Wojciech Błasiński
Energoelektroniczne układy
przekształcania energii odnawialnej
Część 2
Spis treści:
Część 1
1. Wstęp
2. Fotowoltaiczne z
ródła energii
3. Struktura układów przekształcania energii ze z
ródeł
fotowoltaicznych
4. Przekształtnik DC/DC obniżający napięcie wyjściowe
5. Przekształtnik DC/DC podwyższający napięcie wyjściowe
6. Przekształtnik przeciwsobny, mostkowy i półmostkowy
Część 2
7. Jednofazowy przekształtnik mostkowy DC/AC
8. Przykłady układów przekształcania energii fotowoltaicznej
9. Generatory wiatrowe
10. Układ łagodnego rozruchu - softstart
11. Falownik trójfazowy
12. Sterowanie układów przekształtnikowych do przetwarzania energii
słonecznej i wiatrowej
Literatura
7. Jednofazowy przekształtnik mostkowy DC/AC
Poniżej przedstawiono opis dwóch falowników jednofazowych:
" falownika kształtującego napięcie wyjściowe,
" falownika kształtującego prąd wyjściowy.
Podstawowym układem przekształtnika DC/AC, w obu wspomnianych
powyżej układach jest jednofazowy falownik mostkowy. Jest to falownik
napięciowy, bo z
ródło zasilania DC ma charakter z
ródła napięciowego.
Kształtowanie napięcia wyjściowego
Jest wiele sposobów sterowania tranzystorów mostka, które pozwalają
na kształtowanie przemiennego napięcia wyjściowego. Poniżej
przedstawiono wybrane sposoby sterowania:
" sterowanie symetryczne,
" sterowanie niesymetryczne,
" sterowanie z modulacją szerokości impulsów MSI.
W przypadku sterowania symetrycznego tranzystory na przekątnych
mostka są sterowane parami, takimi samymi sygnałami sterującymi.
Włączane i wyłączane są kolejno pary tranzystorów T1 i T3 oraz T2 i T4.
Sterowanie polega na zmianie współczynnika wypełnienia, tj. czasu
załączenia tranzystorów odniesionego do okresu przełączania.
Minimalna wartość współczynnika wypełnienia jest równa zero,
maksymalna jest równa 0.5.
Rys. 7.1. Schemat jednofazowego falownika mostkowego
Na kolejnych rysunkach przedstawiono przebiegi czasowe sygnałów
sterujących tranzystorami mostka oraz przebiegi napięcia i prądu
wyjściowego falownika dla różnych rodzajów sterowania i obciążenia
szeregowego RL.
Rys. 7.2. Sygnały sterujące tranzystorów mostka z Rys. 7.1. dla
współczynnika wypełnienia 0.5, T  okres sygnału sterującego, równy
okresowi przemiennego przebiegu wyjściowego. Sterowanie
symetryczne
Rys. 7.3. Przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego falownika dla
współczynnika wypełnienia 0.5, obciążenie szeregowe RL. Sterowanie
symetryczne (przykład)
Rys. 7.4. Sygnały sterujące tranzystorów mostka z Rys. 7.1. dla
współczynnika wypełnienia mniejszego niż 0.5, T  okres sygnału
sterującego równy okresowi przemiennego przebiegu wyjściowego.
Sterowanie symetryczne
Rys. 7.5. Przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego falownika dla
współczynnika wypełnienia mniejszego niż 0.5, obciążenie szeregowe
RL. Sterowanie symetryczne (przykład)
Rys. 7.6. Przebiegi sygnałów sterujących tranzystorami mostka dla
sterowania niesymetrycznego, współczynnik wypełnienia mniejszy niż
0.5
Rys. 7.7. Przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego falownika dla
współczynnika wypełnienia mniejszego niż 0.5, obciążenie szeregowe
RL. Sterowanie niesymetryczne (przykład)
Kształt napięcia i prądu wyjściowego odbiega od sinusoidalnego. Wtedy ,
gdy pożądanym kształtem jest przebieg sinusoidalny, aby zmniejszyć
zawartość harmonicznych stosuje się szereg modyfikacji sterowania
łączników falownika. Jedną z możliwości jest zastosowanie modulacji
szerokości impulsów MSI. W metodzie tej czasy przełączeń łączników
mostka są wyznaczane na podstawie porównania pożądanego kształtu
przebiegu sinusoidalnego z przebiegiem pomocniczym, tak jak
przedstawiono na Rys. 7.8. Na rysunku przedstawiono zasadę modulacji
dwubiegunowej z piłokształtnym przebiegiem pomocniczym (nośnym),
możliwe są także inne metody modulacji.
