Wybrane Rozwi zania Przekształtników Energoelektronicznych w Energetyce Prosumenckiej

Transkrypt

1 Wybrane Rozwi zania Przekształtników Energoelektronicznych w Energetyce Prosumenckiej dr in. Jarosław żichalak, dr in. żarcin Zygmanowski źatedra Energoelektroniki, Nap du Elektrycznego i Robotyki Politechnika l ska ul. B. Krzywoustego 2A, Gliwice źonwersatorium Inteligentna Energetyka

2 2 Przyj ty podział przekształtników Podział klasyczny stosowany w energoelektronice ze wzgl du na rodzaj przekształcanej energii: śc/, /, /AC, AC/AC. Przyj ty podział (PROSUżENT = PRODUCENT + źonsużentę: Rozwi zania dla produkcji energii elektrycznej (z OZEĘ Typowe rozwi zania przekształtnikowe zwi zane z konsumpcj energii u odbiorców indywidualnych Przy analizie rozwi zań skupiono si głównie na zastosowaniach i funkcji przekształtników, wymaganiach wynikaj cych ze specyfiki odbiorników/ ródeł. Starano si pokazać rozwi zania typowe ich wła ciwo ci oraz zaznaczyć ewentualne podobieństwa. Rozwa ania dotycz głównie rozwi zań stosowanych w gospodarstwach domowych.

3 3 Przykładowe rozwi zania dla paneli fotowoltaicznych Ogniwo fotowoltaiczne Rozwi zanie jednofazowe dla ł czonych szeregowo paneli fotowoltaicznych Przekształtnik / podwyższający napięcie (BOOST) dwustopniowy MOSFET lub IGBT V Przekształtnik AC/ Dwustopniowy przekształtnik / mniejsze t tnienia w pr dzie ogniwa. Sterowanie regulacja pr du ogniwa w celu uzyskania punktu mocy maksymalnej (żppę Przy wy szych napi ciach z ogniwa przekształtnik / wył cza si. żo liwa regulacja punktu pracy ogniwa poprzez napi cie w przekształtniku śc/. Napi cie panelu zmienia si w stosunkowo niedu ym zakresie. T 22 T 25 L S L 1 N

4 4 Przykładowe rozwi zania dla paneli fotowoltaicznych U PV Prosty algorytm MPPT P=U PV *I PV gdy (P P P ) I PV_Z =I PV_Z +DI gdy (P<P P ) I PV_Z =I PV_Z -DI P P =P ślgorytm sterowania przekształtnikami MPPT I PV_Z I PV V PI / Dynamika i praca w stanie ustalonym algorytmu żppt zale y od przyrostów pr du. Wysoka cz stotliwo ć ł czeń tranzystorów zapewnia du dynamik kształtowania wielko ci elektrycznych. V U D U D_Z PI /AC PI I S_Z I S x U S / U V

5 5 Przykładowe rozwi zania dla paneli fotowoltaicznych Rozwi zanie uproszczone dla wy szych napi ć Ogniwo fotowoltaiczne Przekształtnik AC/ T 22 T 25 Separacja mi dzy panelem fotowoltaicznym a sieci zasilaj c żo liwo ć niezale nej pracy modułów żo liwo ć ł czenia równoległego L S Dla sumarycznych napi ć z paneli PV przekraczaj cych 340 V. Elementy bierne musz być dobrane na wy sze napi cia L 1 N Rozwi zanie z izolacj dla ni szych napi ć

6 6 Przykładowe rozwi zania dla mikroturbiny wiatrowej PM SG Prostownik diodowy AC/ D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6 L T B D B Idea pracy przekształtnika ta sama co dla PV. Przekształtnik identyczny jak dla PV, niewielkie różnice w sterowaniu C T 21 T 22 T 24 T 25 Dynamika zmian punktu pracy ni sza ni przy panelach fotowoltaicznych. Szerszy zakres zmian napi cia wej ciowego ni w panelach fotowoltaicznych. żo liwo ć wykorzystania indukcyjno ci uzwojeń generatora ł cznie z indukcyjno ci Ż. Odkształcone pr dy generatora. Rozwi zanie jednofazowe mniejszej mocy L S L 1 N

7 7 Przykładowe rozwi zania dla mikroturbiny wiatrowej Mikroturbina wiatrowa G Rozwi zanie z dwoma przekształtnikami (śc/ i /ścę Przekształtnik /AC żo liwo ć zapewnienia lepszego kształtu pr du generatora i zastosowanie ró nych maszyn elektrycznych, silników asynchronicznych. 620 V żo liwo ć wst pnego rozp dzenia układu (pionowa o obrotuę. Wi ksze straty spowodowane dodatkowymi przeł czeniami. FUNźCJE DODśTźOWE PRZEźSZTśŁTNIźś /śc: Przekształtnik AC/ - żo liwo ć kompensacji i wy szych harmonicznych odbiorników pr du przemiennego - żo liwo ć współpracy z sieci (on grid), pracy wyspowej (off gridę, płynne przeł czanie mi dzy trybami pracy (semi-off grid). L 1 L 2 L 3 N

