat blokowy hybrydowego systemu zasilania

Rys. 3 Schemat ideowy dwukierunkowej przetwornicy DC/DC w układzie Cuk’a, za-

pewniającej dwukierunkowy przepływ energii w układzie z rysunku 2

Rys. 2 Schemat blokowy dwukierunkowego urządzenia zasilającego

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

Najtrudniejszym do zapewnienia

warunkiem pracy baterii jest właści-
wa temperatura. Aby zapewnić wła-
ściwe warunki temperaturowe pracy
baterii konieczne jest zastosowanie
drogich i kosztownych w eksploatacji
urządzeń klimatyzujących, co zazwy-
czaj nie jest uzasadnione ekonomicz-
nie, szczególnie w przypadku małych
siłowni hybrydowych, wyspowych, ale
nie tylko. Dotyczy to także konwen-
cjonalnych systemów zasilania gwa-
rantowanego, np. stosowanych w te-
lekomunikacyjnych systemach dostę-
pu abonenckiego (SDA). Systemy SDA
montowane są często jako szafy ze-
wnętrzne tuż przy fasadach budyn-
ków lub też montowane nierzadko
w tzw. szczerym polu. Ekspozycja ta-
kiego systemu na działanie promieni
słonecznych powoduje, że temperatu-
ra wnętrza obudowy przekracza 50°C
(łatwo zauważyć ten efekt, gdy musi-
my wsiąść latem do samochodu nara-
żonego przez pewien czas na działa-
nie promieni słonecznych). Zimą na-
tomiast, na naszej szerokości geogra-
ficznej występuje duży gradient tem-
peratur pomiędzy dniem a nocą, co
ma także niekorzystny wpływ na ży-
wotność baterii. Wszystkie te czynniki
powodują, że czas życia baterii w nie-
których instalacjach ulega gwałtow-
nemu skróceniu nawet do ok. 1 roku
(bateria o pojemności 80 % w stosun-
ku do wartości znamionowej uznawa-
na jest w telekomunikacji za niespraw-
ną i podlega wymianie).

W związku z powyższym bardzo

trudno jest odpowiedzieć na pyta-
nie, w jakim stanie jest aktualnie
eksploatowana bateria. Aby się o tym
przekonać, konieczne jest jej kontro-
lne rozładowanie i ponowne nałado-
wanie, co tak naprawdę jest jedyną
w pełni miarodajną metodą pomia-
ru pojemności baterii VRLA.

Typowe siłownie hybrydowe typu

on-grid są wyposażane w dwa od-
dzielne układy: urządzenie falowni-
kowe przekazujące energię do sieci
zasilającej oraz zespół prostowniko-
wy. Pierwszy z nich umożliwia roz-
ładowanie baterii ze zwrotem ener-
gii do sieci elektroenergetycznej, na-

tomiast drugi umożliwia pełne jej
naładowanie. Problem rozładowania
i ładowania kontrolnego dotyczy nie
tylko systemów fotowoltaiczno-wia-
trowych, ale także wszystkich ukła-
dów konwencjonalnych współpracu-
jących z baterią akumulatorów VRLA.
Dla przykładu, z przyczyn ekonomicz-
nych siłownie telekomunikacyjne nie
są wyposażane w takie urządzenia,
ma ono charakter przenośny, dołą-
czane jest do siłowni tylko na czas
przeprowadzania próby rozładowania
kontrolnego i dopiero po przeprowa-
dzeniu rozładowania i ładowania
kontrolnego mamy informację o rze-
czywistym stanie baterii.

W systemach typu off-grid czy

też wyspowych prawidłowa próba
rozładowania i ładowania kontrol-
nego możliwa jest w zasadzie tylko
przy wykorzystaniu dodatkowego
źródła energii, generatora spalino-
wego lub ogniwa paliwowego.

Jednym z rozwiązań problemu

rozładowania kontrolnego baterii
chemicznej są urządzenia dwukie-
runkowe, mogące w zależności od sy-
gnałów sterujących ładować baterię
z sieci zasilającej (praca prostowniko-
wa) lub rozładowywać ją, przekazując
energię do sieci (praca falownikowa).
Urządzenie to integruje w swojej bu-
dowie dwa elementy systemu przed-
stawionego na rysunku 1, a mianowi-
cie urządzenie rozładowujące DC/AC 1
i zespół prostownikowy AC/DC 2. Ry-
sunek 2 przedstawia schemat bloko-
wy takiego urządzenia.

Współpraca tego urządzenia z kom-

puterowym systemem automatyczne-
go nadzoru pozwoli umożliwić w spo-
sób zdalny, np. przez modem i linię
telefoniczną, przeprowadzenie roz-
ładowania kontrolnego, ładowanie
wyrównujące, pomiar ładunku wy-
pływającego i wpływającego do ba-
terii oraz monitoring napięć i tem-
peratury baterii.

Głównym podzespołem przed-

stawianego urządzenia jest dwukie-
runkowa przetwornica DC/DC, któ-
ra, w zależności od sygnałów steru-
jących łącznikami, dopasowuje wy-
prostowane napięcie sieciowe do po-

s y s t e m y g w a r a n t o w a n e g o z a s i l a n i a

w w w. e l e k t r o . i n f o . p l

n r 7 - 8 / 2 0 0 4

ziomu napięcia baterii lub też napię-
cie baterii podnosi do poziomu wy-
prostowanego napięcia sieciowego.
Schemat dwukierunkowej przetwor-
nicy DC/DC w układzie Cuka przed-
stawia rysunek 3.