Rys. 7.8. Sposób wyznaczania sygnałów sterujących tranzystorów (tzw.
modulacja dwubiegunowa) mostka falownika dla modulacji MSI
Podstawowe parametry charakteryzujące modulację MSI to
współczynnik głębokości modulacji m:
U
m
m =
U
n
oraz względna pulsacja r:
�
r =
�
Współczynnik głębokości modulacji wpływa na wartość skuteczną
napięcia wyjściowego falownika, a względna pulsacja określa liczbę
pulsów, które tworzą okres napięcia wyjściowego. Liczba pulsów wpływa
na zawartość wyższych harmonicznych napięcia.
Przekształtniki DC/AC zwykle dołączanie są do obciążenia lub sieci
energetycznej przez filtry. Ze względu na stałą częstotliwość wyjściową
falownika możliwe jest dobranie filtru, tak aby napięcie i prąd wyjściowy
były zbliżone do przebiegów sinusoidalnych.
Rys. 7.9. Przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego falownika dla
współczynnika m=0.75 i r=15, obciążenie szeregowe RL. Sterowanie
MSI (przykład)
Kształtowanie prądu wyjściowego
Rozważania związane z kształtowaniem sinusoidalnego prądu
wyjściowego falownika poprzedzono rozważaniami o kierunku przepływu
energii w obwodach DC i AC. Wyniki rozważań przedstawiono na Rys.
7.10. i Rys. 7. 11.
Rys. 7.10. Przepływ energii w obwodach prądu stałego
Rys. 7. 11. Przepływ energii w obwodach prądu przemiennego
Na Rys. 7.12. przedstawiono schemat blokowy histerezowego układu
sterowania falownika kształtującego prąd wyjściowy i przesyłającego
energię z obwodu DC do sieci przemiennej.
Rys. 7. 12. Falownik DC/AC z regulatorem histerezowym prądu
Na Rys. 7. 13. przedstawiono schemat modelu układu falownika z
regulatorem histerezowym prądu, a na Rys. 7.14. przebiegi czasowe w
układzie.
Rys. 7. 13. Schemat układu sterowania falownika z histerezowym
regulatorem prądu
Rys. 7. 14. Przebiegi czasowe w układzie falownika z histerezowym
regulatorem prądu
Falownik z histerezowym regulatorem prądu posiada wadę,
częstotliwość przełączeń tranzystorów zależy od szerokości strefy
histerezy regulatora oraz właściwości dynamicznych obciążenia i nie jest
ograniczona z góry. Szereg modyfikacji układu histerezowego (Np układ
z modulacją delta) pozwala na wyeliminowanie tej wady.
8. Przykłady układów przekształcania energii fotowoltaicznej
Typowe zastosowania wykorzystujące energię fotowoltaiczną:
" bardzo małej mocy: zasilanie kalkulatorów, lamp ogrodowych,
latarek itp., moce do kilku W, włącznie DC,
" sygnalizacja drogowa, oświetlenie nawigacyjne, fotoradary,
podświetlenie reklam itp., moce do100W, DC,
" małe elektrownie przydomowe, latarnie morskie, schroniska
górskie, moce do 2kW, często z autonomiczną siecią AC
jednofazową,
" lokalne elektrownie trójfazowe 3x400V AC, kilkadziesiąt kW,
połączone z siecią energetyczną, osiedla, zakłady pracy, wyższe
uczelnie (Politechnika A
ódzka 6kW, zakłady Frosta w Bydgoszczy
80kW),
" profesjonalne elektrownie, kilka - kilkanaście MW, (elektrownia
Serpa w Portugalii 11MW, Pocking w Bawarii 10MW),
" w 2010 roku rozpocznie się budowa elektrowni fotowoltaicznej w
miejscowości Sevetin w Czechach o mocy 30 MW i łącznej
powierzchni paneli około 60 ha.