8 8 Praca przekształtnika śc/ w trybie on grid i off grid U L1 N L S T 11 T 12 T 13 T 14 C CF R F Przy trybie współpracy z sieci (on gridę układ pracuje jako sterowane ródło pr du i synchronizuje si z sieci zasilaj c. Wymagana indukcyjno ć po stronie sieci. Przy trybie pracy wyspowej (off gridę wewn trzna p tla regulacji pozostaje bez zmian. Zostaje obj ta p tl regulacji napi cia odbiornika, bazuj c na wzorcu generowanym w sterowniku. Wymagany filtr dolnoprzepustowy wyj ciowy. źondensator mo e by stosowany w obu trybach, co umo liwia przeł czanie mi dzy trybami (semi-off grid). Wymagany zasobnik energii i OC L F u OC u S i F u F L F u S i F i F u F i F Regulacja prądu przekształtnika AC/ Regulacja prądu przekształtnika AC/ i FZ i FZ Regulacja napięcia odbiornika u OCZ

9 9 Przekształtniki / od współpracy z zasobnikiem Dwukierunkowy dwustopniowy przekształtnik synchroniczny Przekształtnik do współpracy z zasobnikiem - dwukierunkowy. Dla ró nicy napi ć 2-4 przekształtnik beztransformatorowy. Przekształtnik dwukierunkowy DAB Przy wi kszych ró nicach napi ć np. przekształtnik typu DśB (Dual Active Bridge). 1 : n

10 10 Typowe przekształtniki wyst puj ce u odbiorców indywidualnych TYPOWE ODBIORNIKI ENERGII: - O wietlenie - Sprz t śgd - Sprz t RTV - Komputery - Urz dzenia grzewcze - Urz dzenia steruj ce - Urz dzenia telekomunikacyjne W zdecydowanej wi kszo ci odbiorników wyst puje proces przekształcenia napi cia przemiennego na stałe o ró nych poziomach napi ć. Wyj tkiem jest sprz t śgd (w wi kszo ci przypadków zasilanie napi ciem przemiennym bezpo rednio z siecię,ale nie zawsze. W wi kszo ci przypadków nie zachodzi potrzeba zwrotu energii do sieci. żo liwa jest segmentacja odbiorników pod wzgl dem współpracy z sieci i wymaganych napi ć wej ciowych. Dalej pomija si urz dzenia grzejne i sprz t śgd nie wyposa ony w przekształtniki.

11 11 Typowe przekształtniki wyst puj ce u odbiorców indywidualnych ODBIORNIKI ENERGII Z OBWODEM BEZ PRZETWORNIKA / ( 350 V): - O wietlenie: wyładowcze ródła wiatła, zapłonniki elektroniczne do wietlówek. - Sprz t śgd: układy zasilania urz dzeń do grzania indukcyjnego, pralek z falownikami itp. u e Rozwi zanie podstawowe L S i e i d u d u e i e źorekta współczynnika mocy (aktywnaę u o źorekta współczynnika mocy (pasywnaę

12 12 Typowe przekształtniki wyst puj ce u odbiorców indywidualnych ODBIORNIźI ENERGII Z OBWODEż NISźONśPI CIOWYż (do 50 VĘ: - O wietlenie ŻED z zasilaczami - Sprz t RTV (zasilanie elektronikię - Komputery (zasilacze) -Urz dzenia steruj ce (zasilanie elektronikię - Urz dzenia telekomunikacyjne (np. zasilacze telefonówę Rozwi zanie typowe L S Wła ciwo ci z punktu widzenia sieci identyczne jak dla poprzedniej grupy. żo liwe stosowanie urz dzeń korekty współczynnika mocy (szczególnie przy wy szych obci eniachę.

13 13 C Przekształtniki do zasilania odbiorników pr du przemiennego z regulacj Typowe rozwi zanie nap dowe T H R H T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 MA Typowe rozwi zanie grzania indukcyjnego W obu rozwi zaniach półmostki tranzystorowe do wytworzenia napi cia przemiennego. Pr d wyj ciowy sinusoidalny. Straty mocy zale ne od cz stotliwo ci przeł czeń tranzystorów. Wyj ciowe napi cie niskiej cz stotliwo ci, wielokrotnie ni szej ni cz stotliwo ć przeł czeń zaworów. Regulacja za pomoc modulacji szeroko ci impulsów. Twarda komutacja zaworów. U dc Cz stotliwo ć przeł czeń zaworów taka jak cz stotliwo ć rezonansowa (od kilkudziesi ciu kilohercówę. Regulacja za zmian cz stotliwo ci. żi kka komutacja zaworów (mo liwe przeł czanie przy zerowym napi ciu lub pr dzieę.

14 14 Proponowany interfejs sieciowy Sieć dystr. AC Zalety: Dom plus-energetyczny ŁT Odbiorniki prądu przemiennego 1. i 3. fazowe AC PRZEKSZTŁTNIK PE AC PE1.1 OZE1 Mikrobiogazownia lub Mikroturbina wiatrowa PE1.2 Sterownik nadrzędny Sterownik AC/ 620 V AC Sterownik / PE2.1 PE2.2 PE2.4 PE2.3 OZE2 Ogniwa fotowoltaiczne 110 V 12 V 69-86V Samochód elektryczny Ł CZENIE CZ CI WSPÓŻNYCH PRZEźSZTśŁTNIźÓW DO WSPÓŁPRśCY Z OZE żo ŻIWO Ć GENERśCJI NśPI Ć DO ZśSIŻśNIś ODBIORNIźÓW Z WEJ CIOWYż STOPNIEż (NP. OSWIETŻENIEĘ ZżNIEJSZENIE NEGśTYWNEGO WPŁYWU ODBIORNIźÓW Nś SIEĆ

15 Dzi kuj za uwag dr in. Jarosław żichalak