Na rysunku 4 przedstawiono sche-

mat przetwornicy dwukierunkowej
AC/DC DC/AC umożliwiającej prze-
kazywanie energii do sieci zasilają-
cej. W zależności od sposobu wyste-
rowania łączników, układ może pra-
cować jako falownik lub jako prostow-
nik. Dzięki zastosowaniu odpowied-
niego sposobu sterowania łącznikami
tranzystorowymi obydwu przetwor-
nic możliwe jest uzyskanie przebie-
gów prądu pobieranego z sieci, prze-
kazywanego do tej sieci, zbliżonego
do sinusoidy z niewielką zawartością
wyższych harmonicznych.

Na rysunku 5 przedstawiono sche-

mat ideowy hybrydowej siłowni sło-
neczno-wiatrowej zintegrowanej na
szynie 230 VAC, z zastosowaniem
dwukierunkowego urządzenia zasi-
lającego. W skład systemu wchodzą
następujące podzespoły:

moduły fotowoltaiczne PV (bate-
rie słoneczne),

przekształtnik falownikowy DC / AC
1 – którego zadaniem jest przekazy-
wanie energii z baterii słonecznej do
sieci prądu przemiennego 230 VAC
oraz regulacja mocy maksymalnej
uzyskiwanej z modułów fotowolta-
icznych,

generator wiatrowy WG,

przekształtnik falownikowy
AC

1 – przekazuje energię

z generatora wiatrowego do sieci
230VAC,

spalinowy zespół prądotwórczy G,

przekształtnik falownikowy
AC / AC 2 – umożliwia przekazy-
wanie energii z zespołu prądo-
twórczego do sieci 230 VAC,

ogniwo paliwowe zasilane wodo-
rem FC,

przekształtnik falownikowy
DC / AC 2 – za pomocą tego urzą-
dzenia energia z ogniwa paliwo-
wego przekazywana jest do wspól-
nej dla wszystkich źródeł w sys-
temie sieci prądu przemiennego
230 VAC,

zespół prostownikowy AC/DC –
urządzenie zasilające odbiory prą-
du stałego,

bateria akumulatorów BAT,

dwukierunkowe urządzenie zasi-
lające BC, zwane także dwukierun-
kowym prze-
kształtnikiem
bateryjnym - za-
daniem tego
urządzenia jest
w zależności od
potrzeb ładowa-
nie baterii z sie-
ci 230 VAC lub
też przekazy-
wanie zgroma-
dzonej w baterii
energii do sieci
zasilającej.
Przedstawio-

na na rysunku 5
struktura systemu
predysponuje go

do współpracy z elektroenergetycz-
ną siecią zasilającą. System oczy-
wiście może pracować jako wyspo-
wy, w którym wszystkie źródła zin-
tegrowane są na napięciu przemien-
nym 230 VAC.

Zastosowanie takiej filozofii po-

zwala na tworzenie sytemu moduło-
wego, składającego się w zależności
od potrzeb wielu równolegle współ-
pracujących ze sobą bloków. Może to
być np. kilka generatorów wiatro-
wych czy też kilka różnych rodzajów
baterii chemicznych o różnych właści-
wościach eksploatacyjnych i / lub róż-
nych napięciach znamionowych. Każ-
da bateria mając swój własny dedyko-
wany przekształtnik bateryjny i mo-
że pracować w takim układzie jedno-
cześnie. Przy tego typu połączeniach
nie występują problemy z równomier-
nym rozpływem prądów z wielu źró-
deł i o różnych chwilowych wydajno-
ściach prądowych, co miało miejsce
dla układu z rysunku 1.

podsumowanie

Zastosowanie przedstawionego

koncepcyjnie w artykule dwukie-
runkowego urządzenia zasilającego
wydaje się ze wszech miar korzystne
nie tylko przy budowie wykorzystu-
jących odnawialne źródła energii sys-
temów hybrydowych, ale także kon-
wencjonalnych siłowni zasilania gwa-
rantowanego współpracujących z ba-

terią akumulatorów VRLA. Urządze-
nie to pozwala na automatyzację bar-
dzo często zaniedbywanego zabiegu
konserwacyjnego, rozładowania i ła-
dowania kontrolnego baterii.

Poprawa warunków eksploatacyj-

nych baterii akumulatorów ma za-
sadniczy wpływ nie tylko na nieza-
wodność całego systemu zasilania,
ale także na czas życia baterii, oby-
dwa te czynniki mają bezpośrednie
przełożenie ekonomiczne.

Omówione dwukierunkowe urzą-

dzenia zasilające mogą zastępować
dwa przekształtniki typowo stoso-
wane w przedstawionych przykła-
dach. Szacunkowy koszt wytworze-
nia dwukierunkowego urządzenia za-
silającego jest podobny do kosztu wy-
tworzenia jednego z nich, mowa tu
o układzie zespołu prostownikowe-
go AC/DC 2 oraz układzie falownika
przekazującego energię do sieci zasila-
jącej DC/AC 1 przedstawionych na ry-
sunku 1. Zastosowanie przedstawio-
nego dwukierunkowego urządzenia
zasilającego lub podobnie działają-
cych urządzeń pozwoli zapewne na
budowę układów zasilania ogólnego
przeznaczenia wykorzystujących źró-
dła energii odnawialnej, jako że na-
pięcie przemienne 230 VAC jest ty-
powym dla zasilania także urządzeń
powszechnego użytku. Może to mieć
niebagatelne znaczenie dla rozwoju
idei upowszechnienia energetyki od-
nawialnej.

Rys. 5 Schemat ideowy hybrydowego systemu zasilania zintegrowany na szynie 230 V AC

Rys. 4 Schemat ideowy przekształtnika AC/DC umożliwiający dwukierunkowy przepływ

energii w układzie z rysunku2