Rys. 8.1. Przykład układu przekształcania energii fotowoltaicznej z
dławikowym układem podwyższającym napięcie i falownikiem
mostkowym
Rys. 8.2. Przykład układu przekształcania energii fotowoltaicznej z
falownikiem mostkowym i transformatorem sieciowym
Wg danych z 2003 roku:
" 44.2% stanowiły układy beztransformatorowe zwiększające
napięcie,
" 37.1% układy z transformatorem sieciowym,
" 12.0% układy beztransformatorowe zmniejszające napięcie,
" 2.6% układy z transformatorem wysokiej częstotliwości,
" 4.1% pozostałe.
Rys. 8.3. Przykład układu przekształcania energii fotowoltaicznej z
przekształtnikiem przeciwsobnym i falownikiem mostkowym
9. Generatory wiatrowe
W elektrowni wiatrowej generator ma za zadanie zamienić energię
mechaniczną wiatru w energię elektryczną. y
ródłem energii jest wirnik
turbiny wiatrowej dostarczający zmieniający się, w zależności od
warunków wiatrowych, moment napędowy. Spośród wielu rodzajów
wirników turbiny wiatrowej największą popularność znalazły turbiny
śmigłowe o poziomej osi wirnika. Wirnik bezpośrednio lub przez
przekładnię mechaniczną napędza generator wytwarzający energię
elektryczną. Elektrownie wiatrowe wykorzystują moc wiatru w zakresie
jego prędkości od 4 do 25 m/s. Przy prędkości wiatru mniejszej od 4 m/s
moc wiatru jest niewielka, a przy prędkościach powyżej 25 m/s ze
względów bezpieczeństwa elektrownia jest zatrzymywana. Duże
prędkości wiatru występują bardzo rzadko i nie jest ekonomicznie
uzasadnione projektowanie urządzeń dla takich wartości.
Energetyka wiatrowa znacznie wyprzedziła energetykę fotowoltaiczną.
Dla porównania, w Niemczech w roku 2005 moc zainstalowanych
elektrowni fotowoltaicznych wynosiła 1,2 GW, podczas gdy moc
elektrowni wiatrowych była 18,5 GW. Rozwój energetyki wiatrowej w
Niemczech, przodujących w tej dziedzinie w Unii Europejskiej
przedstawia Rys. 9. 1.
Rys. 9. 1. Moc zainstalowanych elektrowni wiatrowych w Niemczech
Obecnie generacja wiatrowa zapewnia ponad 20% krajowego
zapotrzebowania na energię w Danii, około 9% krajowego
zapotrzebowania w Hiszpanii, blisko 7% w Niemczech, w Polsce 0.51%
(790,2GWh/ 153TWh, 2009 rok).
Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce to około 666 MW
(stan 30.09.2009, z
ródło Urząd Regulacji Energetyki).
Plany polskiej energetyki na 2010 rok:
" 2000 MW zainstalowanych w energetyce wiatrowej,
" 2,3% udział generacji wiatrowej w krajowym zużyciu energii.
Wśród inwestycji w Polsce wyróżnić można 14 profesjonalnych
projektów przedstawionych w Tabeli 1.
Tabela. 1
Lokalizacja Województwo Moc
Barzowice zachodniopomorskie 5,1 MW
Cisowo zachodniopomorskie 18 MW
Zagórze zachodniopomorskie 30 MW
Lisewo pomorskie 10,8 MW
Tymień zachodniopomorskie 50 MW
Puck pomorskie 22 MW
Kisielice warmińsko-mazurskie 40,5 MW
Kamieńsk łódzkie 30 MW
Jagniątkowo zachodniopomorskie 30,6 MW
A
osina k/Słupska zachodniopomorskie 48 MW
Gnieżdżewo pomorskie 22 MW
Karścino zachodniopomorskie 69 MW
A
ebcz pomorskie 8 MW
Suwałki podlaskie 41,4 MW
Turbina wiatrowa
Poruszający się walec powietrza posiada energię kinetyczną E określoną
wzorem:
1 1
E = mV2 = Sl�V2
2 2
gdzie: m  masa powietrza
V  prędkość powietrza
S  pole powierzchni walca
l  długość walca
�  gęstość powietrza
Stąd wynika moc wiatru P:
E 1
P = = S�V3
t 2
Przepływając przez turbinę część tej energii jest przekazywana turbinie.
Powoduje to zmniejszenie prędkości wiatru z wartości V1 przed turbiną
do wartości V2 za turbiną. Na tej podstawie, przyjmując założenia
upraszczające można obliczyć moc przekazywaną turbinie. Rozważania
takie przedstawił w 1919 roku fizyk niemiecki Alfred Betz. Podstawowe
założenie dotyczy stałej gęstości przepływającego powietrza.
Rys. 9. 2. Ilustracja poruszającego się walca powietrza.
Dla przekroju przed turbiną, w miejscu turbiny i za turbiną można napisać
zależność:
m = V� = Sl� = SVt�
W przeliczeniu na jednostkę czasu:
m
= SV� = S1V1� = S2V2�
t
Rys. 9. 3. Ilustracja rozważań energetycznych turbiny
Siła F z jaką powietrze działa na turbinę jest określona wzorem:
"V
F = ma = m = SV�(V1 - V2)
t
a moc turbiny:
P = FV = SV2�(V1 - V2)
Ze zmniejszenia energii wiatru przepływającego przez turbinę uzyskuje
się:
"E E1 E2 1 m 1
P = = - = (V12 - V22) = SV�(V12 - V22)
t t t 2 t 2
Przyrównując obie moce uzyskuje się rezultat, że prędkość powietrza w
płaszczyz
nie turbiny jest średnią prędkości przed i za turbiną:
V1 + V2
V =
2
a podstawiając do wzoru na moc turbiny:
1 1
P = S(V1 + V2)�(V12 - V22) = S�V13(1- x2 + x - x3)
4 4
gdzie x=V2/V1
Maksymalną wartość mocy uzyskuje się (obliczając dP/dx i przyrównując
do zera) dla x=1/3, wtedy:
0.593
Pmax = S�V13 = 0.3S�V13
2
Poniżej przedstawiono Tabelę 2 zawierającą obliczenia mocy turbiny w
zależności od promienia łopat i prędkości wiatru. W Tabeli współczynnik
0.3 we wzorze na moc maksymalną zastąpiono wartością 0.2
Tabela 2.
Przyjęto gęstość powietrza �=1.293 kg/m3
Pojedyncze elektrownie wiatrowe mogą pracować ze stałą prędkością
obrotową lub ze zmienną prędkością obrotową.
Klasyczna elektrownia średniej lub dużej mocy (od kilkudziesięciu kW do
2MW) pracuje ze stałą prędkością wirowania (lub z dwoma
przełączanymi prędkościami) i zawiera generator asynchroniczny
trójfazowy. Podstawowe elementy elektrowni przedstawiono na Rys. 9.1.
Rys. 9.1. Elementy turbiny wiatrowej, na przykładzie turbiny firmy Vestas
Jedną z podstawowych charakterystyk turbiny wiatrowej jest zależność
mocy turbiny w funkcji prędkości obrotowej dla różnych wartości
prędkości wiatru. Przykładowy przebieg charakterystyk przedstawiono
na Rys. 9.2.
Rys. 9.2. Przebieg charakterystyk turbiny wiatrowej o mocy 1000kW
Generator asynchroniczny klatkowy ma identyczną budowę jak silnik
asynchroniczny. Aby była możliwa generacja energii elektrycznej stojan
maszyny musi być dołączony do sieci zasilającej, aby wytwarzać w
maszynie pole magnetyczne. Po włączeniu zasilania maszyna
rozpoczyna pracę jako silnik asynchroniczny (jeżeli prędkość obrotowa
wirnika po uwzględnieniu przekładni jest mniejsza od prędkości
synchronicznej), wytwarzając moment elektromagnetyczny
współdziałający z momentem generowanym przez turbinę. Wobec braku
momentu oporowego prędkość wzrasta aż do prędkości synchronicznej
( 1500 obr/min dla maszyny z 2-ma parami biegunów, 1000 obr/min dla
maszyny z 3-ma parami biegunów). Dalszy wzrost prędkości powoduje
zmianę znaku momentu elektromagnetycznego, maszyna zaczyna
pracować jako generator nadsynchroniczny i zaczyna przesyłać energię
do sieci.
Tak działające generatory nie wymagają w zasadzie układów
energoelektronicznych. Sterowanie mocy (ilości przetwarzanej energii )
odbywa się przez zmianę kąta ustawienia łopat wirnika lub przez zmianę
położenia osi wirnika turbiny względem kierunku wiatru. Układem
energoelektronicznym wykorzystywanym do włączenia generatora do
sieci jest zwykle układ łagodnego rozruchu maszyny tzw. softstart.
Właściwości tego układu omówiono w dalszej części opracowania.
Na Rys. 9.4. i 9.5. przedstawiono porównanie korzyści wynikające z
zastosowania maszyny dwubiegowej
Rys. 9.3. Charakterystyka mechaniczna maszyny asynchronicznej
Na Rys. 9.4. i 9.5. przedstawiono porównanie korzyści wynikające z
zastosowania maszyny dwubiegowej.
Rys. 9.4. Zmiana punktu pracy na charakterystyce maszyny
jednobiegowej przy zmianie prędkości wiatru
Rys. 9.5. Zmiana punktu pracy na charakterystyce maszyny
dwubiegowej przy zmianie prędkości wiatru
Generatory wiatrowe, przykład generatora asynchronicznego,
jednobiegowego
Podstawowe parametry techniczne
1 Średnica wirnika 22 m
2 Liczba łopat 3
kątem natarcia
3 System regulacji
łopat wirnika
4 Prędkość obrotowa nominalna wirnika 46.6 obr/min
5 Moc generatora 160 kW
6 Rodzaj generatora asynchroniczny
7 Napięcie pracy generatora 3x380 V
8 Częstotliwość sieci 50 Hz
9 Prędkość obrotowa synchroniczna
1500 obr/min
generatora
10 Roboczy zakres prędkości wiatru 4 - 25 m/s
Jedną z możliwości sterowania właściwości generatora jest zmiana
rezystancji w obwodzie wirnika. Zwykle wszystkie elementy układu
energoelektronicznego są umieszczone w wirniku, a sterowanie jest
przekazywane do wirującego wirnika na drodze optycznej. Właściwości
układu są takie same jak silnika pierścieniowego z modulacją rezystancji
w obwodzie wirnika. Schemat układu przedstawiono na Rys. 9.6. Wadą
układu są straty w rezystancji dodatkowej i pogorszenie sprawności.
Zwykle ten sposób sterowania właściwości układu jest łączony z
klasycznym układem regulacji ustawienia śmigieł (zmiana kąta natarcia).
Rys. 9.7 i 9.8 przedstawiają graficzną ilustrację rezultatów sterowania na
charakterystykach mechanicznych. Prędkość obrotowa może zmieniać
się w niewielkich granicach.
Rys. 9.6. Schemat układu sterowania z modulacją rezystancji w
obwodzie wirnika
Rys. 9.7. Zmiana punktu pracy układu przy zmianie prędkości wiatru bez
zmiany wartości rezystancji wirnika
Rys. 9.8. Zmiana punktu pracy układu przy zmianie prędkości wiatru ze
zmianą wartości rezystancji wirnika
Generatory wiatrowe, zmiana rezystancji wirnika, przykład
Średnica wirnika 66m
Prędkość obrotowa 15/19 obr/min
Liczba łopat 3
Regulacja mocy nachylenie / OptiSlip
Prędkość startu 4 m/s
Optymalna robocza prędkość
17 m/s
wiatru
Prędkość zatrzymania 25 m/s
Asynchroniczny z systemem
Generator
OptiSlip
Nominalna moc wyjściowa 1650 kW
Dane robocze 50 Hz/690V
Prędkość obrotowa 1500 - 1650 obr/min (50 Hz)
Kolejnym sposobem sterowania właściwości układu generatora jest
zastosowanie maszyny pierścieniowej asynchronicznej, tzw. maszyny
indukcyjnej dwustronnie zasilanej. Obwód wirnika maszyny jest
połączony do sieci przez dwukierunkowy układ przemiennika
pośredniego częstotliwości. Schemat układu przedstawiono na Rys. 9. 9.
Przez odpowiednie sterowanie przekształtników 1 i 2 możliwa jest praca
generatorowa podsynchroniczna i nadsynchroniczna z możliwością
sterowania prędkości obrotowej. Przekształtniki mogą pracować jako
prostowniki sterowane lub jako falowniki.
Rys. 9.9. Schemat układu przekształcania z generatorem pierścieniowym
Rys. 9.10. Położenie punktu pracy na charakterystyce mechanicznej
przy zmianie prędkości wiatru i niezmienionym sterowaniu
przekształtników w obwodzie wirnika
Rys. 9.11. Położenie punktu pracy na charakterystyce mechanicznej przy
zmianie prędkości wiatru i odpowiednio dobranym sterowaniu
przekształtników w obwodzie wirnika
Rys. 9.12. Kierunki przepływu energii (z pominięciem strat) dla różnych
stanów pracy układu kaskady
Na Rys. 9.12. przedstawiono kierunki przepływu energii dla pracy
generatora podsynchronicznego (przekształtnik 1 pracuje jako falownik,
przekształtnik 2 jako prostownik), generatora nadsynchronicznego
(przekształtnik 1  prostownik, przekształtnik 2  falownik) oraz dla
kaskady podsynchronicznej. Ważną zaletą układu jest możliwość
przesyłania do sieci energii elektrycznej przez obwód stojana oraz przez
obwód wirnika. Gdyby przyjąć dwukrotną prędkość synchroniczną
wirowania to moce przesyłane przez stojan i wirnik są równe, ale tylko w
obwodzie wirnika są przekształtniki energoelektroniczne, a to oznacza, że
ich moc jest równa połowie całkowitej mocy przesyłanej do sieci.
Wynika stąd wniosek, że stosunek między mocą znamionową
przekształtnika i generatora (turbiny) wynosi połowę zakresu zmian
prędkości wirnika; tzn. na przykład: zmiana prędkości 60% wokół
prędkości synchronicznej (odpowiadającej 50 Hz) wymaga
przekształtnika o 30% mocy znamionowej generatora. Moc
przekształtnika jest więc zredukowana w stosunku do mocy generatora.
Na Rys. 9.13. przedstawiono przykład dany technicznych generatora
wiatrowego z maszyną pierścieniową dwustronnie zasilaną.
Rys. 9.13. Wybrane dane techniczne generatora wiatrowego z maszyną
pierścieniową dwustronnie zasilaną
Najnowszą technologią generatorów wiatrowych jest wolnoobrotowy
generator synchroniczny nie wymagający przekładni mechanicznej
zwiększającej obroty turbiny. Zastosowanie przemiennika pośredniego
częstotliwości pozwala na przekształcanie energii niezależnie od
prędkości obrotowej generatora. Magnesy stałe umieszczone w wirniku
nie wymagają pierścieni zasilających i nie powodują dodatkowych strat.
Schemat układu przedstawiono na Rys. 9.14. Przykładowe dane
techniczne generatora synchronicznego przedstawiono na Rys. 9.15.
Rys. 9. 14. Schemat układu generatora wiatrowego z generatorem
synchronicznym
Rys. 9.15. Wybrane dane techniczne generatora wiatrowego z
maszyną synchroniczną
10. Układ łagodnego rozruchu - softstart
Trójfazowe układy łagodnego rozruchu silników asynchronicznych
klatkowych znalazły szerokie zastosowanie w układach rozruchowych,
eliminujących niekorzystne zjawiska związane z włączeniem silnika do
sieci zasilającej. Układ softstartu to trójfazowy sterownik napięcia
przemiennego, w którym kąt wyzwalania łączników tyrystorowych
zmienia się w czasie rozruchu/wyłączenia silnika.
Na Rys. 10.1 przedstawiono schemat sterownika jednofazowego,
który wyjaśnia zasadę działania układu. Zmiana kąta wyzwalania
łączników tyrystorowych powoduje zmianę wartości skutecznej napięcia
zasilającego. Na Rys. 10.2. przedstawiono przebiegi czasowe napięcia i
prądu obciążenia dla układu jednofazowego z obciążeniem szeregowym
RL.
Rys. 10.1. Jednofazowy, odwrotnie-równoległy sterownik napięcia
przemiennego. a) schemat układu z obciążeniem R, b) przebiegi
czasowe
Jedną z wielu propozycji sterownika trójfazowego przedstawiono na
Rys. 10.3, a na Rys. 10.4 przedstawiono przykładowe przebiegi napięcia
i prądu fazowego dla stałego kąta wyzwalania.
Rys. 10.5 przedstawia przebiegi czasowe prądu przewodowego i
prędkości obrotowej silnika w czasie rozruchu, dla dwóch nastawionych
czasów rozruchu.
Rys. 10.2. Przebiegi czasowe napięcia i prądu wyjściowego
jednofazowego sterownika AC dla obciążenia szeregowego RL przy
kącie wyzwalania ą=Ą/2
Rys. 10.3. Schemat elektryczny trójfazowego sterownika napięcia
przemiennego z obciążeniem R
Rys. 10.4. Przykładowe przebiegi czasowe napięcia fazowego i
prądu fazowego trójfazowego sterownika AC dla obciążenia
szeregowego RL
Rys. 10.5. Przebiegi czasowe prądu i prędkości obrotowej silnika w
czasie rozruchu dla dwóch różnych czasów rozruchu
11. Falownik trójfazowy
Falowniki trójfazowe ( schemat falownika trójfazowego napięciowego
przedstawiono na Rys. 11.1.) znalazły zastosowanie w układach
przekształcania energii fotowoltaicznej i energii wiatrowej średnich i
dużych mocy. Aby uzyskać przebiegi wyjściowe o małej zawartości
wyższych harmonicznych stosuje się różne metody sterowania. Jedną z
nich jest metoda modulacji szerokości impulsów, na Rys. 11.2.
przedstawiono jak wyznacza się chwile przełączeń tranzystorów stosując
metodę modulacji trójkątowej. Inną metodą jest bezpośrednie
kształtowanie prądu sinusoidalnego z zastosowaniem regulatorów
histerezowych. Sposób kształtowania przebiegów wyjściowych to tylko
jedno z zagadnień dotyczących sterowania falowników. Innym ważnym
zagadnieniem jest sterowanie kierunkiem przepływu energii.
Rys. 11.1. Schemat trójfazowego falownika napięciowego
Rys. 11.2. Zasada modulacji trójkątowej dla falownika trójfazowego
Przepływ energii od obwodu DC do obwodu AC to typowy kierunek
przepływu dla pracy przekształtnika jako falownik. Jednak możliwy jest
także przepływ energii od obwodu AC do obwodu DC, dzięki czemu
przekształtnik jest uniwersalnym układem sprzęgającym oba obwody.
Jeżeli falownik jest dołączony do sieci trójfazowej, to najczęściej
stosowane są metody wektorowe sterowania. Metody te opierają się na
sterowaniu położenia wektora napięcia wyjściowego w stosunku do
wektora napięcia sieci. W układach falowników dołączonych do sieci, a
więc pracujących ze stałą częstotliwością stosowane są filtry LC,
poprawiające kształt napięcia wyjściowego. Poprawa kształtu przebiegów
wyjściowych falownika przez wzrost częstotliwości przełączania
tranzystorów napotyka na ograniczenia związane ze wzrostem strat
dynamicznych w tranzystorach. Dlatego też w układach dużych mocy
stosuje się falowniki wielopoziomowe, w których pulsy napięcia
wyjściowego mogą przyjmować kilka wartości.
12. Sterowanie układów przekształtnikowych do przetwarzania
energii słonecznej i wiatrowej
Układy sterowania w przekształtnikach energii realizują następujące
funkcje:
" zapewnienie maksimum mocy pobieranej ze z
ródła energii
(modułów fotowoltaicznych lub turbin wiatrowych)w zmiennych
warunkach eksploatacji,
" zapewnienie właściwych parametrów energii w przypadku sieci
lokalnych,
" zapewnienie właściwego użytkowania magazynów energii
(akumulatorów),
" doprowadzenie wytworzonej energii do sieci elektroenergetycznej
przy zapewnieniu:
płynnej regulacji mocy czynnej,
płynnej regulacji rozpływu mocy biernej pomiędzy układem i
siecią,
synchronizacji z siecią,
właściwej jakości energii (Np. małej zawartości
harmonicznych),
" realizację funkcji zabezpieczających i diagnostycznych.
W przypadku modułów fotowoltaicznych sterowaniu podlega ich
ustawienie względem kierunku padania promieni słonecznych. W
generatorach wiatrowych sterowanie obejmuje ustawienie kątów łopat
wirnika i ustawienie osi turbiny względem kierunku wiatru. Na Rys. 12.1.
przedstawiono schemat układu sterowania przekształtnika energii
fotowoltaicznej. Układ zawiera trzy regulatory połączone w strukturę
podporządkowaną.
Nadrzędnym jest regulator mocy, zapewniający maksymalne
wykorzystanie mocy modułu fotowoltaicznego, podporządkowane
regulatory napięcia i prądu zapewniają odpowiednie warunki pracy
przekształtnika i właściwe parametry energii wyjściowej.
Na Rys. 12.2. przedstawiono schemat jednego z wielu możliwych
układów sterowania falownika, układ sterownia wektorowego napięciowo
zorientowany. Regulator napięcia porównuje napięcie obwodu DC z
wartością zadaną i wyznacza zadaną składową czynną prądu. Składowa
czynna zadana jest porównywana ze składową pomierzoną, podobnie
jak dla składowych biernych prądu. Sygnały wyjściowe z regulatorów
składowych prądu generują sygnały składowych napięcia
przekształtnika, które są transformowane do układu trójfazowego i
sterują pracą modulatora wektorowego. W modulatorze wykorzystywana
jest informacja o kącie położenia wektora napięcia sieci w układzie
składowych prądu, co zapewnia synchronizację.
Rys. 12.1. Schemat blokowy układu sterowania przekształtnika energii
fotowoltaicznej
Rys. 12.2. Schemat blokowy układu sterowania, metoda wektora
napięciowo zorientowanego
Literatura:
1. H. Tunia, R. Barlik, Teoria przekształtników, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003
2. M. P. Kaz
mierkowski, J. T. Matysik: Wprowadzenie do elektroniki i
energoelektroniki. OWPW, Warszawa 2005.
3. Włodzimierz Koczara, Kaskadowe układy napędowe z
przekształtnikami tyrystorowymi, WNT Warszawa 1978
4. Marian P. Kaz
mierkowski, Energoelektronika w odnawialnych
z
ródłach energii i systemach generacji rozproszonej, artykuł
dostępny na stronie www.energoelektronika.pl
5. Tutorial Book, Power Electronics and Control for Renewable
Energy Systems, 12th European Conference in Power Electronics
and Applications, Aalborg Denmark, 2007
6. www.sunnylife.pl
7. www.pv.pl
8. www.martifelsolar.com
9. www.windandpower.com
10. www.elektrownie-wiatrowe.org
11. www.vestas.com